CN110620744A - 基于相位调制qkd偏振态制备装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于相位调制QKD偏振态制备装置及方法，所述装置包括等臂干涉仪，从而避免了系统频率有上限的问题，使得基于相位调制QKD偏振态制备装置具有高速的特点。而通过在Alice端增加光电检测模块和相位调节模块，其中，光电检测模块检测干涉仪的干涉信号，发送给相位调节模块，相位调节模块根据干涉信号，对干涉仪的相位进行调节，以调制QKD偏振态，制备QKD偏振态的相位被实时补偿并反馈，减弱甚至消除制备QKD偏振态过程中的相位偏差和漂移。

Description

基于相位调制QKD偏振态制备装置和方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于相位调制QKD偏振态制备装置和方法。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)与经典密钥体系的根本不同在于其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的基本原理保证了该过程的不可窃听、不可破译性，从而提供了一种更为安全的密钥体系。

基于相位调制的偏振态制备主要原理为：

通过将光脉冲分为相互垂直的|H＞和|V＞两个分量，再调节两个分量光脉冲的相位差对于特定的可获得特定的偏振态，如分别取为0，π/2，π和3π/2时，对应获得P、R、N和L偏振态。其中P偏振态为45°线偏振态，N偏振态为135°线偏振态，R为右旋圆偏振态，L为左旋圆偏振态。P和N为相互正交的偏振态；R和L为相互正交的偏振态，且均满足量子通信BB84协议的要求。

对于一般的光路，由于环境温度、振动等因素的影响，往往存在相位漂移，为避免该问题，现有技术一提出了一种基于sagnac(萨格纳克)环的相位自稳定方案，但是该方案中QKD系统的频率存在上限值(GHz左右)，无法进一步提高QKD系统频率。

现有技术二提出了基于马赫曾德等臂干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)的相位调制偏振态制备的方案，该方案能够大大提高QKD系统频率，但是并未采取相位稳定措施，同样存在相位漂移的问题。

现有技术三中，提出了基于马赫曾德等臂干涉仪的相位调制偏振态制备的方案，并且提出了在接收端(Bob)通过微调相位调制器电压来进行偏振畸变的补偿，但是该方案存在响应速度慢、补偿方法复杂等缺点，且由于不在发送端(Alice)本地进行校准也存在安全隐患。

也即现有技术中的方案，没有响应速度快、补偿方法简单的相位补偿方案，以解决马赫曾德干涉仪的QKD偏振态制备存在相位偏差和漂移的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于相位调制QKD偏振态制备装置和方法，以解决现有技术中QKD偏振态制备装置和方法具有相位偏差和漂移的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于相位调制QKD偏振态制备装置，包括：

光源模块，用于产生信号光；

等臂干涉仪，所述等臂干涉仪包括第一臂和第二臂，以及位于所述第一臂或所述第二臂中的相位调制器，和位于所述第一臂或所述第二臂中的移相器；

所述等臂干涉仪接收所述信号光，并输出QKD偏振态；

还包括：

光电检测模块，用于检测所述等臂干涉仪的干涉现象，并输出干涉信号；

相位调节模块，用于根据所述干涉信号，对所述等臂干涉仪的相位进行调节，以调制所述QKD偏振态。

同时，还提供一种基于相位调制QKD偏振态制备方法，应用于上面所述的基于相位调制QKD偏振态制备装置中，所述QKD偏振态制备方法包括：

等臂干涉仪接收调节光的注入，所述等臂干涉仪包括第一臂和第二臂，以及相位调制器和移相器，所述相位调制器位于所述第一臂或所述第二臂中，所述移相器位于所述第一臂或所述第二臂中；

所述等臂干涉仪将所述调节光发送至光电检测模块；

所述光电检测模块接收所述调节光，得到干涉信号；

相位调节模块接收所述干涉信号，对所述等臂干涉仪的相位进行调节，用于QKD偏振态制备。

经由上述的技术方案可知，本申请提供一种基于相位调制QKD偏振态制备装置及方法，所述装置包括等臂马赫曾德干涉仪，从而避免了系统频率有上限的问题，使得基于相位调制QKD偏振态制备装置具有高速的特点。而通过在Alice端增加光电检测模块和相位调节模块，其中，光电检测模块检测等臂马赫曾德干涉仪的干涉信号，发送给相位调节模块，相位调节模块根据干涉信号，对等臂马赫曾德干涉仪的相位进行调节，以调制QKD偏振态，制备QKD偏振态的相位被实时补偿并反馈，减弱甚至消除制备QKD偏振态过程中的相位偏差和漂移。

