CN110190953A - 一种片上编码器 - Google Patents

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Abstract

一种片上编码器，用于对信号光进行编码，包括：输入波导(100)；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)；光延时线(300)，设于第一光分束器(201)和第二光分束器(202)之间；可调光衰减器(400)，设于第一光分束器(201)和第三光分束器(203)之间；信号光开关(500)，设于第二光分束器(202)和第三光分束器(203)后；相位偏置调制器(600)，设于第二光分束器(202)和第三光分束器(203)后；1×2光合束器(700)，包括第一光合束器(701)、第二光合束器(702)以及第三光合束器(703)；输出波导(800)。实现信号光的相位偏置和信号光开关的高速响应，生成四种等间隔双脉冲相干态信号光。

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
量子密码是量子力学和密码学相结合的产物，它解决了经典密码体制的密钥分配的难题。量子密码的安全性由量子力学基本原理-测不准原理和单量子态不可克隆定理保证，所以在密钥分配过程中，公开信道中的数据不必担心被窃听。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BB84协议量子密钥分发，其技术核心是制备出光的不同时间量子态，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，实现较大的相位延迟困难，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，同时通过逻辑组合生成可用于BB84协议量子密钥分发的四种等间隔双脉冲相干态信号光。
(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；光延时线300，设于第一光分束器201和第二光分束器202之间，用于将第一光分束器201发送至第二光分束器202信号光进行延时；可调光衰减器400，设于第一光分束器201和第三光分束器203之间，用于使第一光分束器201发送至第三光分束器203信号光的光强与光延时线300延时后的信号光的光强一致；信号光开关500，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600，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700，包括第一光合束器701、第二光合束器702以及第三光合束器703，其中，第二光合束器702用于将相位偏置调制器600发送的其中两束信号光合成一束，第三光合束器703用于将相位偏置调制器600发送的另外两束信号光合成一束，所述第一光合束器701用于将第二光合束器702和第三光合束器703发送的两束信号光合成一束；输出波导800，用于输出第一光合束器701合成的信号光。
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。
可选地，输入波导100、1×2光分束器200、光延时线300、可调光衰减器400、信号光开关500相位偏置调制器600、1×2光合束器700以及输出波导800的材料为硅。
可选地，光延时线300采用波导环绕结构，以通过延长波导长度使信号光产生延时。
可选地，可调光衰减器400采用马赫-增德尔干涉结构。
可选地，信号光开关500采用马赫-增德尔干涉结构。
可选地，输入波导100和输出波导800采用横电场模基模(TE0模)传输。
可选地，第二光分束器202和第三光分束器203发射的四束信号光经相位偏置调制器600调节后的相位分别为0°、90°、0°以及180°。
可选地，信号光开关500包括第一开关501、第二开关502、第三开关503以及第四开关504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，通过控制信号控制第一开关501、第二开关502、第三开关503以及第四开关504的开启和关闭，以使其中两个开关开启，另外两个开关关闭。
(三)有益效果
本发明提供了一种片上编码器，结合了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的高速响应。同时利用其他器件的逻辑组合生成可用于BB84协议量子密钥分发的四种等间隔双脉冲相干态信号光。
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示意图。
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，参见图1，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分别将接收到的信号光分别分成两束信号光；光延时线300，设于第一光分束器201和第二光分束器202之间，用于将第一光分束器201发送至第二光分束器202信号光进行延时；可调光衰减器400，设于第一光分束器201和第三光分束器203之间，用于使第一光分束器201发送至第三光分束器203信号光的光强与光延时线300延时后的信号光的光强一致；信号光开关500，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发射的信号光的通过和阻断；相位偏置调制器600，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700，包括第一光合束器701、第二光合束器702以及第三光合束器703，其中，第二光合束器702用于将相位偏置调制器600发送的其中两束信号光合成一束，第三光合束器703用于将相位偏置调制器600发送的另外两束信号光合成一束，第一光合束器701用于将第二光合束器702和第三光合束器703发送的两束信号光合成一束；输出波导800，用于输出第一光合束器701合成的信号光。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，整个编码器中的波导只支持横电场模基模(TE0模)传输。
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，以使第二光分束器202和第三光分束器203分别将接收到的信号光分成两束信号光；
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。
光延时线300，设于第一光分束器201和第二光分束器202之间，用于将第一光分束器201发送至第二光分束器202信号光进行延时；
具体的，光延时线300设于第一光分束器201和第二光分束器202之间，采用波导环绕结构，以通过延长波导长度使第一光分束器201发送至第二光分束器202的信号光产生延时。
可调光衰减器400，设于第一光分束器201和第三光分束器203之间，用于使第一光分束器201发送至第三光分束器203信号光的光强与光延时线300延时后的信号光的光强一致；
具体的，可调光衰减器400设于第一光分束器201和第三光分束器203之间，采用马赫-增德尔干涉结构，利用硅材料的热光效应对信号光进行调谐，使得到达第三光分束器203的光强和第二光分束器202的光强相同。
信号光开关500，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发射的信号光的通过或阻断；
具体的，信号光开关500设于第二光分束器202和第三光分束器203后，包括第一开关501、第二开关502、第三开关503以及第四开关504，由上可知，信号光经第二光分束器202和第三光分束器203后被分成了四束等强度的信号光，第一开关501、第二开关502、第三开关503以及第四开关504分别用于控制四束信号光的通过和阻断。具体的信号光开关500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600，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600，设于第二光分束器202和第三光分束器203后，包括第一调制器601、第二调制器602、第三调制器603以及第四调制器604分别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，其与信号光开关500配合使用，可以设置于信号光开关500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，使得经过第一调制器601、第二调制器602、第三调制器603以及第四调制器604调制后的达到第二光合束器702和第三光合束器703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501、第二开关502、第三开关503以及第四开关504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，生成如下表1所示的组合方式，从而使最终输出的信号光的相位差为0°、90°、180°和270°。
表1
1×2光合束器700，包括第一光合束器701、第二光合束器702以及第三光合束器703，其中，第二光合束器702用于将相位偏置调制器600发送的其中两束信号光合成一束，第三光合束器703用于将相位偏置调制器600发送的另外两束信号光合成一束，第一光合束器701用于将第二光合束器702和第三光合束器703发送的两束信号光合成一束；
具体的，1×2光合束器700包括第一光合束器701、第二光合束器702以及第三光合束器703，均可将两束信号光合成一束信号光，因此经相位偏置调制器600调制后的信号光经1×2光合束器700合成后产生四种等间隔双脉冲相干态信号光，且其双脉冲间的相位差分别为0°、90°、180°和270°。
输出波导800，用于输出第一光合束器701合成的信号光。
具体的，输出波导800将第一光合束器701合成的相位差分别为0°、90°、180°和270°的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500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 (10)

