CN110324144A - 量子密钥分配发送端芯片，封装结构和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种量子密钥分配发送端芯片，封装结构和设备，该发送端芯片包括衬底和集成在该衬底上的至少两个量子密钥分配发送端模块，每个量子密钥分配发送端模块各自独立运行，其均包括光纤耦入模块、强度调制器、量子态调制单元、可调光衰减器一和光纤耦出模块。本发明的量子密钥分配发送端芯片，在单个光子集成芯片上将多个量子密钥分配发送端的光路进行光子集成，能有效提升量子密钥分配设备的成码率，使得使用该芯片的一台设备就能实现集控站方案的成码能力。另一方面，相较于通过使用多台量子密钥分配设备一起提供量子密钥的集控站方案，本方案设备不需要那么多分立的光学元件，更加小型化，大大降低了设备成本和部署空间，提升制造效率。

Description

量子密钥分配发送端芯片，封装结构和设备
技术领域
本发明涉及量子密钥分发器件技术领域，具体涉及一种量子密钥分配发送端芯片，封装结构和设备。
背景技术
目前部署于量子保密通信干线(简称“量子干线”)中的量子密钥分配设备的量子密钥安全成码率一般在10kbps～100kbps量级，当有大量加密业务时，密钥数量很难满足业务需求。现在的一个解决方案是在量子干线的各个节点处部署多台量子密钥分配设备来一起提供量子密钥，在这里称之为“集控站方案”。而目前的商用量子密钥分配设备的光学部分，不管是发送端还是接收端都是采用分立的光学元件搭建而成，如基于相位型BB84协议的量子密钥分配方案发送端光学部分包含激光器、强度调制器、相位调制器、不等臂干涉装置、可调光衰减器等，各个光学元件之间通过光纤连接，使得量子密钥分配设备的成本高、体积大、性能不稳定。在量子干线节点处部署多台设备的集控站方案更是大大提升了成本和空间资源需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种小体积、高集成度和大容量的量子密钥分配发送端芯片。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种量子密钥分配发送端芯片，包括衬底和集成在该衬底上的至少两个量子密钥分配发送端模块，每个所述量子密钥分配发送端模块各自独立运行，其均包括光纤耦入模块、强度调制器、量子态调制单元、可调光衰减器一和光纤耦出模块；
所述强度调制器对由光纤耦入模块耦入芯片的光信号进行随机强度调制成为信号态或者诱骗态；
所述量子态调制单元对经强度调制器处理后的信号光进行量子态编码；
所述可调光衰减器一将经量子态调制单元处理后的信号光衰减至单光子量级；
所述光纤耦出模块将经可调光衰减器一处理后的信号光从芯片耦出至光纤。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述强度调制器包括光分束器一、光合束器一和相位调制器一；所述光分束器一将一路信号光按功率平均分成两路信号光，其一路输出通过相位调制器一连接到光合束器一，另一路输出直接连接光合束器一；
所述相位调制器一用于动态改变信号光相位；
所述光合束器一将两路信号光合成一路信号光。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述量子态调制单元包括光分束器二、光合束器二、延迟线、可调光衰减器二和相位调制器二；
所述光分束器二将一路信号光按功率平均分成两路信号光，其一路输出通过所述延迟线连接到光合束器二，另一路输出依次通过相位调制器二、可调光衰减器二连接到光合束器二；
所述延迟线用于延迟其所在光波导中的信号光进入光合束器二的时间；
所述相位调制器二用于将其所在光波导中的信号光的相位动态调制0、π/2、π、3π/2；
所述可调光衰减器二用于将其所在光波导中的信号光损耗调节至与延迟线所在光波导中的信号光损耗一致；
