CN110190905B - 一种时间相位量子密钥分发系统发射端 - Google Patents

一种时间相位量子密钥分发系统发射端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时间相位量子密钥分发系统发射端，包括半导体激光器一、环形器、光学分束器、光学延迟线、相位调制装置、半导体激光器二、半导体激光器三、强度调制器、光衰减器和电流驱动单元；半导体激光器一与环形器通过光纤连接，环形器与光学分束器通过光纤连接，光学分束器通过光纤臂一与半导体激光器二连接，光纤臂一设置有光学延迟线，光学分束器通过光纤臂二与半导体激光器三连接；环形器与强度调制器通过光纤连接，强度调制器与光衰减器通过光纤连接；相位调制装置设置在光纤臂一或者光纤臂二上；半导体激光器一、半导体激光器二和半导体激光器三均连接有电流驱动单元；本发明产生的光脉冲的质量更好，可以降低系统误码。

Description

一种时间相位量子密钥分发系统发射端
技术领域
本发明属于量子密码分发技术(Quantum Key Distribution QKD)领域，特别涉及一种时间相位量子密钥分发系统发射端。
背景技术
量子密码通信结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密码通信藉由物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖算法复杂度的保密通信。
目前，量子密码技术主要以光量子作为实现载体，通过自由空间或光纤信道进行分发。量子密钥分发设备依据不同的量子密钥分发协议的要求，利用各种光调制设备将经典随机比特加载到光量子的偏振、相位等物理量之上来进行传输，从而实现量子密钥的分发。量子密钥分发协议种类繁多，其中包括经典的BB84协议，MDI协议(测量设备无关协议)，DPS协议(差分相移协议)等等。
典型QKD系统一般包含一个发射端和一个接收端，发射端用于将密钥编码在光量子上，而接收端用于光量子的解码以及测量。由于QKD系统的密钥生产效率直接与系统误码率相关，所以这种系统对系统误码非常敏感，这使得在该系统中对发射端脉冲光源的要求非常高，其中包括低时域抖动，较窄光谱线宽等。其次对于各种相位编码QKD系统来说，由于在这些系统中，密钥信息加载在前后光脉冲的相位差上，所以典型发射端需要包含一个相位调制装置来对光脉冲进行调制。
注入锁定原理是指半导体激光器在外注入一个光脉冲的稍后，一般由电流驱动发射出短脉冲，在这种情况下外注入的光子代替了激光产生过程中的自发辐射产生的光子，从而使得新产生的光脉冲的相位由注入光脉冲决定，并且该半导体激光器相较于独立发光时的时域和频域特性都得到改善。
综上所述，需要提出一种新型的时间相位QKD系统发射端结构，利用该结构来解决现有技术中的典型QKD系统存在的系统误码大的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种时间相位量子密钥分发系统发射端，本时间相位量子密钥分发系统发射端产生的光脉冲的质量更好，可以降低系统误码，系统误码小。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种时间相位量子密钥分发系统发射端，包括半导体激光器一、环形器、光学分束器、光学延迟线、相位调制装置、半导体激光器二、半导体激光器三、强度调制器、光衰减器和电流驱动单元；
所述半导体激光器一与环形器的端口1通过光纤连接，环形器的端口2与光学分束器通过光纤连接，光学分束器通过光纤臂一与半导体激光器二连接，光纤臂一上设置有光学延迟线，光学分束器通过光纤臂二与半导体激光器三连接；环形器的端口3与强度调制器通过光纤连接，强度调制器与光衰减器通过光纤连接；所述相位调制装置设置在光纤臂一上或者光纤臂二上；
所述半导体激光器一、半导体激光器二和半导体激光器三均连接有电流驱动单元；
所述电流驱动单元用于驱动半导体激光器一、半导体激光器二和半导体激光器三产生光脉冲，所述半导体激光器一用于将产生的光脉冲传输至环形器的端口1，环形器用于从端口2将光脉冲出射至光学分束器中，光学分束器用于将光脉冲分束为两束光脉冲，一束光脉冲通过光纤臂一注入锁定至半导体激光器二中，另一束光脉冲通过光纤臂二注入锁定至半导体激光器三中；半导体激光器二用于在电流驱动单元的驱动下产生光脉冲并通过光纤臂一传输至光学分束器；半导体激光器三用于在电流驱动单元的驱动下产生光脉冲并通过光纤臂二传输至光学分束器；光学分束器用于将两束光脉冲合并为一束光脉冲并传输至环形器的端口2；环形器用于从端口3将光脉冲出射至强度调制器，强度调制器用于调制诱骗态，光衰减器用于将光脉冲衰减为单光子量子后由发射端输出。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述相位调制装置采用压电陶瓷环或相位调制器。
作为本发明进一步改进的技术方案，还包括可调衰减器；所述半导体激光器一通过可调衰减器与环形器的端口1连接；或者，环形器的端口2通过可调衰减器与光学分束器连接；或者，光纤臂一和光纤臂二上均设置有可调衰减器。
