CN110166233B - 一种片上编码器 - Google Patents

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Abstract

一种片上编码器，包括：输入波导(100)；1×2光分束器(200)，用于将接收到的信号光分别分成两束信号光；信号光开关(300)，用于实现信号光的通过和阻断；相位偏置调制器(400)，用于调节四束信号光的相位；1×2光合束器(500)，包括第一光合束器(501)和第二光合束器(502)；偏振旋转合束器(600)，接收1×2光合束器(500)输出的两束信号光，并对其中一束信号光进行旋转，以使旋转后的信号光的偏振方向与另一束信号光的偏振方向正交，并将旋转后的信号光与另一束信号光合成一束；输出波导(700)。通过信号光开关(300)和相位偏置调制器(400)等之间的逻辑组合生成四种偏振态信号光，正好满足偏振BB84协议量子密钥分发的调制要求。

Description

一种片上编码器
技术领域
本发明涉及量子通信与集成光学技术领域，尤其涉及一种片上编码器。
背景技术
目前公认的量子密钥分发装置主要是基于传统的分立光学棱镜或光纤器件，体积大，难以集成，成本高，不利于大规模的商业化。随着硅基光子学的发展，分立光学器件的功能逐渐可在片上实现，从而方便集成，同时利用成熟的硅器件加工平台，可以实现大规模低成本的量产。于是人们开始尝试将量子密钥分发装置所需的器件和子系统集成在片上，对于偏振BB84协议量子密钥分发，其技术核心是制备出光的不同偏振态，然而对于硅材料而言，由于其没有线性电光效应，通过调制折射率来实现相位延迟，主要是依靠热光效应和等离子色散效应，热光效应速度慢，难以实现高速的调制，而等离子色散效应速度快，但调制效率相对低的多，导致相位延迟困难，且会引入额外的损耗，因而很难实现高速的片上偏振编码器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本发明提供了一种片上编码器，通过利用硅材料的热光效应和等离子色散效应实现信号光的相位偏置和信号光开关的高速响应，通过信号光开关300和相位偏置调制器400等之间的逻辑组合生成45°的线偏振信号光，左旋圆偏振信号光，135°线偏振信号光和右旋圆偏振信号光四种偏振态信号光，这四种偏振态信号光正好满足偏振BB84协议量子密钥分发的调制要求。
(二)技术方案
本发明提供了一种片上编码器，用于对信号光进行编码，包括：输入波导100，用于输入信号光；1×2光分束器200，包括第一光分束器201、第二光分束器202以及第三光分束器203，其中，第一光分束器201将信号光分成两束分别发送至第二光分束器202以及第三光分束器203，之后第二光分束器202和第三光分束器203进一步将接收到的信号光分别分成两束信号光；信号光开关300，设于第二光分束器202和第三光分束器203后，用于实现第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的通过和阻断；相位偏置调制器400，设于第二光分束器202和第三光分束器203后，用于调节第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的相位；1×2光合束器500，包括第一光合束器501和第二光合束器502，其中，第一光合束器501用于将相位偏置调制器400发送的其中两束信号光合成一束，第二光合束器502用于将相位偏置调制器400发送的另外两束信号光合成一束；偏振旋转合束器600，接收1×2光合束器500输出的两束信号光，并对其中一束信号光进行旋转，以使旋转后的信号光的偏振方向与另一束信号光的偏振方向正交，并将旋转后的信号光与另一束信号光合成一束；输出波导700，用于将偏振旋转合束器600合成的信号光输出。
可选地，输出波导700采用横电场模基模和横磁场模基模传输。
可选地，输入波导100采用横电场模基模传输。
可选地，输入波导100、1×2光分束器200、信号光开关300、相位偏置调制器400、1×2光合束器500、偏振旋转合束器600以及输出波导700的材料为硅。
可选地，信号光开关300包括第一开关301、第二开关302、第三开关303以及第四开关304分别用于控制第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的通过和阻断。
可选地，第一开关301、第二开关302、第三开关303以及第四开关304均采用马赫-增德尔干涉结构。
可选地，通过控制信号控制第一开关301、第二开关302、第三开关303以及第四开关304的开启和关闭，以使其中两个开关开启，另外两个开关关闭。
可选地，所述相位偏置调制器400包括第一相位偏置调制器401、第二相位偏置调制器402、第三相位偏置调制器403以及第四相位偏置调制器404分别用于控制第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的相位。