所述光合束器二用于以50％的效率将延迟线所在光波导中的信号光和可调光衰减器二所在光波导中的信号光合到一根光波导中。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括每个所述量子密钥分配发送端模块所包含的光纤耦入模块耦入的信号光波长均不相同，且处于波分复用器工作波段。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括该发送端芯片还包括同步激光器，该发送端芯片所包含的所有量子密钥分配发送端模块均包括信号激光器，所述信号激光器发光波长各不相同且处于波分复用器工作波段，所述信号激光器通过光波导连接所述强度调制器；所述同步激光器通过光波导连接光纤耦出模块。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种量子密钥分配发送端芯片的封装结构，该封装结构包括2N(N≥2)个光纤引脚和Y-2N个电极引脚；其中，引脚1，引脚2，……引脚N为芯片的光纤输入端口，分别连接芯片的光纤耦入模块；引脚N+1，引脚N+2，……引脚2N为芯片的光纤输出端口，分别连接芯片的光纤耦出模块；引脚2N+1，引脚2N+2，……引脚Y(Y>2N)为芯片的电极引脚。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述引脚1，引脚2，……引脚N配置于封装结构的第一侧，引脚N+1，引脚N+2，……引脚2N配置于封装结构的第二侧；引脚2N+1，引脚2N+2，……引脚X配置于封装结构的第三侧，引脚X+1，引脚X+2，……引脚Y(Y>X>2N)配置于封装结构的第四侧；所述封装结构的第一侧与其第二侧位于相对的两侧，所述封装结构的第三侧与其第四侧位于相对的两侧。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种量子密钥分配发送端芯片的封装结构，该封装结构包括N+1个光纤引脚和Y-N-1个电极引脚；其中，引脚1，引脚2，……引脚N+1(N≥2)为芯片的光纤输出端口，分别连接芯片的光纤耦出模块；引脚N+2，引脚N+3，……引脚Y(Y>N+1)为芯片的电极引脚。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述引脚1，引脚2，……引脚N+1配置于封装结构的第一侧；所述引脚N+2，引脚N+3，……引脚X配置于封装结构的第二侧；所述引脚X+1，引脚X+2，……引脚Y(Y>X>N+1)配置于封装结构的第三侧；所述封装结构的第二侧与其第三侧位于相对的两侧，所述封装结构的第一侧位于其第二侧和第三侧之间。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种量子密钥分配发送端设备，包括以上所述的量子密钥分配发送端芯片；
其还包括信号激光器、同步激光器、波分复用器和光环行器；
所述信号激光器的N(N≥2)个不同波长输出端分别与所述量子密钥分配发送端芯片的N个光纤输入端口连接；所述量子密钥分配发送端芯片的N个光纤输出端口与波分复用器的N个输入通道连接，所述波分复用器的第N+1个通道与同步激光器连接，所述波分复用器的公共输出端与光环行器连接。
本发明的有益效果：
本发明实施例的量子密钥分配发送端芯片，在单个光子集成芯片上将多个量子密钥分配发送端的光路进行光子集成，使得使用该芯片的一台设备就能实现集控站方案的能力，同时还能有效提升量子密钥分配设备的成码率。另一方面，相较于通过使用多台量子密钥分配设备一起提供量子密钥的集控站方案，本方案设备不需要那么多分立的光学元件，更加小型化，大大降低了设备成本和部署空间，提升制造效率。
本方案采用芯片集成的方式，使用该芯片的设备性能更加稳定，易于批量化生产，且只需一台设备就能实现多台设备的性能，成本更低。
附图说明
图1是本发明第一实施例中量子密钥分配发送端芯片的结构框图；
图2是图1所示发送端芯片中强度调制器的结构框图；