特别需要说明的是，本发明中的反馈在发射端(Alice)本地使用光电检测模块和相位调节模块，能够进行本地(Alice端)快速反馈和校准，校准操作满足QKD安全要求，并且装置简单可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于相位调制QKD偏振态制备装置的整体思想结构示意图；

图2为本发明的一个实施例提供的一种基于相位调制QKD偏振态制备相位反馈原理图；

图3为本发明的一个实施例提供的一种基于相位调制QKD偏振态制备相位校准原理图；

图4为本发明的一个同时具备相位反馈和相位校准的相位调制QKD偏振态制备的原理图；

图5为本发明实施例提供的一种反馈光与信号光同向注入到等臂马赫曾德干涉中的结构示意图；

图6为本发明的一个实施例提供的一种基于相位调制QKD偏振态制备相位反馈方法流程图；

图7为本发明实施例提供的一种光电检测模块结构示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种光电检测模块结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种反馈光与信号光反向注入到等臂马赫曾德干涉中的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种反馈光与信号光反向注入到等臂马赫曾德干涉中的结构示意图；

图11为本发明反向注入实施例提供的一种光电检测模块示意图；

图12为本发明反向注入实施例提供的另一种光电检测模块示意图；

图13为本发明实施例信号光和反馈光分时复用时的偏振态制备装置示意图；

图14为信号光和反馈光分时复用示意图；

图15为信号光和反馈光分时复用时的时序控制图；

图16为本发明实施例提供的一种校准光与信号光同向注入到等臂马赫曾德干涉中的结构示意图；

图17为本发明的一个实施例提供的一种基于相位调制QKD偏振态制备相位校准方法流程图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中的方案没有响应速度快、补偿方法简单的相位补偿方案，以解决马赫曾德干涉仪的QKD偏振态制备存在相位偏差和漂移的问题。

发明人发现出现上述问题的原因是，具有相位自稳定的sagnac环，频率存在上限，频率较低；而马赫曾德等臂干涉仪相位调制偏振态制备方案，对系统的频率没有限制，但是由于制造工艺、环境的影响，两臂之间存在相位差以及随时间变化，而现有技术中没有相位稳定措施，即使有，也是在接收端(Bob)通过微调相位调制器电压来进行偏振畸变的补偿，并不是在发射端Alice端的本地进行反馈的，由于Bob端相位检测功能采用单光子探测器，发射端Alice端不能发送过强的反馈光，以及探测器计数率有饱和计数的上限，所以存在响应速度慢，补偿方法复杂等缺点。

发明人进一步研究发现，基于相位调制QKD偏振态制备装置存在相位偏差的原因是：等臂马赫曾德干涉仪在使用过程中，受环境的干扰；当环境温度变化时，相位调制器上加载标称的调制电压将变得不准，导致制备四种偏振态不准确，即P、R、N和L偏振态，相位调制器PM需分别调制0，π/2，π和3π/2的相位，若相位调制器PM调制相位出现偏差，那么制备的偏振态也将出现偏差。

基于此，本申请提供一种基于相位调制QKD偏振态制备装置及方法，该相位调制QKD偏振态制备装置包括等臂马赫曾德干涉仪，从而避免了系统频率有上限的问题，使得基于相位调制QKD偏振态制备装置具有高速的特点。

而通过在Alice端增加光电检测模块和相位调节模块，其中，光电检测模块检测等臂马赫曾德干涉仪的干涉信号，发送给相位调节模块，相位调节模块根据干涉信号，对等臂马赫曾德干涉仪的其中一臂的移相器进行相位调整，进而使得等臂马赫曾德干涉仪的两臂的相位差为零或2π整数倍，成为稳定的等臂马赫曾德干涉仪，实现高速、稳定QKD偏振态制备；和/或根据干涉信号，对等臂马赫曾德干涉仪的其中一臂的相位调制器标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，从而实现准确的QKD偏振态制备。

需要说明的是，由于等臂马赫曾德干涉仪的两臂的相位差为零或2π整数倍时效果一样，本文都以“为零”为例，前后文涉及相同地方不再赘述。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于相位调制QKD偏振态制备装置的整体思想结构示意图；基于相位调制QKD偏振态制备装置100包括等臂干涉仪11，等臂干涉仪包括第一臂111和第二臂112，以及位于等臂干涉仪11的第一臂111中或第二臂112中的相位调制器(Phase Modulation，PM)101，以及位于等臂干涉仪11的第一臂111中或第二臂112中的移相器(Phase Shifter，PS)102，基于相位调制QKD偏振态制备装置100还包括光电检测模块12和相位调节模块13，其中光电检测模块12通过检测等臂干涉仪11干涉现象，得到干涉信号，然后将干涉信号发送至相位调节模块13，干涉信号被发送至相位调节模块13进行处理，得到相位调节信号，相位调节模块13将所述相位调节信号加载在移相器102和/或相位调制器101中。

