CN110460427A - 量子密钥分发相位编解码器、相应的编解码装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种量子密钥分发相位编解码器及相应的编解码装置和系统。该相位编解码器包括：分束器、分别经两个臂与分束器光耦合的两个偏振正交旋转反射装置、设置于两个臂中之一上的相位调制器。两个反射装置中之一或每个反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经偏振分束器的输入端口耦合至相应的臂，每个偏振分束器的两个输出端口经扭转90度的保偏光纤彼此光耦合使得所述两个输出端口输出的光脉冲均耦合至保偏光纤的慢轴传输或均耦合至保偏光纤的快轴传输。本发明使得能够对任意偏振态的输入光脉冲稳定地进行编解码干涉，解决了相位编码及时间比特‑相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落造成系统无法稳定工作的问题。

Description

量子密钥分发相位编解码器、相应的编解码装置及系统

技术领域

本发明涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种基于偏振正交旋转反射的量子密钥分发相位编解码器、包括该相位编解码器的相应编解码装置和量子密钥分发系统。

背景技术

量子保密通信技术是量子物理与信息科学相结合的前沿热点领域。基于量子密钥分发技术和一次一密密码原理，量子保密通信可在公开信道实现信息的安全传输。量子密钥分发基于量子力学海森堡不确定关系、量子不可克隆定理等物理原理，能够实现在用户之间安全地共享密钥，并可以检测到潜在的窃听行为，可应用于国防、政务、金融、电力等高安全信息传输需求的领域。

地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输，因为相位编码采用前后光脉冲的相位差来编码信息，在长距离光纤信道传输过程中能够稳定保持，所以基于不等臂干涉仪的相位编码和时间比特-相位编码是量子密钥分发应用的主要编码方案。然而，光纤制作存在截面非圆对称、纤芯折射率沿径向不均匀分布等非理想情况，并且光纤在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响，会产生随机双折射效应。因此，光脉冲经长距离光纤传输以及经不等臂干涉仪两臂光纤传输后，通过不等臂干涉仪进行相位解码干涉时存在偏振诱导衰落的问题，导致解码干涉不稳定，造成误码率升高。若使用纠偏设备，会增加系统复杂度和成本，且对于架空光缆、路桥光缆等强干扰情况难以实现稳定应用。

对于量子密钥分发相位编码以及时间比特-相位编码方案，如何稳定高效地进行干涉解码是基于现有光缆基础设施进行量子保密通信应用的热点和难题。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于偏振正交旋转反射的量子密钥分发相位编解码器、包括该相位编解码器的相应编解码装置和量子密钥分发系统，以解决相位编码以及时间比特-相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落引起的相位解码干涉不稳定的难题。

本发明提供至少以下技术方案：

1.一种量子密钥分发相位编解码器，包括：分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置，每个所述反射装置为偏振正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述偏振分束器的输入端口耦合至所述两个臂中的相应臂，其中每个偏振分束器的两个输出端口经传输光路彼此光耦合，对于至少一个包括偏振分束器的反射装置：其传输光路由扭转90度的保偏光纤形成，使得由其偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至所述保偏光纤的快轴进行传输。

2.根据方案1所述的相位编解码器，其中，所述两个反射装置为相同构造的偏振正交旋转反射装置，或为不同构造的偏振正交旋转反射装置。

3.根据方案1所述的相位编解码器，其中，所述扭转90度的保偏光纤包括扭转90度或扭转(90+n*180)度的保偏光纤，其中n为整数。

4.根据方案1所述的相位编解码器，其中，所述分束器是保偏分束器。

5.根据方案1所述的相位编解码器，其中，所述两个臂各为偏振保持光路，所述两个臂上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

6.根据方案1-5中任一所述的相位编解码器，其中，所述相位编解码器还包括相位调制器，其中所述相位调制器设置于所述分束器前端或设置于所述两个臂中至少之一上。

7.一种直流调制量子密钥分发相位编解码装置，包括前置分束器和两个根据方案1-6中任一所述的相位编解码器，两个所述相位编解码器分别经两条子光路光耦合至所述前置分束器，其中每个所述相位编解码器的分束器的未耦合至该相位编解码器的所述两个臂的端口之一光耦合至所述两条子光路中的相应子光路，每条所述子光路上设置有一个光环形器。

