CN110752880A - 用于光通信的偏振编码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光通信的偏振编码方法，其包括将待编码的光脉冲分成具有相同偏振态的两个光脉冲部分的步骤，在所述两个光脉冲部分之间调制出相位差△φ的步骤，以及使具有所述相位差△φ的两个光脉冲部分具有彼此正交的偏振态，并耦合输出一路偏振光的步骤，其中，耦合输出的所述偏振光的偏振态与所述相位差△φ有关。本发明还公开了一种用于实现上述方法的偏振编码装置。相比于现有技术，本发明的方法和装置具有结构简单、可软硬件控制、灵活性好等优点，能够满足高速通信系统对速率和带宽的要求。

Description

用于光通信的偏振编码方法及装置

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体涉及用于经典光通信和量子通信的偏振编码方法及装置。

背景技术

在当代的光通信领域中，可以大致分为经典通信和量子保密通信两个分支。量子保密通信是当代通信技术的主要发展方向，由于其有着经典通信无可比拟的巨大优势，从原理上保证保密通信的绝对安全性，因此是当今各国科研工作者争相研究的热点。其中，应用最广泛和成熟的方向是量子密钥分发方向。由量子力学的量子不可复制等基本原理保证，量子密钥分发通过“一次一密”的加密方式，将信息在国防单位、政府机关、科研单位和金融机构等之间传输。

而对于光通信来说，无论是经典通信，还是量子密钥分发，都需要对光进行编码操作，使其承载编码的比特信息，以此来传递信息。在诸多编码方案中，偏振编码无疑是最早提出也是应用最广泛的编码方案。例如，在最初的量子密钥分发协议中，即，1984年Bennett-Brassard提出的BB84方案中就包含了偏振编码方案。在这种偏振编码方案中，通过偏振编码的方式将信息编码为光子的偏振态，不同的偏振态对应不同的比特信息。对于经典通信和量子保密通信来说，偏振编码方案由于结构简单，调制方便，至今仍然是最重要的编码方案之一。

偏振编码方案一般分为被动和主动两类调制方式。

在所谓的被动调制方式中，多是采用诸如偏振分束器、分束器、玻片等无源器件来进行偏振调制。因此，采用被动调制方式的编码系统会有较快的运行速度，但是其结构也较为复杂，且对调制器件的安全性和稳定性要求很高。

例如采用具有不同偏振方向的独立光源的方式来调制出四种偏振态的话，则需要至少四个不同偏振的独立光源(常用方法为每路光源对应手动偏振控制器，再结合偏振分束器和分束器将各路光信号耦合到同一信道中)，且这四路独立光源除了偏振态的不同之外，在其他方面需要保持高度的一致性，以免编码信息由光源的不同特性而泄露。

如果采用偏振分束器的方式来实现四种偏振态的调制的话，则通常需要设置两级分束器将同一个光源输出的信号光分成四路光信号，每一路光信号再经过光开关、手动偏振控制器产生特定的偏振态，然后再经过偏振分束器和合束器耦合为一路。采用这种方式实现的偏振方案虽然减少了光源的数量，但是与前一种调制方式同样不可避免的是，光路中的各种分束器件本身可能与波长相关，由此可能会导致信息泄露。因此对这些器件需要严格的校准。

在所谓的主动调制方式中，常常是将诸如偏振控制器或相位调制器等有源器件与Sagnac干涉仪结合使用来进行偏振调制。因此，采用主动调制方式的编码系统可以具有可软硬件控制、灵活性好等优点。常用的偏振控制器件包括泡克尔斯盒、KDP晶体等。这类偏振控制器件可以直接对光进行调制，虽然作用方式简单直接，但是这些晶体的半波电压较高(例如，泡克尔斯盒的半波电压达到千伏)或者调制带宽有限，使得不能实现快速编码，这显然难以满足当今高速通信系统的需求。

图1示出了现有技术的一种采用主动偏振调制方案的偏振编码装置。如图所示，偏振编码装置包括偏振控制器、相位调制器和Sagnac干涉仪。在该装置中，光源输出的光经过偏振控制器(PC)，偏振控制器将输入光的偏振方向调制为45度。经偏振控制器输出的光经单模保偏光纤进入Sagnac干涉仪。Sagnac干涉仪包括保偏偏振分束器(PBS)和Sagnac环路。输入干涉仪的45度偏振的光经偏振分束器分成两个偏振分量，这两个偏振分量分别沿顺时针和逆时针经过相同环路后返回PBS并从PBS输出。干涉仪输出的光再经过一个环形器后输出。设置在Sagnac环路中的相位调制器仅对某个方向传输的光脉冲分量进行调制，而对另一个分量不作用，从而调节两个分量之间的相对相位，实现能够借助干涉仪实现偏振调制。