需要说明的是，本发明实施例中所述的等臂干涉仪，可以是等臂马赫曾德干涉仪也可以为其它类型的等臂干涉方案，比如等臂迈克尔逊干涉仪，或者集成光芯片形式的等臂干涉装置，本发明以下实施例中仅以等臂马赫曾德干涉仪为例进行说明，但对此不做限定。

另外，本发明以下实施例中以相位调制器101位于第一臂111中，移相器102位于第二臂112中为例进行说明，相位调制器101和移相器102位于同一个臂中的情况类似，区别仅为相位调制器和移相器位于同一个臂中，其他光电检测模块和相位调节模块等的连接关系不变，本发明实施例中对此不做详细赘述。

具体的，请参见图1，相位调节信号加载在移相器102和/或相位调制器101中，分别为：

对等臂马赫曾德干涉仪的第二臂的移相器102进行相位调整，进而使得等臂马赫曾德干涉仪的两臂的相位差为零，成为稳定的等臂马赫曾德干涉仪，实现高速、稳定QKD偏振态制备；和/或根据干涉信号，对等臂马赫曾德干涉仪的第一臂的相位调制器101标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，从而实现准确的QKD偏振态制备，解决了等臂马赫曾德干涉仪存在偏差或漂移的问题。

需要说明的是，调节方式不同，对应的光电检测模块和相位调节模块的连接关系不同。当所述相位调节模块根据干涉信号，对等臂马赫曾德干涉仪的第二臂中的移相器进行相位调整，进而使得等臂马赫曾德干涉仪的两臂的相位差为零时；所述相位调节模块为相位反馈模块，参见图2，所述相位反馈模块131的输入端与所述光电检测模块121相连，输出端与所述移相器PS相连。

当所述相位调节模块根据干涉信号，对等臂马赫曾德干涉仪的第一臂中的相位调制器PM的标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，所述相位调节模块为相位校准模块，参见图3，所述相位校准模块132的输入端与所述光电检测模块122相连，输出端与所述相位调制器PM相连。

当所述相位调节模块将所述相位调节信号加载在所述移相器和所述相位调制器中，使所述等臂马赫曾德干涉仪相位差为零并且对加载相位调制电压进行校准时，所述相位调节模块包括相位反馈模块1331和相位校准模块1332，参见图4；其中，所述相位反馈模块1331的输入端与所述光电检测模块123的输出端相连，输出端与所述移相器PS相连；所述相位校准模块1332的输入端与所述光电检测模块123的输出端相连，输出端与所述相位调制器PM相连。也即同时对移相器PS和相位调制器PM进行调整，使得等臂马赫曾德干涉仪输出的QKD偏振态具有稳定性和准确性。

需要说明的是，本发明实施例中通过等臂马赫曾德干涉仪接收反馈光，通过对反馈光进行光电检测，得到检测结果从而进行相位反馈。本实施例中不限定反馈光的注入方式，可选的，所述反馈光可以与信号光同向注入到等臂马赫曾德干涉仪中，也可以与信号光反向注入到等臂马赫曾德干涉仪中，还可以将信号光分时复用，一段时间作为信号光，一段时间作为反馈光使用，本实施例中对此不做限定。

图5所示为本发明实施例提供的一种反馈光与信号光同向注入到等臂马赫曾德干涉中的结构示意图。此时，在注入至等臂马赫曾德干涉仪之前，需要通过第一波分复用器14将信号光和反馈光合束，通过光纤传输后，再通过分束器15分为两束；在等臂马赫曾德干涉仪输出时，通过偏振分束器16合束成为一束，经过光纤传输后，通过第二波分复用器17分为信号光和反馈光，其中，反馈光输入至光电检测模块1211检测，得到干涉信号送入相位反馈算法模块1311进行数据处理，得到相位反馈信号，然后送入移相器驱动模块1312，实现对移相器PS进行调节，使所述等臂马赫曾德干涉仪的两臂的相位差为零，实现相位稳定。

基于上面所述的相位调制QKD偏振态制备装置，本发明还对应提供一种基于相位调制QKD偏振态制备相位反馈方法，如图6所示，包括：

S101：等臂马赫曾德干涉仪接收反馈光的注入，所述等臂马赫曾德干涉仪包括第一臂和第二臂，所述第一臂中设置有相位调制器，所述第二臂中设置有移相器；

S102：所述等臂马赫曾德干涉仪将所述反馈光发送至光电检测模块；

S103：所述光电检测模块接收所述反馈光，得到光电检测信号；

S104：相位反馈模块接收所述光电检测信号，并对所述光电检测信号进行判断，判断所述光电检测信号是否是等臂马赫曾德干涉仪两臂相位差为零时的干涉信号，然后做数据处理，得到相位调节信号，将所述相位调节信号加载在所述移相器中，使所述等臂马赫曾德干涉仪两臂相位差为零，用于高速QKD偏振态制备。