图3是图1所示发送端芯片中量子态调制单元的结构框图；
图4是本发明第二实施例中量子密钥分配发送端芯片的结构框图；
图5是本发明第三实施例中量子密钥分配发送端芯片的封装结构示意图；
图6是本发明第四实施例中量子密钥分配发送端芯片的封装结构示意图；
图7是本发明第五实施例中量子密钥分配发送端设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
本实施例公开一种量子密钥分配发送端芯片，如图1所示，该芯片包括衬底0和集成在该衬底0上的至少两个量子密钥分配发送端模块(1，2，……N)，每个上述量子密钥分配发送端模块各自独立运行，其均包括光纤耦入模块(11，21，……N1)、强度调制器(12，22，……N2)、量子态调制单元(13，23，……N3)、可调光衰减器一(14，24，……N4)和光纤耦出模块(15，25，……N5)。
每个量子密钥分配发送端模块包含的模块或者单元之间均基于平面光波导进行连接，信号从光纤耦入模块耦合到芯片上，上述强度调制器对由光纤耦入模块耦合的光信号进行随机强度调制成为信号态或者诱骗态；上述量子态调制单元对经强度调制器处理后的信号光进行量子态编码；上述可调光衰减器一将经量子态调制单元处理后的信号光衰减至单光子量级；上述光纤耦出模块将经可调光衰减器一处理后的信号光从芯片耦出至光纤。
上述光纤耦入模块和光纤耦出模块可以是单模光波导、光栅耦合器或者楔形耦合器。
上述强度调制器由1个或者多个马赫曾德尔干涉仪(MZ干涉仪)构成，如图2所示，其包括光分束器一121、光合束器一122和相位调制器一123，强度调制器所包含的各个部分之间通过平面光波导连接；其中，光分束器一121用于将一根光波导中的光强平均分到两根光波导中；光合束器122用于将两根光波导中的光合到一根光波导中。该光分束器可以是基于Y分支光波导、光波导定向耦合器或者多模干涉仪的结构，该光合束器可以是基于Y分支光波导、光波导定向耦合器或者多模干涉仪的结构。具体的，上述光分束器一121将一路信号光按功率平均分成两路信号光，其一路输出通过相位调制器一123连接到光合束器一122，另一路输出直接连接光合束器一122；上述光合束器一122将两路信号光合成一路信号光。上述相位调制器一123用于动态改变信号光的相位。本实施例技术方案中，该相位调制器一123可以是基于电光效应、热光效应或者载流子色散效应的相位调制器。
上述量子态调制单元可以是对信号光进行相位编码、偏振编码或者时间相位编码。以相位编码为例，进行相位编码的量子态调制单元可以是不等臂MZ干涉仪结构。如图3所示，上述量子态调制单元包括光分束器二131、光合束器二132、延迟线133、可调光衰减器二135和相位调制器二134。
其中，光分束器二可以是基于Y分支波导、光波导定向耦合器或者多模干涉仪的结构；光合束器二可以是基于Y分支波导、光波导定向耦合器或者多模干涉仪的结构。该延迟线可以是弧形或者螺旋线型的光波导。相位调制器二134可以是基于电光效应、热光效应或者载流子色散效应的相位调制器；可调光衰减器二135可以是基于MZ干涉仪或者光吸收效应的可调光衰减器。
具体的，上述光分束器二131将一路信号光按功率平均分成两路信号光，其一路输出通过上述延迟线133连接到光合束器二132，另一路输出依次通过相位调制器二134、可调光衰减器二135连接到光合束器二132；
上述延迟线133用于延迟其所在光波导中的信号光进入光合束器二的时间；
上述相位调制器二134用于将其所在光波导中的信号光的相位动态调制0、π/2、π、3π/2；
上述可调光衰减器二135用于将其所在光波导中的信号光损耗调节至与延迟线所在光波导中的信号光损耗一致；
上述光合束器二132用于以50％的效率将延迟线所在光波导中的信号光和可调光衰减器二所在光波导中的信号光合到一根光波导中。