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；
光延时线(300)，设于所述第一光分束器(201)和第二光分束器(202)之间，用于将所述第一光分束器(201)发送至第二光分束器(202)信号光进行延时；
可调光衰减器(400)，设于所述第一光分束器(201)和第三光分束器(203)之间，用于使第一光分束器(201)发送至第三光分束器(203)信号光的光强与所述光延时线(300)延时后的信号光的光强一致；
信号光开关(500)，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(600)，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(700)，包括第一光合束器(701)、第二光合束器(702)以及第三光合束器(703)，其中，所述第二光合束器(702)用于将所述相位偏置调制器(600)发送的其中两束信号光合成一束，所述第三光合束器(703)用于将相位偏置调制器(600)发送的另外两束信号光合成一束，所述第一光合束器(701)用于将第二光合束器(702)和第三光合束器(703)发送的两束信号光合成一束；
输出波导(800)，用于输出所述第一光合束器(701)合成的信号光。
2.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。
3.根据权利要求1所述的片上编码器，所述输入波导(100)、1×2光分束器(200)、光延时线(300)、可调光衰减器(400)、信号光开关(500)相位偏置调制器(600)、1×2光合束器(700)以及输出波导(800)的材料为硅。
4.根据权利要求1所述的片上编码器，所述光延时线(300)采用波导环绕结构，以通过延长波导长度使信号光产生延时。
5.根据权利要求1所述的片上编码器，所述可调光衰减器(400)采用马赫-增德尔干涉结构。
6.根据权利要求1所述的片上编码器，信号光开关(500)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，所述输入波导(100)和输出波导(800)采用横电场模基模传输。
8.根据权利要求1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(600)调节后的相位分别为0°、90°、0°以及180°。
9.根据权利要求1或8所述的片上编码器，所述信号光开关(500)包括第一开关(501)、第二开关(502)、第三开关(503)以及第四开关(504)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。
10.根据权利要求9所述的片上编码器，通过控制信号控制所述第一开关(501)、第二开关(502)、第三开关(503)以及第四开关(504)的开启和关闭，以使其中两个开关开启，另外两个开关关闭。
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