本实施例中不限定光电检测模块的具体结构，只要能够实现光电检测功能即可。可选的，如图7所示，为本发明实施例提供的一种光电检测模块结构示意图；所述光电检测模块包括：依次设置的偏振控制器、偏振分束器、光电管；其中，偏振控制器接收由等臂马赫曾德干涉仪接收并传递的反馈光，偏振分束器接收到反馈光后透射输出至光电管，经过光电管将反馈光的光信号转换为电信号，即为光电检测模块的输出结果，为后续数据处理提供基础。

如图8所示，为本发明实施例提供的另外一种光电检测模块结构示意图；所述光电检测模块包括：依次设置的偏振控制器、偏振分束器、光电管1和光电管2；其中，偏振控制器接收由等臂马赫曾德干涉仪接收并传递的反馈光，偏振分束器接收到反馈光后透射输出至光电管1，反射输出至光电管2，经过光电管将反馈光的光信号转换为电信号，即为光电检测模块的输出结果，为后续数据处理提供基础。

其中，当光电检测模块为包括一个光电管的光电检测模块时，对应的干涉仪两臂相位差为零时的干涉信号是光电管计数的最大值(或最小值)；

当光电检测模块为包括两个光电管的光电检测模块时，对应的干涉仪两臂相位差为零时的干涉信号是两个光电管计数的比值最大值(或最小值)。

图9所示为本发明实施例提供的一种反馈光与信号光反向注入到等臂马赫曾德干涉中的结构示意图。此时，在注入至等臂马赫曾德干涉仪之前，可以通过隔离器、偏振控制器、合束器BS与信号光合束，然后通过偏振分束器PBS进入等臂马赫曾德干涉仪。经过等臂马赫曾德干涉仪的两臂，从分束器BS输出干涉的两路，其中一路经过环形器由2端口进入并从3端口输出到光电检测模块1212的端口4，另外一路直接输出到光电检测端口5，光电测模块1212得到干涉信号送入相位反馈算法模块1313进行数据处理，得到相位反馈信号，然后送入移相器驱动模块1314，实现对移相器进行调节，使所述等臂马赫曾德干涉仪的两臂的相位差为零，实现相位稳定。

除此之外，还可以直接通过等臂马赫曾德干涉仪的输出端的PBS的另外一个输出端口反向输入所述等臂马赫曾德干涉仪。请参见图10，图10为本发明实施例提供的另外一种反馈光与信号光反向注入到等臂马赫曾德干涉中的结构示意图。其中，本实施例中所述等臂马赫曾德干涉仪的输出端的PBS器件为四端口PBS，如图11所示，四端口PBS包括端口1、端口2、端口3和端口4；其中，端口4的偏振方向相对所述四端口PBS的两个输入端端口1和端口3的偏振方向呈45度角度，也即从所述四端口PBS的端口4反向输入的光，会各有一半光强进入所述四端口PBS的两个输入端——端口1和端口3，即通过四端口PBS反向输入反馈光；而由等臂马赫曾德干涉仪正向输出的信号，从四端口PBS端口1和端口3进入，由端口2输出至外部。

本实施例中不限定光电检测模块的具体结构，只要能够实现光电检测功能即可。可选的，如图11所示，为本发明实施例提供的一种光电检测模块结构示意图；所述光电检测模块包括一个光电管，光电管只接收图9中4路或者5路其中一路反馈光，经过光电管将反馈光的光信号转换为电信号，即为光电检测模块的输出结果，为后续数据处理提供基础。

如图12所示，为本发明实施例提供的另外一种光电检测模块结构示意图；所述光电检测模块包括光电管1和光电管2，光电管1和光电管2接收图9中4路和5路的反馈光，经过光电管将反馈光的光信号转换为电信号，即为光电检测模块的输出结果，为后续数据处理提供基础。

本实施例中相位反馈的方法同图6所示，本实施例中对此不做详细赘述。

在本发明的另一实施例中，图13所示为本发明实施例提供的一种信号光分时反馈的结构示意图。等臂马赫曾德干涉仪还可以接收分时复用的光信号，所述光信号在第一时间段为信号光，第二时间段为反馈光时，如图14所示，在周期为T内，t1时段为信号光正常产生偏振态，t2时段激光器发光用于相位反馈。其中光电检测模块与同向注入反馈光和信号光的光电检测模块相同，请参见图5所示。