8.一种量子密钥分发时间比特-相位编解码装置，包括前置分束器和一个根据方案1-6中任一所述的相位编解码器，所述相位编解码器经一条子光路光耦合至所述前置分束器，其中所述相位编解码器的分束器的未耦合至所述两个臂的端口之一光耦合至所述一条子光路。

9.一种直流调制量子密钥分发时间比特-相位编解码装置，包括前置分束器和一个根据方案1-6中任一所述的相位编解码器，所述相位编解码器经一条子光路光耦合至所述前置分束器，其中所述相位编解码器的分束器的未耦合至所述两个臂的端口之一光耦合至所述一条子光路，其中所述一条子光路上设置有一个光环形器。

10.根据方案8或9所述的编解码装置，还包括经另一条子光路耦合至所述前置分束器的分束器。

11.一种量子密钥分发系统，包括：

根据方案1～6中任一所述的相位编解码器或根据方案7～10中任一所述的编解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码；和/或

根据方案1～6中任一所述的相位编解码器或根据方案7～10中任一所述的编解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端，用于编码。

本发明通过创造性的构造，使得能够对任意偏振态的输入光脉冲稳定地进行编解码干涉，由此实现了意想不到的有益效果。利用本发明的方案，对于任意偏振态的输入光脉冲可以实现在相位解码干涉仪处的稳定干涉输出，解决了相位编码以及时间比特-相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落造成系统无法稳定工作的问题。本发明提供了一种易于实现和应用的抗偏振诱导衰落的相位编码以及时间比特-相位编码量子密钥分发解码方案。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的量子密钥分发相位编解码器的组成结构示意图；

图2为本发明另一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的量子密钥分发相位编解码器的组成结构示意图；

图3为可用于本发明的相位编解码器的一种偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图4为可用于本发明的相位编解码器的另一种偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图5为可用于本发明的相位编解码器的另一种偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图6为本发明一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发相位编解码装置的组成结构示意图；

图7为本发明一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的量子密钥分发时间比特-相位编解码装置的组成结构示意图；

图8为本发明一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位编解码装置的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。

本发明一优选实施例的基于偏振正交旋转反射的量子密钥分发相位编解码器如图1所示，包括以下组成部分：分束器101、相位调制器102、两个反射装置103和104。

两个反射装置103和104分别经两个臂(图1中的上臂和下臂)与分束器101光耦合。相位调制器102插入这两个臂中之一(在图1中，为上臂)上。

根据本发明，两个反射装置103和104均为偏振正交旋转反射装置。

这里，偏振正交旋转反射装置是指一种能够对所反射的光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射、即在反射入射的光脉冲时将该光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置。举例而言，假设这两个正交偏振态分别为x偏振态和y偏振态，沿光路传输到一个偏振正交旋转反射装置的x偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即y偏振态，沿光路传输到该反射装置的y偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即x偏振态。

分束器101用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲以分别沿两个臂传输。

两个臂用于分别传输所述两路光脉冲。

相位调制器102用于对其所在的臂传输的光脉冲(即，两路光脉冲之一)按照量子密钥分发协议进行相位调制。相位调制器102进行的相位调制由量子密钥分发协议确定，取决于具体的应用。例如，在一种可能的应用中，相位调制器102可随机调制0度相位或90度相位。

相位调制器102可以为偏振无关相位调制器或者双折射相位调制器。双折射相位调制器适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。例如，双折射相位调制器可以为铌酸锂相位调制器，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，可以对通过该铌酸锂相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。

反射装置103和104分别用于将来自分束器101的经所述两个臂传输来的所述两路光脉冲反射回分束器101以由分束器101合束输出。

由于两个反射装置103和104均为偏振正交旋转反射装置，对于所述两路光脉冲中的每一路光脉冲：该路光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态。如此，对于图1的相位编解码器，利用偏振正交旋转反射装置处的偏振正交旋转反射，输入光脉冲的x偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两个臂传输的相位差恰好等于该光脉冲的y偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两个臂传输的相位差。

尽管图1中，仅一个相位调制器102被示出为设置于两个臂中之一上，但在两个臂上各设置一个相位调制器也是可能的。在如此设置有两个相位调制器的情况下，两个相位调制器所调制的相位之差由量子密钥分发协议确定，取决于具体的应用。另外，代替在两个臂中之一或两者上设置相位调制器，可以在分束器101之前设置相位调制器，用于对分束前的输入光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，或者对合束后的输出光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