可选地，所述第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光经所述相位偏置调制器400调节后的相位分别为0°、90°、0°以及180°。
可选地，第一光分束器201、第二光分束器202以及第三光分束器203将接收的信号光分成等光强的两束信号光。
(三)有益效果
本发明提供了一种片上编码器，利用硅材料的热光效应和等离子色散效应，一方面通过其高热光系数来实现片上相位偏置调控，另一方面通过其强等离子色散效应实现片上信号光开关300的高速响应。同时通过信号光开关300和相位偏置调制器400等之间的逻辑组合生成45°的线偏振信号光，左旋圆偏振信号光，135°线偏振信号光和右旋圆偏振信号光四种偏振态信号光，这四种偏振态信号光正好满足偏振BB84协议量子密钥分发的调制要求。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的片上编码器的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种片上编码器，用于对信号光进行编码，参见图1，包括：输入波导100，用于输入信号光；1×2光分束器200，包括第一光分束器201、第二光分束器202以及第三光分束器203，其中，第一光分束器201将信号光分成两束分别发送至第二光分束器202以及第三光分束器203，之后第二光分束器202和第三光分束器203进一步将接收到的信号光分别分成两束信号光；信号光开关300，设于第二光分束器202和第三光分束器203后，用于实现第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的通过和阻断；相位偏置调制器400，设于第二光分束器202和第三光分束器203后，用于调节第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的相位；1×2光合束器500，包括第一光合束器501和第二光合束器502，其中，第一光合束器501用于将相位偏置调制器400发送的其中两束信号光合成一束，第二光合束器502用于将相位偏置调制器400发送的另外两束信号光合成一束；偏振旋转合束器600，接收1×2光合束器500输出的两束信号光，并对其中一束信号光进行旋转，以使旋转后的信号光的偏振方向与另一束信号光的偏振方向正交，并将旋转后的信号光与另一束信号光合成一束；输出波导700，用于将偏振旋转合束器600合成的信号光输出。以下将以具体实施例为例对其进行详细说明，该片上编码器的所有结构均采用硅材料制成，整个片上编码器可在绝缘体上的硅衬底上采用与一般微电子工艺兼容的工艺加工，整个编码器中沿信号光的传输方向上输入波导100至偏振旋转合束器600之间的波导均只支持横电场模基模(TE0模)传输，输出波导700既支持横电场模基模(TE0模)传输，又支持横磁场模基模(TM0)传输。
输入波导100，用于输入信号光；
输入波导100，用于输入信号光，并将信号光发送至1×2光分束器200。
1×2光分束器200，包括第一光分束器201、第二光分束器202以及第三光分束器203，其中，第一光分束器201将信号光分成两束分别发送至第二光分束器202以及第三光分束器203，之后第二光分束器202和第三光分束器203进一步将接收到的信号光分别分成两束信号光；
具体的，第一光分束器201、第二光分束器202以及第三光分束器203均可将接收到的信号光分成光强度相同的两束信号光，因此，输入波导100发送的信号光被第一光分束器201分成了两束信号光，这两束信号光分别发送至第二光分束器202和第三光分束器203分别被再次分成了两束信号光，因此经第二光分束器202和第三光分束器203后信号光被分成了四束等强度的信号光。
信号光开关300，设于第二光分束器202和第三光分束器203后，用于实现第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的通过和阻断；
具体的，信号光开关300设于第二光分束器202和第三光分束器203后，包括第一开关301、第二开关302、第三开关303以及第四开关304分别用于控制所述第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的通过和阻断。具体的信号光开关300采用马赫-增德尔干涉结构，利用硅材料的等离子色散效应来实现高速的“通过”与“阻断”的切换。
相位偏置调制器400，设于第二光分束器202和第三光分束器203后，用于调节第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的相位；
具体的，相位偏置调制器400，设于第二光分束器202和第三光分束器203后，包括第一相位偏置调制器401、第二相位偏置调制器402、第三相位偏置调制器403以及第四相位偏置调制器404分别用于控制第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光的相位。其与信号光开关300配合使用，可以设置于信号光开关300的前或后，利用硅材料的热光效应来改变折射率，实现波导处相位偏置大小的调谐，使得经过第一相位偏置调制器401、第二相位偏置调制器402、第三相位偏置调制器403以及第四相位偏置调制器404调制后到达第一光合束器501和第二光合束器502的信号光的相位为0°、90°、0°以及180°，通过控制信号控制第一开关301、第二开关302、第三开关303以及第四开关304的开启和关闭，工作过程中每次只需要将四路信号光中的两路通过即可，其余两路信号光阻断。