图15中(a)为相位调制器的时序控制，图15中(b)为信号光和反馈光的时序控制，光源触发脉冲频率与相位调制器的电压脉冲触发频率相等，并且脉冲中心对齐，要求相位调制器的电压脉冲宽度大于光源脉冲宽度，相位调制器的电压脉冲强度由随机数发生器产生，随机产生0，π/2，π和3π/2的相位偏移，用于偏振态制备。相位调制器经过t1时段之后进入t2时段，光源的后续部分脉冲信号作为反馈光信号，此时，反馈光信号部分对应时刻的相位调制信号关闭，相位反馈模块同时开启，探测到干涉仪两臂相位差，实时反馈给移相器并保持，直到下一个反馈周期到来。

本实施例中相位反馈的方法同同向注入反馈方法，请参见图6所示的反馈方法流程示意图，本实施例中对此不做详细说明。

本发明实施例中，光电检测模块和相位调节模块还可以单独连接至等臂马赫曾德干涉仪的第一臂中的相位调制器上，对相位调制器的标称调制电压进行微调。其基于框架结构如图3所示，上面实施例中已详细说明，本实施例中对此不做赘述。

而且，需要说明的是，本发明实施例中通过等臂马赫曾德干涉仪接收校准光，通过对校准光进行光电检测，得到检测结果从而进行相位校准。本实施例中不限定校准光的注入方式，可选的，所述校准光可以与信号光同向注入到等臂马赫曾德干涉仪中，也可以与信号光反向注入到等臂马赫曾德干涉仪中，还可以将信号光分时复用，一段时间作为信号光，一段时间作为校准光使用，本实施例中对此不做限定。

在校准光和信号光的不同输入方式下，本实施例中提供的光电检测模块和相位校准模块的连接关系与相位反馈时反馈光和信号光的不同输入方式相似，本实施例中以校准光与信号光同向注入为例进行说明，反向注入和信号光分时复用的情况，与相位反馈时相同，本实施例中对此不做详细赘述。

参见图16为本发明的一个实施例提供的一种基于相位调制QKD偏振态制备的相位校准装置示意图；该基于相位调制QKD偏振态制备装置包括等臂马赫曾德干涉仪；相位调制器位于等臂马赫曾德干涉仪的第一臂中；移相器位于等臂马赫曾德干涉仪的第二臂中；光电检测模块1221，用于检测等臂马赫曾德干涉仪干涉现象，并输出干涉信号；相位调节模块，本实施例中也称作相位校准模块，接收光电检测模块1221的检测结果，并将检测结果通过数据处理，得到相位调制电压的校准值，对等臂马赫曾德干涉仪的第一臂的相位调制器PM的标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，从而实现准确的QKD偏振态制备。

需要说明的是，相位校准模块的结构与上面实施例中的相位反馈模块的结构相似，不同的是，里面的算法不同，因此，如图16所示，本发明实施例中相位校准模块包括相位校准算法模块1321和相位调制器驱动模块1322。相位校准算法模块1321根据光电检测模块1221的干涉信号进行相位校准计算，得到相位调制电压的校准值，从而通过相位调制器驱动模块1322实现对相位移位器PM的标称调制电压进行调整。

基于上面所述的相位调制QKD偏振态制备装置，本发明还对应提供一种基于相位调制QKD偏振态制备相位校准方法，如图17所示，包括：

S201：等臂马赫曾德干涉仪接收校准光的注入，所述等臂马赫曾德干涉仪的第一臂中设置有相位调制器，第二臂中设置有移相器；

S202：将所述校准光发送至光电检测模块；

S203：所述光电检测模块根据所述校准光得到检测结果；

S204：相位校准模块接收所述光电检测模块的检测结果，并将所述检测结果通过数据处理得到相位调制电压的校准值，对等臂马赫曾德干涉仪的第一臂的相位调制器标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，从而实现准确的QKD偏振态制备。

图16所示为本发明实施例提供的一种校准光与信号光同向注入到等臂马赫曾德干涉中的结构示意图。此时，在注入至等臂马赫曾德干涉仪之前，需要通过第一波分复用器24将校准光和反馈光合束，通过光纤传输后，再通过分束器25分为两束；在等臂马赫曾德干涉仪输出时，通过偏振分束器26合束成为一束，经过光纤传输后，通过第二波分复用器27分为信号光和校准光，其中，校准光输入至光电检测模块检测，得到干涉信号送入相位校准算法模块进行数据处理，并将所述检测结果通过数据处理得到相位调制电压的校准值，对等臂马赫曾德干涉仪的第一臂的相位调制器PM标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，从而实现准确的QKD偏振态制备。