本发明提出了三种创造性的偏振正交旋转反射装置构造，即下文所述的构造1、构造2和构造3。

根据构造1，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，所述传输光路由保偏光纤形成，该传输光路上设置有半波片，输入该半波片的光脉冲的极化方向与该半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。具有构造1的偏振正交旋转反射装置在用于本发明的相位编解码器时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至相位编解码器的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

根据构造2，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，所述传输光路由保偏光纤形成，所述保偏光纤的慢轴和快轴分别保持输入该保偏光纤的光脉冲的两个正交偏振态稳定传输——即偏振态不变，且该偏振分束器的两个输出端口和该保偏光纤构造成使得，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输。这里，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输可通过保偏光纤扭转90度或者扭转(90+n*180)度实现，其中n为整数。无论保偏光纤扭转或者不扭转，从保偏光纤的慢轴输入的光脉冲始终沿着慢轴传输(沿着慢轴稳定传输)，从保偏光纤的快轴输入的光脉冲始终沿着快轴传输(沿着快轴稳定传输)。具有构造2的偏振正交旋转反射装置在用于本发明的相位编解码器时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至相位编解码器的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

根据构造3，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，所述传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。具有构造3的偏振正交旋转反射装置在用于本发明的相位编解码器时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至相位编解码器的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

回到图1的相位编解码器，反射装置103和104中至少之一可以为采用上述构造1、构造2和构造3中之一的偏振正交旋转反射装置。在反射装置103和104中的一个反射装置为采用上述构造1、构造2和构造3中之一的偏振正交旋转反射装置时，另一个反射装置可以为采用上述构造1、构造2和构造3中之一的偏振正交旋转反射装置，也可以为其他构造的偏振正交旋转反射装置。所述其他构造的偏振正交旋转反射装置可以是例如四分之一波片反射镜。“四分之一波片反射镜”包括反射镜和四分之一波片，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成，其中输入该四分之一波片的光脉冲的两个正交偏振态之一的极化方向与该四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。四分之一波片反射镜可以通过在四分之一波片晶体表面镀反射镜实现，亦可通过在快慢轴传输相位相差90度的保偏光纤端面镀反射镜实现。

对于图1的相位编解码器，可以通过调节两个臂的长度和/或调节两个反射装置103和104中采用选自构造1、构造2和构造3的构造的一个或两个反射装置中的传输光路，实现上述两路光脉冲的相对延时。

在反射装置采用选自构造1、构造2和构造3的构造的情况下，可以将相位编解码器的两个臂配置为偏振保持光路例如保偏光纤光路，且将所述两个臂上的光器件配置为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。如此，对于分束得到的两路光脉冲中的每一路光脉冲：可以保持该路光脉冲的两个正交偏振态在分束器分束至相应反射装置反射期间保持不变，且在所述相应反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。通常，偏振保持光路可以是自由空间光路或保偏光纤光路。本文中，“非双折射光器件”是指对于不同的偏振态(例如，两个正交偏振态)具有相同折射率的光器件。另外，偏振保持光器件也可称为保偏光器件。

此外，相位编解码器的分束器101可以为保偏分束器。

本发明另一优选实施例的一种相位编解码器如图2所示，包括以下组成部分：保偏分束器203、相位调制器204，以及偏振正交旋转反射装置205和206。

保偏分束器203一侧的两个端口201和202之一作为相位编解码器的输入端口。保偏分束器203与偏振正交旋转反射装置205和206构成不等臂迈克尔逊干涉仪，其间的两个臂为保偏光纤光路。相位调制器204插入不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中的任一臂。保偏分束器203的端口201或202可作为相位编解码器的输出端口。

工作时，光脉冲经保偏分束器203的端口201或202进入保偏分束器203并由保偏分束器203分成两路光脉冲。来自保偏分束器203的一路光脉冲经相位调制器204进行相位调制后由偏振正交旋转反射装置205反射回来，另一路光脉冲直接经保偏光纤传输至偏振正交旋转反射装置206并由偏振正交旋转反射装置206反射回来。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经保偏分束器203合束后由端口201或202输出。