本发明的有益效果为：本发明可以产生三种用于时间相位QKD系统的量子状态，并且相比较于典型系统来说，由于不含有外斩波器等结构，系统更为简单，便宜。并且基于半导体激光器注入锁定原理，由半导体激光器二和半导体激光器三中出射的光脉冲的相位由注入光脉冲决定，相比较于独立运行的情况，其脉冲时间抖动减小，频域宽度降低，因此产生的光脉冲的质量更好，降低了QKD系统的系统误码。该结构典型应用包括作为时间相位编码BB84系统以及时间相位编码MDI系统的发射端。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例1产生的三种光量子态示意图。
图3为实施例2的结构示意图。
图4为实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
实施例1：本实施例提供一种时间相位量子密钥分发系统发射端，该结构可以应用在包括BB84协议，MDI协议在内的多种QKD协议发射端。其典型结构如图1所示，包括半导体激光器一(Laser1)、环形器(Cir)、光学分束器(BS1)、光学延迟线(Delay)、压电陶瓷环(PZT)、半导体激光器二(Laser2)、半导体激光器三(Laser3)、强度调制器(IM)、光衰减器(Attn)和三个电流驱动单元。
上述各个组成部分含义以及其目的分别是：半导体激光器(Laser)包括三个半导体激光器，分别为半导体激光器一(Laser1)、半导体激光器二(Laser2)和半导体激光器三(Laser3)：工作于增益开关模式，在电流驱动下，可以产生窄激光脉冲。环形器(Cir)功能为：若光脉冲从端口1进入，则从端口2出射，若光脉冲从端口2进入，则从端口3出射。光学分束器(BS1)的功能为：将光脉冲分束或将光脉冲合束。光学延迟线(Delay)：一般为一段精确控制长度的光纤环，用于对激光脉冲进行时间上的延迟。压电陶瓷环(PZT)：用于光纤系统中光脉冲相位的慢速调制。强度调制器(IM)：根据QKD诱骗态理论，用于调制脉冲诱骗态。光衰减器(Attn)：用于将光脉冲衰减到单光子量级。电流驱动单元：作为激光器的能量输入，用于驱动激光器产生激光。
本实施例的各个组成部分的连接关系为：半导体激光器一与环形器的端口1通过光纤连接，环形器的端口2与光学分束器通过光纤连接，光学分束器通过光纤臂一与半导体激光器二连接，光纤臂一上设置有光学延迟线，光学分束器通过光纤臂二与半导体激光器三连接；环形器的端口3与强度调制器通过光纤连接，强度调制器与光衰减器通过光纤连接；所述压电陶瓷环(PZT)设置在光纤臂一上(未示出)或者光纤臂二上(如图1)，图1中显示的压电陶瓷环(PZT)是设置在光纤臂二上。半导体激光器一、半导体激光器二和半导体激光器三均连接有电流驱动单元。
参见图1，本实施例中的电流驱动单元用于驱动半导体激光器一、半导体激光器二和半导体激光器三产生光脉冲，半导体激光器一用于将产生的光脉冲传输至环形器的端口1，环形器用于从端口2将光脉冲出射至光学分束器中，光学分束器用于将光脉冲分束为两束光脉冲，一束光脉冲通过光纤臂一上的光学延迟线注入锁定至半导体激光器二中，另一束光脉冲通过光纤臂二上的压电陶瓷环注入锁定至半导体激光器三中；半导体激光器二用于在电流驱动单元的驱动下产生光脉冲并通过光纤臂一上的光学延迟线传输至光学分束器；半导体激光器三用于在电流驱动单元的驱动下产生光脉冲并通过光纤臂二上的压电陶瓷环传输至光学分束器；光学分束器用于将两束光脉冲合并为一束光脉冲并传输至环形器的端口2；环形器用于从端口3将光脉冲出射至强度调制器，强度调制器用于调制诱骗态，光衰减器用于将光脉冲衰减为单光子量子后由发射端输出。
本实施例的调制方法为：
(1)利用电流驱动单元发射出窄电脉冲驱动Laser1，从而使得Laser1产生激光脉冲Pulse1，这束激光脉冲经由Cir的端口1进入，从端口2输出后进入BS1。
(2)Pulse1由BS1分束为两束光脉冲后，分别经过Delay和PZT进入Laser2和Laser3中。
(3)通过控制Delay的长度可以控制上下两条路径中光脉冲的延时差。
(4)通过PZT对其中一路进行相位调制后，可以控制上下两条路径中光脉冲的相位差。这里PZT和Delay也可以位于同一路中，其调制效果等效。
(5)通过控制Laser2和Laser3连接的两个电流驱动单元的电脉冲发射时间，使得他们分别在Laser2和Laser3中有光注入的稍后驱动Laser2和Laser3产生短脉冲。或者在两个电流驱动单元中选择其一产生电脉冲，使得Laser2和Laser3中只有一个激光器产生光脉冲。这里三个电流驱动单元的重复频率相同。
(6)由Laser2和Laser3中产生的激光脉冲分别经过Delay和PZT后经由BS1合束，然后经过Cir端口2入射，由Cir端口3出射。
(7)随后光脉冲经由IM调制诱骗态，然后经过Attn衰减为单光子量子后由发射端输出。
利用这种调制方法可以产生三种时间相位编码所需要的量子状态，如图2所示；其中状态1为Laser3产生光脉冲Pulse3，Laser2未产生光脉冲Pulse2；状态2为Laser3未产生光脉冲Pulse3，Laser2产生光脉冲Pulse2；状态3为Laser3产生光脉冲Pulse3，Laser2产生光脉冲Pulse2，且两个光脉冲的相位差为0。同时基于半导体激光器注入锁定原理，由Laser2和Laser3中出射的光脉冲的相位由注入光脉冲决定，相比较于独立运行的情况，其脉冲时间抖动减小，频域宽度降低，也就意味着降低了QKD系统的系统误码。