本实施例中不限定光电检测模块的具体结构，只要能够实现光电检测功能即可。可选的，具体见图7、图8以及图11、图12的相关说明。

本实施例中相位校准的方法具体如下：

当光电检测模块仅包含一个光电管时，以光电检测模块中包含偏振控制器为例进行说明。

(1)在等臂马赫曾德干涉仪第一臂中的相位调制器上加载0电压，调整所述光电检测模块中的偏振控制器；

(2)使所述光电管的计数为最大值；

(3)将所述相位调制器上的加载电压调整至标称π电压，判断所述光电管的计数是否为最小值；

若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至所述光电管的计数为最小值，此时，所述相位调制器上的加载电压为π相位校准值；

(4)将所述相位调制器上的加载电压调整至标称π/2电压，判断所述光电管的计数是否为最大值与最小值之和的一半；

若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至所述光电管的计数为最大值与最小值之和的一半，此时，所述相位调制器上的加载电压为π/2相位校准值；

(5)调整所述光电检测模块中偏振控制器，或者调整马赫曾德干涉仪其中一臂的移相器；直到所述光电管计数为最大值；

(6)然后将所述相位调制器上的加载电压调整至标称3π/2电压，判断所述光电管的计数是否为最小值；

若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至所述光电管的计数为最小值，此时，所述相位调制器上的加载电压为3π/2相位校准值。

当光电检测模块中不包含偏振控制器时，可以通过调节等臂马赫曾德干涉仪第二臂中的移相器，实现光电管计数为最小值或最大值，其他调节相位调制器上的加载电压的过程与上述描述内容相似，本实施例中对此不做详细说明。

当光电检测模块中包含两个光电管，分别对应为第一光电管和第二光电管时；同样以光电检测模块中包含偏振控制器为例进行说明；

(1)在所述相位调制器上加载0电压，调整所述光电检测模块中的偏振控制器；

(2)使所述第一光电管和第二光电管计数比值为最大值；

(3)将所述相位调制器上的加载电压调整至标称π电压，判断所述第一光电管和第二光电管计数比值是否为最小值；

若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至所述第一光电管和第二光电管计数比值为最小值，此时，所述相位调制器上的加载电压为π相位校准值；

(4)将所述相位调制器上的加载电压调整至标称π/2电压，判断第一光电管和第二光电管计数比值是否为1；

若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至第一光电管和第二光电管计数比值是为1，此时，所述相位调制器上的加载电压为π/2相位校准值；

(5)调整所述光电检测模块中偏振控制器，或者调整马赫曾德干涉仪其中一臂的移相器；直到所述第一光电管和第二光电管计数比值为最大值；

(6)然后将所述相位调制器上的加载电压调整至标称3π/2电压，判断第一光电管和第二光电管计数比值是否为最小值；

若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至第一光电管和第二光电管计数比值为最小值，此时，所述相位调制器上的加载电压为3π/2相位校准值。

需要说明的是，所述调节光电检测模块输出信号可将最大值和最小值相应对换。

另外，当光电检测模块中不包含偏振控制器时，可以通过调节等臂马赫曾德干涉仪第二臂中的移相器，实现光电管计数为最小值或最大值，其他调节相位调制器上的加载电压的过程与上述描述内容相似，本实施例中对此不做详细说明。

本发明实施例中通过等臂马赫曾德干涉仪接收校准光，通过对校准光进行检测，得到检测结果从而进行相位校准。

需要说明的是，调节光电检测模块的偏振控制器和调节移相器是两种并列的方法，对应的效果相同。但需要注意的是，当信号光与调节光同向注入或分时注入时，优选通过调偏振控制器达到计数最大；而信号光与调节光反向注入时，优选通过调节移相器进行调节。

当所述相位调节模块将所述相位调节信号加载在所述移相器和所述相位调制器中，使所述马赫曾德干涉仪相位差为零并且对加载相位调制电压进行校准时，参见图4为本发明的一个实施例提供的一种基于相位调制QKD偏振态制备的相位反馈加上相位校准装置示意图；该基于相位调制QKD偏振态制备装置包括等臂马赫曾德干涉仪；相位调制器位于等臂马赫曾德干涉仪的一个臂中；移相器位于等臂马赫曾德干涉仪的另一个臂中；或者相位调制器PM和移相器PS可以位于同一个臂中；光电检测模块，用于检测等臂马赫曾德干涉仪干涉现象，并输出干涉信号；相位调节模块，本实施例中包括相位反馈模块和相位校准模块，相位反馈模块和相位校准模块分别接收光电检测模块的检测结果，相位反馈模块将检测结果通过数据处理，得到干涉信号送入相位反馈算法模块进行数据处理，得到相位反馈信号，然后送入移相器驱动模块，实现对移相器进行调节，使所述等臂马赫曾德干涉仪的两臂的相位差为零，实现相位稳定；相位校准模块将得到干涉信号送入相位校准算法模块进行数据处理得到相位调制电压的校准值，对等臂马赫曾德干涉仪的其中一臂的相位调制器标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，从而实现准确的QKD偏振态制备，最终实现高速、稳定并且准确的偏振态制备。