在保偏分束器203的输入端口和输出端口之一为同一端口的情况下，相位编解码器还可以包括光环形器。该光环形器可以位于保偏分束器203前端。入射的任意偏振态的一路输入光脉冲可从光环形器的第一端口输入并从光环形器的第二端口输出至保偏分束器203，来自保偏分束器203的合束输出被输入至光环形器的第二端口并从光环形器的第三端口输出。

图3示出了可用于本发明的相位编解码器的一种偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图。

图3所示的偏振正交旋转反射装置包括以下组成部分：偏振分束器302、保偏光纤303。

偏振分束器302包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。与偏振分束器302的端口A相连的端口301既作为反射装置的输入端口也作为反射装置的输出端口。偏振分束器302的端口B和端口C通过保偏光纤303连接。由偏振分束器302的端口B和端口C输出的光脉冲均耦合至保偏光纤303的慢轴传输或均耦合至该保偏光纤的快轴传输。

工作时，输入光脉冲经端口301也即偏振分束器302的端口A输入偏振分束器302。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器302将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器302的端口B和端口C输出。由偏振分束器302的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲耦合至保偏光纤303的慢轴传输，并沿保偏光纤303的慢轴传输至偏振分束器302的端口C，在端口C处第一路光脉冲由保偏光纤303的慢轴耦合至偏振分束器302，耦合至偏振分束器302的端口C的第一路光脉冲的偏振态为y偏振态；y偏振态的第一路光脉冲由偏振分束器302的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由反射装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器302的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲耦合至保偏光纤303的慢轴传输，并沿保偏光纤303的慢轴传输至偏振分束器302的端口B，在端口B处第二路光脉冲由保偏光纤303的慢轴耦合至偏振分束器302，耦合至偏振分束器302的端口B的第二路光脉冲的偏振态为x偏振态；x偏振态的第二路光脉冲由偏振分束器302的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由反射装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。反射装置实现输入光脉冲的两个正交偏振态由反射装置反射输出时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态。利用上述的保偏光纤303对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

偏振分束器302的端口B和端口C可均耦合至保偏光纤303的快轴，上述结果不受影响。

图4示出了可用于本发明的相位编解码器的另一种偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图。

图4所示的偏振正交旋转反射装置包括以下组成部分：偏振分束器402、保偏光纤403，以及90度熔接点404。

偏振分束器402包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。与偏振分束器402的端口A相连的端口401既作为装置的输入端口也作为装置的输出端口。偏振分束器402的端口B和端口C通过保偏光纤403连接。由偏振分束器402的端口B输出的光脉冲耦合至保偏光纤403的慢轴且由偏振分束器402的端口C输出的光脉冲耦合至保偏光纤403的快轴，或者由偏振分束器402的端口B输出的光脉冲耦合至保偏光纤403的快轴且由偏振分束器402的端口C输出的光脉冲耦合至保偏光纤403的慢轴。保偏光纤403包含90度熔接点404，90度熔接点404由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。

工作时，输入光脉冲经端口401也即偏振分束器402的端口A输入偏振分束器402。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器402将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器402的端口B和端口C输出。由偏振分束器402的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲耦合至保偏光纤403的慢轴并被传输至90度熔接点404，经过90度熔接点404后沿保偏光纤404的快轴传输至偏振分束器402的端口C，在端口C处第一路光脉冲由保偏光纤403的快轴耦合至偏振分束器402；耦合至偏振分束器402的端口C的第一路光脉冲的偏振态为y偏振态，y偏振态的第一路光脉冲由偏振分束器402的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器402的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲耦合至保偏光纤403的快轴并被传输至90度熔接点404，经过90度熔接点404后沿保偏光纤403的慢轴传输至偏振分束器402的端口B，在端口B处第二路光脉冲由保偏光纤403的慢轴耦合至偏振分束器402；耦合至偏振分束器402的端口B的第二路光脉冲的偏振态为x偏振态，x偏振态的第二路光脉冲由偏振分束器402的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。该偏振正交旋转反射装置实现输入光脉冲的两个正交偏振态由该装置反射输出时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态。