为了节省光纤资源，每个上述量子密钥分配发送端模块所包含的光纤耦入模块耦入的信号光波长均不相同，波长均不相同的多个信号光需要在量子干线的同一根光纤中传输，应用中采用波分复用技术，从芯片N个光纤输入端口输入芯片的信号光波长各不相同，不同波长的信号光从光纤输出端口输出芯片后再通过波分复用器合到同一根光纤。不同波长的信号光可以用不同信号激光器发射产生，不同的激光器连接不同的光纤耦入模块；也可以用一台发射多波长的激光器产生。
在本发明的第二实施例中公开的量子密钥分配发送端芯片，如图4所示，该发送端芯片还包括同步激光器201，该发送端芯片所包括的所有量子密钥分配发送端模块均包括信号激光器(10，20，……N0)，信号激光器(10，20，……N0)用于产生N(N≥2)个不同波长的信号光，上述信号激光器(10，20，……N0)通过光波导连接上述强度调制器(12，22，……N2)；上述同步激光器201通过光波导连接光纤耦出模块202。
在本发明的第三实施例中，公开了实施例一量子密钥分配发送端芯片的封装结构，如图5所示，该封装结构包括2N(N≥2)个光纤引脚和Y-2N个电极引脚；其中，引脚1，引脚2，……引脚N为芯片的光纤输入端口，分别连接芯片的光纤耦入模块；引脚N+1，引脚N+2，……引脚2N为芯片的光纤输出端口，分别连接芯片的光纤耦出模块；引脚2N+1，引脚2N+2，……引脚Y(Y>2N)为芯片的电极引脚。
上述引脚1，引脚2，……引脚N配置于封装结构的第一侧，引脚N+1，引脚N+2，……引脚2N配置于封装结构的第二侧；引脚2N+1，引脚2N+2，……引脚X配置于封装结构的第三侧，引脚X+1，引脚X+2，……引脚Y(Y>X>2N)配置于封装结构的第四侧；上述封装结构的第一侧与其第二侧位于相对的两侧，上述封装结构的第三侧与其第四侧位于相对的两侧。
在本发明的第四实施例中，公开了实施例二量子密钥分配发送端芯片的封装结构，如图6所示，该封装结构包括N+1个光纤引脚和Y-N-1个电极引脚；其中，引脚1，引脚2，……引脚N+1(N≥2)为芯片的光纤输出端口，分别连接芯片的光纤耦出模块；引脚N+2，引脚N+3，……引脚Y(Y>N+1)为芯片的电极引脚。
上述引脚1，引脚2，……引脚N+1配置于封装结构的第一侧；上述引脚N+2，引脚N+3，……引脚X配置于封装结构的第二侧；上述引脚X+1，引脚X+2，……引脚Y(Y>X>N+1)配置于封装结构的第三侧；上述封装结构的第二侧与其第三侧位于相对的两侧，上述封装结构的第一侧位于其第二侧和第三侧之间。
在本发明的第五实施例中，公开一种使用实施例一中的量子密钥分配发送端芯片搭建的量子密钥分配发送端设备，如图7所示，该发送端设别还包括信号激光器、同步激光器、波分复用器、光环行器和实施例一中的量子密钥分配发送端芯片。
上述信号激光器输出N(N≥2)个波长的信号光，信号激光器的N(N≥2)个不同波长输出端分别与上述量子密钥分配发送端芯片的N个光纤输入端口连接；上述量子密钥分配发送端芯片的N个光纤输出端口与波分复用器的N个输入通道连接，上述波分复用器的第N+1个通道与同步激光器连接，上述波分复用器的公共输出端与光环行器连接。其中，信号光激光器、量子密钥分配发送端芯片、同步激光器、波分复用器、光环形器之间通过保偏光纤连接。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种量子密钥分配发送端芯片，其特征在于：包括衬底和集成在该衬底上的至少两个量子密钥分配发送端模块，每个所述量子密钥分配发送端模块各自独立运行，其均包括光纤耦入模块、强度调制器、量子态调制单元、可调光衰减器一和光纤耦出模块；
所述强度调制器对由光纤耦入模块耦入芯片的光信号进行随机强度调制成为信号态或者诱骗态；
所述量子态调制单元对经强度调制器处理后的信号光进行量子态编码；
所述可调光衰减器一将经量子态调制单元处理后的信号光衰减至单光子量级；
所述光纤耦出模块将经可调光衰减器一处理后的信号光从芯片耦出至光纤。