本实施例中相位调节模块包括相位反馈模块和相位校准模块，从而本实施例中提供了一种同时具备相位反馈和相位校准的相位调制QKD偏振态制备的装置，并且，本实施实施例中调整光(包括反馈光或校准光)和信号光的关系可以是同向注入、反向注入或将信号光分时复用实现，本实施例中对此不做限定，具体调整光的注入方式可以参见上面的实施例中所述的相关内容，本实施例中对此不做详细赘述。

另外，光电检测模块的具体形式以及相位反馈和相位校准方法见以上相位内容。

本发明在等臂马赫曾德干涉仪基础上，采用发射端本地的相位反馈稳定和校准措施，能够解决QKD编码器相位漂移和偏差的问题，校准操作满足QKD安全要求，并且存在反馈快速，系统简单可靠等优点；采用相位调制校准措施，使制备的偏振态更准确，错误率更低，进而QKD误码率更低。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种基于相位调制QKD偏振态制备装置，包括：

光源模块，用于产生信号光；

等臂干涉仪，所述等臂干涉仪包括第一臂和第二臂，以及位于所述第一臂或所述第二臂中的相位调制器，和位于所述第一臂或所述第二臂中的移相器；

所述等臂干涉仪接收所述信号光，并输出QKD偏振态；

其特征在于，还包括：

光电检测模块，用于检测所述等臂干涉仪的干涉现象，并输出干涉信号；

相位调节模块，用于根据所述干涉信号，对所述等臂干涉仪的相位进行调节，以调制所述QKD偏振态。

2.根据权利要求1所述的基于相位调制QKD偏振态制备装置，其特征在于，所述相位调节模块为相位反馈模块；；

所述相位反馈模块与所述移相器相连；

所述相位反馈模块根据所述干涉信号，对所述移相器上加载的电压进行调节，以使所述等臂干涉仪的第一臂和第二臂的相位差为零或2π的整数倍。

3.根据权利要求1所述的基于相位调制QKD偏振态制备装置，其特征在于，所述相位调节模块为相位校准模块；所述相位校准模块与所述相位调制器相连；

所述相位校准模块根据所述干涉信号，对所述相位调制器上施加的标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，加载在所述相位调制器上，对所述等臂干涉仪进行相位稳定。

4.根据权利要求1所述的基于相位调制QKD偏振态制备装置，其特征在于，所述相位调节模块包括相位校准模块和相位反馈模块；所述相位校准模块与所述等臂干涉仪中的相位调制器相连；

所述相位校准模块根据所述干涉信号，对所述相位调制器上施加的标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，加载在所述相位调制器上，对所述等臂干涉仪进行相位稳定；

所述相位反馈模块与所述等臂干涉仪中的移相器相连；

所述相位反馈模块根据所述干涉信号，对所述移相器上加载的电压进行调节，以使所述等臂干涉仪的第一臂和第二臂的相位差为零或2π的整数倍。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于相位调制QKD偏振态制备装置，其特征在于，所述光电检测模块包括一个光电管。

6.根据权利要求5所述的基于相位调制QKD偏振态制备装置，其特征在于，还包括偏振控制器和偏振分束器；

所述偏振控制器、偏振分束器和所述光电管沿光束传输方向依次设置。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的基于相位调制QKD偏振态制备装置，其特征在于，所述光电检测模块包括第一光电管和第二光电管。

8.根据权利要求7所述的基于相位调制QKD偏振态制备装置，其特征在于，还包括偏振控制器和偏振分束器；

其中，所述偏振控制器接收由所述等臂干涉仪接收并传递的调节光，所述调节光经过所述偏振控制器后注入所述偏振分束器，所述偏振分束器将所述调节光分束为透射光和反射光并输出；

所述透射光输出至所述第一光电管，经过所述第一光电管将透射光信号转换为第一电信号；

所述反射光输出至所述第二光电管，经过所述第二光电管将反射光信号转换为第二电信号。

9.一种基于相位调制QKD偏振态制备方法，其特征在于，应用于权利要求1-8任意一项所述的基于相位调制QKD偏振态制备装置中，所述QKD偏振态制备方法包括：

等臂干涉仪接收调节光的注入，所述等臂干涉仪包括第一臂和第二臂，以及相位调制器和移相器，所述相位调制器位于所述第一臂或所述第二臂中，所述移相器位于所述第一臂或所述第二臂中；