尽管图4中示出了仅一个90度熔接点404，但这只是示例性的，保偏光纤403可以包含任意的奇数个90度熔接点。每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。在保偏光纤403包含多于1个的奇数个90度熔接点的情况下，上述结果不受影响，只是由偏振分束器402的端口B和端口C输出的第一路光脉冲和第二路光脉冲各自沿保偏光纤403传输时更多次在沿保偏光纤慢轴传输与沿保偏光纤快轴传输之间变换，变换的次数等于90度熔接点的数目。

采用上述的包含奇数个90度熔接点的保偏光纤403对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

偏振分束器402的端口B耦合至保偏光纤403的快轴且偏振分束器402的端口C耦合至保偏光纤403的慢轴时，上述结果不受影响。

图5示出了可用于本发明的相位编解码器的另一种偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图。

图5所示的偏振正交旋转反射装置包括以下组成部分：偏振分束器502、半波片503。

偏振分束器502包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。与偏振分束器502的端口A相连的端口501既作为装置的输入端口也作为装置的输出端口。偏振分束器502的端口B通过传输光路与半波片503的端口D连接，偏振分束器502的端口C通过传输光路与半波片503的端口E连接。将偏振分束器502的端口B与半波片503的端口D连接的传输光路以及将偏振分束器502的端口C与半波片503的端口E连接的传输光路均为偏振保持光路，例如保偏光纤光路。由半波片503的端口D和端口E输入半波片503的光脉冲的偏振态的极化方向与半波片503的慢轴或快轴的夹角为45度。

工作时，输入光脉冲经端口501也即偏振分束器502的端口A输入偏振分束器502。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器502将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器502的端口B和端口C输出。由偏振分束器502的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲传输至半波片503，经半波片503作偏振正交旋转后的第一路光脉冲偏振态变换为y偏振态。由半波片503的端口E输出的y偏振态的第一路光脉冲传输至偏振分束器的端口C并被输入偏振分束器502，并由偏振分束器502的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器502的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲传输至半波片503，经半波片503作偏振正交旋转后的第二路光脉冲偏振态变换为x偏振态。由半波片503的端口D输出的x偏振态的第二路光脉冲传输至偏振分束器的端口B并被输入偏振分束器502，并由偏振分束器502的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。该偏振正交旋转反射装置实现输入光脉冲的两个正交偏振态由该装置反射输出时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态。采用半波片503对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

本发明的相位编解码器可用作直流调制量子密钥分发相位编解码装置的组成部分，可用作量子密钥分发时间比特-相位编解码装置的组成部分，也可用作直流调制量子密钥分发时间比特-相位编解码装置的组成部分。

利用本发明的相位编解码器的一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发相位编解码装置如图6所示，包括以下组成部分：前置分束器603、光环形器604和611、保偏分束器605和612、直流相位调制器606和613，以及偏振正交旋转反射装置607、608、614和615。

保偏分束器605、两个偏振正交旋转反射装置607和608以及保偏分束器605与这两个偏振正交旋转反射装置之间的两个臂组成第一保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，即根据本发明的第一相位编解码器。第一相位编解码器的两个臂为保偏光纤光路。直流相位调制器606位于第一相位编解码器的两臂中的任一臂上。

类似地，保偏分束器612、两个偏振正交旋转反射装置614和615以及保偏分束器612与这两个偏振正交旋转反射装置之间的两个臂组成第二保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，即根据本发明的第二相位编解码器。第二相位编解码器的两个臂为保偏光纤光路。直流相位调制器613位于第二相位编解码器的两臂中的任一臂上。

下面，以图6的编解码装置用于进行解码为例对其进行示例描述。

前置分束器603一侧(图6中为左侧)的两个端口601和602之一作为装置的输入端口。光环形器604的第一端口A和第二端口B分别连接前置分束器603的一个输出端口和保偏分束器605的一个输入端口。输入第一相位编解码器的光脉冲解码后由保偏分束器605的一个输出端口609输出，或经保偏分束器605的另一输出端口(即，保偏分束器605的所述一个输入端口)传输至光环形器604的端口B并从光环形器604的第三端口C输出。光环形器611的第一端口A和第二端口B分别连接前置分束器603的另一个输出端口和保偏分束器612的一个输入端口。输入第二相位编解码器的光脉冲解码后由保偏分束器612的一个输出端口616输出，或经保偏分束器612的另一输出端口(即，保偏分束器612的所述一个输入端口)传输至光环形器611的端口B并从光环形器611的第三端口C输出。