2.如权利要求1所述的量子密钥分配发送端芯片，其特征在于：所述强度调制器包括光分束器一、光合束器一和相位调制器一；所述光分束器一将一路信号光按功率平均分成两路信号光，其一路输出通过相位调制器一连接到光合束器一，另一路输出直接连接光合束器一；
所述相位调制器一用于动态改变信号光的相位；
所述光合束器一将两路信号光合成一路信号光。
3.如权利要求1所述的量子密钥分配发送端芯片，其特征在于：所述量子态调制单元包括光分束器二、光合束器二、延迟线、可调光衰减器二和相位调制器二；
所述光分束器二将一路信号光按功率平均分成两路信号光，其一路输出通过所述延迟线连接到光合束器二，另一路输出依次通过相位调制器二、可调光衰减器二连接到光合束器二；
所述延迟线用于延迟其所在光波导中的信号光进入光合束器二的时间；
所述相位调制器二用于将其所在光波导中的信号光的相位动态调制0、π/2、π、3π/2；
所述可调光衰减器二用于将其所在光波导中的信号光损耗调节至与延迟线所在光波导中的信号光损耗一致；
所述光合束器二用于以50％的效率将延迟线所在光波导中的信号光和可调光衰减器二所在光波导中的信号光合到一根光波导中。
4.如权利要求1所述的量子密钥分配发送端芯片，其特征在于：每个所述量子密钥分配发送端模块所包含的光纤耦入模块耦入的信号光波长均不相同，且处于波分复用器工作波段。
5.如权利要求1所述的量子密钥分配发送端芯片，其特征在于：该发送端芯片还包括同步激光器，该发送端芯片所包含的所有量子密钥分配发送端模块均包括信号激光器，所述信号激光器发光波长各不相同且处于波分复用器工作波段，所述信号激光器通过光波导连接所述强度调制器；所述同步激光器通过光波导连接光纤耦出模块。
6.一种如权利要求1-4任一项所述量子密钥分配发送端芯片的封装结构，其特征在于：该封装结构包括2N(N≥2)个光纤引脚和Y-2N个电极引脚；其中，引脚1，引脚2，……引脚N为芯片的光纤输入端口，分别连接芯片的光纤耦入模块；引脚N+1，引脚N+2，……引脚2N为芯片的光纤输出端口，分别连接芯片的光纤耦出模块；引脚2N+1，引脚2N+2，……引脚Y(Y>2N)为芯片的电极引脚。
7.如权利要求6所述的封装结构，其特征在于：所述引脚1，引脚2，……引脚N配置于封装结构的第一侧，引脚N+1，引脚N+2，……引脚2N配置于封装结构的第二侧；引脚2N+1，引脚2N+2，……引脚X配置于封装结构的第三侧，引脚X+1，引脚X+2，……引脚Y(Y>X>2N)配置于封装结构的第四侧；所述封装结构的第一侧与其第二侧位于相对的两侧，所述封装结构的第三侧与其第四侧位于相对的两侧。
8.一种如权利要求5所述量子密钥分配发送端芯片的封装结构，其特征在于：该封装结构包括N+1个光纤引脚和Y-N-1个电极引脚；其中，引脚1，引脚2，……引脚N+1(N≥2)为芯片的光纤输出端口，分别连接芯片的光纤耦出模块；引脚N+2，引脚N+3，……引脚Y(Y>N+1)为芯片的电极引脚。
9.如权利要求8所述的封装结构，其特征在于：所述引脚1，引脚2，……引脚N+1配置于封装结构的第一侧；所述引脚N+2，引脚N+3，……引脚X配置于封装结构的第二侧；所述引脚X+1，引脚X+2，……引脚Y(Y>X>N+1)配置于封装结构的第三侧；所述封装结构的第二侧与其第三侧位于相对的两侧，所述封装结构的第一侧位于其第二侧和第三侧之间。
10.一种量子密钥分配发送端设备，其特征在于：包括如1-4任一项所述的量子密钥分配发送端芯片；
其还包括信号激光器、同步激光器、波分复用器和光环行器；
所述信号激光器的N(N≥2)个不同波长输出端分别与所述量子密钥分配发送端芯片的N个光纤输入端口连接；所述量子密钥分配发送端芯片的N个光纤输出端口与波分复用器的N个输入通道连接，所述波分复用器的第N+1个通道与同步激光器连接，所述波分复用器的公共输出端与光环行器连接。所述信号光激光器、量子密钥分配发送端芯片、同步激光器、波分复用器、光环形器之间通过保偏光纤连接。
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