所述等臂干涉仪将所述调节光发送至光电检测模块；

所述光电检测模块接收所述调节光，得到干涉信号；

相位调节模块接收所述干涉信号，对所述等臂干涉仪的相位进行调节，用于QKD偏振态制备。

10.根据权利要求9所述的基于相位调制QKD偏振态制备方法，其特征在于，当所述基于相位调制QKD偏振态制备装置中包含相位反馈模块时，所述制备方法包括：

等臂干涉仪接收反馈光的注入，所述等臂干涉仪包括第一臂和第二臂，以及相位调制器和移相器；

所述等臂干涉仪将所述反馈光发送至光电检测模块；

所述光电检测模块接收所述反馈光，得到光电检测信号；

相位反馈模块接收所述光电检测信号，并对所述光电检测信号进行判断，判断所述光电检测信号是否是等臂干涉仪两臂相位差为零时的干涉信号，然后做数据处理，得到相位调节信号，将所述相位调节信号加载在所述移相器中，使所述等臂干涉仪两臂相位差为零，用于QKD偏振态制备。

11.根据权利要求9所述的基于相位调制QKD偏振态制备方法，其特征在于，当所述基于相位调制QKD偏振态制备装置中包含相位校准模块时，所述制备方法包括：

等臂干涉仪接收校准光的注入，所述等臂干涉仪中设置有相位调制器和移相器；

将所述校准光发送至光电检测模块；

所述光电检测模块根据所述校准光得到检测结果；

相位校准模块接收所述光电检测模块的检测结果，并将所述检测结果通过数据处理得到相位调制电压的校准值，对等臂干涉仪中的相位调制器标称调制电压进行微调，进而得到校准后的相位调制电压，用于QKD偏振态制备。

12.根据权利要求11所述的基于相位调制QKD偏振态制备方法，其特征在于，当所述光电检测模块为一个光电管，且包括偏振控制器和偏振分束器时；所述制备方法具体包括：

在等臂干涉仪中的相位调制器上加载0电压，调整所述光电检测模块中的偏振控制器；

使所述光电管的计数为最大值；

将所述相位调制器上的加载电压调整至标称π电压，判断所述光电管的计数是否为最小值；若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至所述光电管的计数为最小值，此时，所述相位调制器上的加载电压为π相位校准值；

将所述相位调制器上的加载电压调整至标称π/2电压，判断所述光电管的计数是否为最大值与最小值之和的一半；若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至所述光电管的计数为最大值与最小值之和的一半，此时，所述相位调制器上的加载电压为π/2相位校准值；

调整所述光电检测模块中偏振控制器，或者调整等臂干涉仪其中一臂的移相器；直到所述光电管计数为最大值；

将所述相位调制器上的加载电压调整至标称3π/2电压，判断所述光电管的计数是否为最小值；若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至所述光电管的计数为最小值，此时，所述相位调制器上的加载电压为3π/2相位校准值。

13.根据权利要求11所述的基于相位调制QKD偏振态制备方法，其特征在于，当所述光电检测模块包括第一光电管和第二光电管，且包括偏振控制器和偏振分束器时；所述制备方法具体包括：

在所述相位调制器上加载0电压，调整所述光电检测模块中的偏振控制器；

使所述第一光电管和第二光电管计数比值为最大值；

将所述相位调制器上的加载电压调整至标称π电压，判断所述第一光电管和第二光电管计数比值是否为最小值；若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至所述第一光电管和第二光电管计数比值为最小值，此时，所述相位调制器上的加载电压为π相位校准值；

将所述相位调制器上的加载电压调整至标称π/2电压，判断第一光电管和第二光电管计数比值是否为1；若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至第一光电管和第二光电管计数比值是为1，此时，所述相位调制器上的加载电压为π/2相位校准值；

调整所述光电检测模块中偏振控制器，或者调整等臂干涉仪其中一臂的移相器；直到所述第一光电管和第二光电管计数比值为最大值；

将所述相位调制器上的加载电压调整至标称3π/2电压，判断第一光电管和第二光电管计数比值是否为最小值；若否，则调整所述相位调制器上的加载电压，直至第一光电管和第二光电管计数比值为最小值，此时，所述相位调制器上的加载电压为3π/2相位校准值。

14.根据权利要求9所述的基于相位调制QKD偏振态制备方法，其特征在于，还包括：等臂干涉仪接收信号光的注入；

其中，所述信号光与所述调节光为同一个光信号的分时复用信号；

或者，所述信号光与所述调节光同向注入所述等臂干涉仪；

或者，所述信号光与所述调节光反向注入所述等臂干涉仪。