工作时，光脉冲经分束器603的端口601或602进入分束器603并由分束器603分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲。第一路光脉冲经光环形器604的端口A输入并由光环形器604的端口B输出至保偏分束器605。保偏分束器605将输入的第一路光脉冲分束为两路第一子光脉冲。一路第一子光脉冲经直流相位调制器606进行相位调制后由偏振正交旋转反射装置607反射回来，另一路第一子光脉冲直接经保偏光纤传输至偏振正交旋转反射装置608并由偏振正交旋转反射装置608反射回来。经相对延时的反射回来的两路第一子光脉冲经保偏分束器605合束后由端口609输出，或者被输出至光环形器604的端口B并传输至端口C由端口610输出。第二路光脉冲经光环形器611的端口A输入并由光环形器611的端口B输出至保偏分束器612。保偏分束器612将输入的第二路光脉冲分束为两路第二子光脉冲。一路第二子光脉冲经直流相位调制器613进行相位调制后由偏振正交旋转反射装置614反射回来，另一路第二子光脉冲直接经保偏光纤传输至偏振正交旋转反射装置615并由偏振正交旋转反射装置615反射回来。经相对延时的反射回来的两路第二子光脉冲经保偏分束器612合束后由端口616输出，或者被输出至光环形器611的端口B并传输至端口C由端口617输出。直流相位调制器606和613导致第一相位编解码器和第二相位编解码器中的一个所作的直流相位调制相对于另一个所作的直流相位调制相差90度。

接下来，以图6的编解码装置用于进行编码为例对其进行示例描述。

保偏分束器605的一个端口609、光环形器604的第三端口C、保偏分束器612的一个端口616、光环形器611的第三端口C作为装置的输入端口。光环形器604的第一端口A和第二端口B分别连接前置分束器603的一个端口和保偏分束器605的另一个端口。从光环形器604的第三端口C输入的光脉冲经光环形器604的第二端口B输入第一相位编解码器。从保偏分束器605的所述一个端口609、光环形器604的第三端口C输入的光脉冲经第一相位编解码器编码后由保偏分束器605输出至光环形器604的第二端口B并由光环形器604的第一端口A传输至前置分束器603。光环形器611的第一端口A和第二端口B分别连接前置分束器603的另一个端口和保偏分束器612的另一个端口。从光环形器611的第三端口C输入的光脉冲经光环形器611的第二端口B输入第二相位编解码器。从保偏分束器612的所述一个端口616、光环形器612的第三端口C输入的光脉冲经第二相位编解码器编码后由保偏分束器612输出至光环形器611的第二端口B并由光环形器611的第一端口A传输至前置分束器603。前置分束器603一侧(图6中为左侧)的两个端口601和602之一作为装置的输出端口。由保偏分束器605的所述一个端口609、光环形器604的第三端口C、保偏分束器612的所述一个端口616、光环形器611的第三端口C输入的光脉冲经编码后分别实现四种相位编码，编码后的光脉冲经分束器603合束后由端口601或602输出。

利用本发明的相位编解码器的一种基于偏振正交旋转反射的量子密钥分发时间比特-相位编解码装置如图7所示，包括以下组成部分：分束器703和704、保偏分束器707、相位调制器708，以及偏振正交旋转反射装置709和710。

保偏分束器707、两个偏振正交旋转反射装置709和710以及保偏分束器707与这两个偏振正交旋转反射装置之间的两个臂组成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，即根据本发明的相位编解码器。所述两个臂为保偏光纤光路。相位调制器708位于相位编解码器的两臂中的任一臂上。

下面，以图7的编解码装置用于进行解码为例对其进行示例描述。

分束器703作为前置分束器，其一侧的两个端口701和702之一作为装置的输入端口。分束器704将来自分束器703的一路光脉冲分束后由端口705或706输出。输入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的光脉冲经解码后由端口711输出。

工作时，输入光脉冲经分束器703的端口701或702进入分束器703，并由分束器703分成两路光脉冲进行传输。来自分束器703的一路光脉冲输入至分束器704，并由分束器704分束后经端口705或706输出用于进行时间比特解码。来自分束器703的另一路光脉冲输入至保偏分束器707，并由保偏分束器707分束为两路子光脉冲。一路子光脉冲经相位调制器708随机调制0度或180度相位后由偏振正交旋转反射装置709反射回来，另一路子光脉冲直接经保偏光纤传输至偏振正交旋转反射装置710并由偏振正交旋转反射装置710反射回来。经相对延时的反射回来的两路子光脉冲经保偏分束器707合束后由端口711输出。