1×2光合束器500，包括第一光合束器501和第二光合束器502，其中，第一光合束器501用于将相位偏置调制器400发送的其中两束信号光合成一束，第二光合束器502用于将相位偏置调制器400发送的另外两束信号光合成一束；偏振旋转合束器600，接收1×2光合束器500输出的两束信号光，并对其中一束信号光进行旋转，以使旋转后的信号光的偏振方向与另一束信号光的偏振方向正交，并将旋转后的信号光与另一束信号光合成一束；
具体的，1×2光合束器500、偏振旋转合束器600、相位偏置调制器400以及信号光开关300的组合使用，生成如下表1所示的组合方式，也即生成45°的线偏振信号光，左旋圆偏振信号光，135°线偏振信号光和右旋圆偏振信号光四种偏振态信号光，这四种偏振态信号光正好满足偏振BB84协议量子密钥分发的调制要求。
Figure BDA0002058953860000061
表1
输出波导700，用于将偏振旋转合束器600合成的信号光输出。
具体的，输出波导700将偏振旋转合束器600合成的45°的线偏振信号光，左旋圆偏振信号光，135°线偏振信号光和右旋圆偏振信号光四种偏振态信号光传输至需要的位置或耦合进光纤中传输。该编码器的切换速度由信号光开关300的调制速率决定，一般可达到几Gbps到几十Gbps。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种片上编码器，用于对信号光进行编码，包括：
输入波导(100)，用于输入信号光；
1×2光分束器(200)，包括第一光分束器(201)、第二光分束器(202)以及第三光分束器(203)，其中，所述第一光分束器(201)将所述信号光分成两束分别发送至所述第二光分束器(202)以及第三光分束器(203)，之后所述第二光分束器(202)和第三光分束器(203)进一步将接收到的信号光分别分成两束信号光；
信号光开关(300)，设于所述第二光分束器(202)和第三光分束器(203)后，用于实现所述第二光分束器(202)和第三光分束器(203)发射的四束信号光的通过和阻断；
相位偏置调制器(400)，设于所述第二光分束器(202)和第三光分束器(203)后，用于调节所述第二光分束器(202)和第三光分束器(203)发射的四束信号光的相位；
1×2光合束器(500)，包括第一光合束器(501)和第二光合束器(502)，其中，所述第一光合束器(501)用于将所述相位偏置调制器(400)发送的其中两束信号光合成一束，所述第二光合束器(502)用于将相位偏置调制器(400)发送的另外两束信号光合成一束；
偏振旋转合束器(600)，接收所述1×2光合束器(500)输出的两束信号光，并对其中一束信号光进行旋转，以使旋转后的信号光的偏振方向与另一束信号光的偏振方向正交，并将所述旋转后的信号光与另一束信号光合成一束；
输出波导(700)，用于将所述偏振旋转合束器(600)合成的信号光输出。
2.根据权利要求1所述的片上编码器，所述输出波导(700)采用横电场模基模和横磁场模基模传输。
3.根据权利要求1所述的片上编码器，所述输入波导(100)采用横电场模基模传输。
4.根据权利要求1所述的片上编码器，输入波导(100)、1×2光分束器(200)、信号光开关(300)、相位偏置调制器(400)、1×2光合束器(500)、偏振旋转合束器(600)以及输出波导(700)的材料为硅。
5.根据权利要求1所述的片上编码器，所述信号光开关(300)包括第一开关(301)、第二开关(302)、第三开关(303)以及第四开关(304)分别用于控制所述第二光分束器(202)和第三光分束器(203)发射的四束信号光的通过和阻断。
6.根据权利要求5所述的片上编码器，所述第一开关(301)、第二开关(302)、第三开关(303)以及第四开关(304)均采用马赫-增德尔干涉结构。
7.根据权利要求1所述的片上编码器，所述相位偏置调制器(400)包括第一相位偏置调制器(401)、第二相位偏置调制器(402)、第三相位偏置调制器(403)以及第四相位偏置调制器(404)分别用于控制所述第二光分束器(202)和第三光分束器(203)发射的四束信号光的相位。
8.根据权利要求1或7所述的片上编码器，所述第二光分束器(202)和第三光分束器(203)发射的四束信号光经所述相位偏置调制器(400)调节后的相位分别为0°、90°、0°以及180°。
9.根据权利要求1所述的片上编码器，第一光分束器(201)、第二光分束器(202)以及第三光分束器(203)将接收的信号光分成等光强的两束信号光。
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