实施例2：参见图3，本实施例利用可快速调制相位的相位调制器(PM)代替了实施例1中的PZT，其余结构相同。本实施例与实施例1的工作原理相同，效果相近，均为本专利保护的系统结构。
实施例3：参见图4，本实施例在Laser1后加入一个可调衰减器VOA，来控制Pulse1的光强。当然，VOA也可以放置在Cir的端口2与BS1之间，或者放置在BS1后上下两个光纤臂中(即光纤臂一和光纤臂二上均有可调衰减器)。本实施例与实施例1的工作原理相同，效果相近，均为本专利保护的系统结构。
综上所述，本发明提出了一种时间相位量子密钥分发系统发射端，这种系统结构可以产生三种用于时间相位QKD系统的量子状态，并且相比较于典型系统来说，由于不含有外斩波器等结构，系统更为简单，便宜。并且由于产生的光脉冲的质量更好，可以降低系统误码。该结构典型应用包括作为时间相位编码BB84系统以及时间相位编码MDI系统的发射端。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种时间相位量子密钥分发系统发射端，其特征在于，包括半导体激光器一、环形器、光学分束器、光学延迟线、相位调制装置、半导体激光器二、半导体激光器三、强度调制器、光衰减器和电流驱动单元；
所述半导体激光器一与环形器的端口1通过光纤连接，环形器的端口2与光学分束器通过光纤连接，光学分束器通过光纤臂一与半导体激光器二连接，光纤臂一上设置有光学延迟线，光学分束器通过光纤臂二与半导体激光器三连接；环形器的端口3与强度调制器通过光纤连接，强度调制器与光衰减器通过光纤连接；所述相位调制装置设置在光纤臂一上或者光纤臂二上；
所述半导体激光器一、半导体激光器二和半导体激光器三均连接有电流驱动单元；
所述电流驱动单元用于驱动半导体激光器一、半导体激光器二和半导体激光器三产生光脉冲，所述半导体激光器一用于将产生的光脉冲传输至环形器的端口1，环形器用于从端口2将光脉冲出射至光学分束器中，光学分束器用于将光脉冲分束为两束光脉冲，一束光脉冲通过光纤臂一注入锁定至半导体激光器二中，另一束光脉冲通过光纤臂二注入锁定至半导体激光器三中；半导体激光器二用于在电流驱动单元的驱动下产生光脉冲并通过光纤臂一传输至光学分束器；半导体激光器三用于在电流驱动单元的驱动下产生光脉冲并通过光纤臂二传输至光学分束器；光学分束器用于将两束光脉冲合并为一束光脉冲并传输至环形器的端口2；环形器用于从端口3将光脉冲出射至强度调制器，强度调制器用于调制诱骗态，光衰减器用于将光脉冲衰减为单光子量子后由发射端输出。
2.根据权利要求1所述的时间相位量子密钥分发系统发射端，其特征在于，还包括可调衰减器；
所述半导体激光器一通过可调衰减器与环形器的端口1连接；
或者，环形器的端口2通过可调衰减器与光学分束器连接；
或者，光纤臂一和光纤臂二上均设置有可调衰减器。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112039602B (zh) * 2020-09-01 2021-08-13 安徽问天量子科技股份有限公司 一种qkd死时间防御措施的检测装置及方法
CN111835515B (zh) * 2020-09-14 2020-12-15 南京大学 一种基于差分相移的量子秘密共享方法和系统
CN113438077B (zh) * 2021-07-14 2022-07-15 中国科学技术大学 一种量子密钥分发组网系统及量子密钥分发方法
CN114785420B (zh) * 2022-04-19 2023-07-11 国开启科量子技术(北京)有限公司 用于合束光脉冲的方法和装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN206294191U (zh) * 2016-12-22 2017-06-30 浙江神州量子网络科技有限公司 一种量子密钥分发系统
CN206865471U (zh) * 2017-05-26 2018-01-09 科大国盾量子技术股份有限公司 时间相位编码的量子密钥分发系统及其组件

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8059964B2 (en) * 2007-07-20 2011-11-15 Magiq Technologies, Inc. QKD system with common-mode dithering

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN206294191U (zh) * 2016-12-22 2017-06-30 浙江神州量子网络科技有限公司 一种量子密钥分发系统
CN206865471U (zh) * 2017-05-26 2018-01-09 科大国盾量子技术股份有限公司 时间相位编码的量子密钥分发系统及其组件

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