这里，需要说明的是，分束器704是可选的。由前置分束器703将上述一路光脉冲直接输出用于进行时间比特解码是可能的。

接下来，以图7的编解码装置用于进行编码为例对其进行示例描述。

分束器704的端口705和706以及保偏分束器707的端口711作为装置的输入端口。从端口705和706输入的光脉冲由分束器704合束后输出至前置分束器703，实现时间比特编码。从端口711输入的光脉冲经保偏不等臂迈克尔逊干涉仪编码后由保偏分束器707输出至前置分束器703，其间通过调制相位调制器708实现两种相位编码。前置分束器703的端口701和702之一作为装置的输出端口。分束器703将由分束器704输出的光脉冲和由保偏分束器707输出的光脉冲合束后由端口701或702输出。

分束器704是可选的，直接将分束器703的与分束器704连接的端口作为输入端口用于进行时间比特编码是可能的。

利用本发明的相位编解码器的一种基于偏振正交旋转反射的直流调制量子密钥分发时间比特-相位编解码装置如图8所示，包括以下组成部分：分束器803和804、光环形器807、保偏分束器808、直流相位调制器809，以及偏振正交旋转反射装置810和811。

保偏分束器808、两个偏振正交旋转反射装置810和811以及保偏分束器808与这两个偏振正交旋转反射装置之间的两个臂组成保偏不等臂迈克尔逊干涉仪，即根据本发明的相位编解码器。所述两个臂为保偏光纤光路。直流相位调制器809位于相位编解码器的两臂中的任一臂上。

下面，以图8的编解码装置用于进行解码为例对其进行示例描述。

分束器803作为前置分束器，其一侧的两个端口801和802之一作为装置的输入端口。分束器804将来自分束器803的一路光脉冲分束后由端口805或806输出。从光环形器807的第一端口A输入的光脉冲由光环形器807的第二端口B输出，从光环形器807的第二端口B输入的光脉冲由光环形器807的第三端口C输出。输入保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的光脉冲经解码后由端口812输出，或者经保偏分束器808的另一输出端口传输至光环形器807的第二端口B并从光环形器807的第三端口C输出后由端口813输出。

工作时，输入光脉冲经分束器803的端口801或802进入分束器803，并由分束器803分束成两路光脉冲进行传输。来自分束器803的一路光脉冲输入至分束器804，并由分束器804分束后由端口805或806输出用于进行时间比特解码。来自分束器803的另一路光脉冲经光环形器807的第一端口A输入并从光环形器807的第二端口B输出至保偏分束器808。保偏分束器808将该另一路光脉冲分束为两路子光脉冲。一路子光脉冲经直流相位调制器809调制0度相位或180度相位后由偏振正交旋转反射装置810反射回来，另一路子光脉冲直接经保偏光纤传输至偏振正交旋转反射装置811并由偏振正交旋转反射装置811反射回来。反射回来的经相对延时的两路子光脉冲经保偏分束器808合束后由端口812输出，或者被传输至光环形器807的第二端口B并由光环形器807的第三端口C输出后由端口813输出。

这里，需要说明的是，分束器804是可选的。由前置分束器803将上述一路光脉冲直接输出用于进行时间比特解码是可能的。

接下来，以图8的编解码装置用于进行编码为例对其进行示例描述。

分束器804的端口805和806、保偏分束器808的端口812，以及光环形器807的第三端口C作为装置的输入端口。从光环形器807的第三端口C输入的光脉冲由光环形器807的第二端口B输出，从光环形器807的第二端口B输入的光脉冲由光环形器807的第一端口A输出。从端口805和806输入的光脉冲由分束器804合束后输出至前置分束器803，实现时间比特编码。从端口812输入的光脉冲以及由光环形器807的第三端口C输入并由光环形器807的第二端口B输出至保偏分束器808的光脉冲，经保偏不等臂迈克尔逊干涉仪编码后由保偏分束器808输出至光环形器807的第二端口B并经光环形器807的第一端口A传输至前置分束器803。由保偏分束器808的端口812、光环形器807的第三端口C输入的光脉冲经编码后分别实现两种相位编码。分束器803的端口801和802之一作为装置的输出端口。分束器803将由分束器804输出的光脉冲和从光环形器807的第一端口A输出的光脉冲合束后由端口801或802输出。

分束器804是可选的，直接将分束器803的与分束器804连接的端口作为输入端口用于进行时间比特编码是可能的。

尽管图1-2和图6-8中示出了相位调制器，但本发明的相位编解码器和编解码装置不包括相位调制器是可能的。

本文中，术语“分束器”和“合束器”可互换使用，分束器亦可称为和用作合束器，反之亦然。本文中，“保偏光纤光路”是指采用保偏光纤传输光脉冲的光路或保偏光纤连接形成的光路。

可以在量子密钥分发系统的接收端配置如上文所述的本发明的基于偏振正交旋转反射的相位编解码器或相应的编解码装置，用于解码。另外，也可以在量子密钥分发系统的发射端配置如上文所述的本发明的基于偏振正交旋转反射的相位编解码器或相应的编解码装置，用于编码。对于本发明的相位编解码器或相应的编解码装置，其在用于量子密钥分发系统的接收端或发射端时，可以包括如上文结合图1-2和图6-8示例性描述的相位调制器或不包括相位调制器。另外，在量子密钥分发系统的接收端和发射端均采用本发明的相位编解码器或编解码装置的情况下，用于接收端和发射端中至少之一的相位编解码器或编解码装置可包括相位调制器。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (11)

1.一种量子密钥分发相位编解码器，包括：分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置，每个所述反射装置为偏振正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述偏振分束器的输入端口耦合至所述两个臂中的相应臂，其中每个偏振分束器的两个输出端口经传输光路彼此光耦合，对于至少一个包括偏振分束器的反射装置：其传输光路由扭转90度的保偏光纤形成，使得由其偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至所述保偏光纤的快轴进行传输。

2.根据权利要求1所述的相位编解码器，其中，所述两个反射装置为相同构造的偏振正交旋转反射装置，或为不同构造的偏振正交旋转反射装置。

3.根据权利要求1所述的相位编解码器，其中，所述扭转90度的保偏光纤包括扭转90度或扭转(90+n*180)度的保偏光纤，其中n为整数。

4.根据权利要求1所述的相位编解码器，其中，所述分束器是保偏分束器。

5.根据权利要求1所述的相位编解码器，其中，所述两个臂各为偏振保持光路，所述两个臂上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的相位编解码器，其中，所述相位编解码器还包括相位调制器，其中所述相位调制器设置于所述分束器前端或设置于所述两个臂中至少之一上。

7.一种直流调制量子密钥分发相位编解码装置，包括前置分束器和两个根据权利要求1-6中任一项所述的相位编解码器，两个所述相位编解码器分别经两条子光路光耦合至所述前置分束器，其中每个所述相位编解码器的分束器的未耦合至该相位编解码器的所述两个臂的端口之一光耦合至所述两条子光路中的相应子光路，每条所述子光路上设置有一个光环形器。

8.一种量子密钥分发时间比特-相位编解码装置，包括前置分束器和一个根据权利要求1-6中任一项所述的相位编解码器，所述相位编解码器经一条子光路光耦合至所述前置分束器，其中所述相位编解码器的分束器的未耦合至所述两个臂的端口之一光耦合至所述一条子光路。

9.一种直流调制量子密钥分发时间比特-相位编解码装置，包括前置分束器和一个根据权利要求1-6中任一项所述的相位编解码器，所述相位编解码器经一条子光路光耦合至所述前置分束器，其中所述相位编解码器的分束器的未耦合至所述两个臂的端口之一光耦合至所述一条子光路，其中所述一条子光路上设置有一个光环形器。

10.根据权利要求8或9所述的编解码装置，还包括经另一条子光路耦合至所述前置分束器的分束器。

11.一种量子密钥分发系统，包括：

根据权利要求1～6中任一项所述的相位编解码器或根据权利要求7～10中任一项所述的编解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码；和/或

根据权利要求1～6中任一项所述的相位编解码器或根据权利要求7～10中任一项所述的编解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端，用于编码。