这种主动调制方案利用Sagnac环来补偿相位变化，偏振调制的效果较好，且性能稳定，但是其对电子学调制的精度和光路的校准要求很高。例如，这种方案要求将输入光的偏振方向精确地调制为45度，电子学调制信号要与光脉冲信号到达相位调制器的时间关系稳定而准确，使得光路稳定性要求较高，电子学调制难度较高。而从时间维度上来看，由于电子学调制只针对其中一个方向的光脉冲，在另一方向的光脉冲到达时需要及时撤掉，这使得在确保电调制信号准确而稳定的情况下，系统速率不可太高，限制了带宽，难以满足高速通信系统的要求。

发明内容

针对现有技术中的上述解决方案中存在不足，本发明提出了一种用于光通信(尤其是量子通信)的偏振编码装置和方法，其可以实现装置结构简单、可软硬件控制、灵活性好等优点，并且偏振控制器件对控制信号幅度要求不太高，可以满足高速通信系统对速率和带宽的要求，同时对光路和电子学信号的延时控制不太高，可以提供简便的操作。

本发明的一个方面涉及一种用于光通信的偏振编码装置，其可以包括光源1和偏振调制单元2，其中，所述光源1输出用于待编码的光脉冲，所述偏振调制单元2用于对所述光脉冲进行偏振编码且包括等臂干涉仪和相位调制单元25。

所述等臂干涉仪可以包括保偏分束单元21、第一臂22、第二臂23和保偏偏振分束单元24。所述保偏分束单元21用于将所述光脉冲分为两个光脉冲部分。所述第一臂和所述第二臂分别用于保偏地传播所述两个光脉冲部分，且具有相同的光程。所述相位调制单元25被设置用于在所述两个光脉冲部分之间调制出相位差△φ；以及所述保偏偏振分束单元23包括第一输入端、第二输入端和输出端，且被设置成经由所述第一和第二输入端接收所述具有相位差△φ的两个光脉冲部分，以及将其耦合并经由所述输出端输出一路偏振光，其中所述第一输入端和所述第二输入端被设置成分别对准于所述输出端的快轴和慢轴。

所述保偏分束单元21可以被设置成关于光脉冲快轴或者慢轴截止。

优选地，所述相位调制单元为相位调制器，以便能够通过电子调制信号对所述两个光脉冲部分之间的相位差△φ进行调制。

所述光脉冲保偏地从所述光源1传播至所述偏振调制单元2。

优选地，所述相位差△φ可以为0、π/2、π、3π/2之一。

优选地，由所述保偏偏振分束单元23输出的所述偏振光可以具有|H>、|V>、|P>、|N>中的一种偏振态。

偏振编码装置还可以包括强度调制单元3，用于对所述光脉冲部分进行强度调制。优选地，所述强度调制单元3可以为可调衰减器。或者优选地，所述强度调制单元3可以被设置成使得在所述保偏偏振分束单元23的所述第一输入端和所述第二输入端处，所述两个光脉冲部分具有相同的强度。

本发明的另一方面涉及一种用于光通信的偏振编码方法，其包括以下步骤。

步骤一：将待编码的光脉冲分成具有相同偏振态的两个光脉冲部分。

步骤二：在所述两个光脉冲部分之间调制出相位差△φ。以及

步骤三：使具有所述相位差△φ的两个光脉冲部分具有彼此正交的偏振态，并耦合输出一路偏振光，其中，耦合输出的所述偏振光的偏振态与所述相位差△φ有关。

在该方法中，所述光脉冲部分以保偏的方式传播。

在步骤二中，所述光脉冲部分仅存在于相位调制器的快轴或者慢轴中。

优选地，在所述步骤二中，所述相位差△φ可以为0、π/2、π、3π/2中的一个。

优选地，在所述步骤三中，所述偏振光的偏振态可以为|H>、|V>、|P>、|N>之一。

所述步骤三还可以包括使所述两个光脉冲部分分别经由保偏偏振分束单元的两个输入端进入所述保偏偏振分束单元的输出端的快轴和慢轴的步骤。

在所述步骤二和所述步骤三之间还可以包括使具有所述相位差△φ的两个光脉冲部分具有相同强度的步骤。

附图说明

图1示出了现有技术中的一种采用主动偏振调制方案的偏振编码装置；

图2示出了根据本发明的偏振编码装置的结构示意图。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图2示出了根据本发明的偏振编码装置的结构示意图，用于说明本发明的偏振编码装置及方法的原理。

如图所示，偏振编码装置可以包括光源1和偏振调制单元2。其中，光源1与偏振调制单元2之间通过具有保偏效果的光路连接，且作为示例，这种光路可以由保偏光纤来实现。

在本发明的该示例中，偏振调制单元2包括等臂干涉仪。等臂干涉仪可以包括保偏分束单元21、第一臂22、第二臂23和保偏偏振分束单元24。

保偏分束单元21通过保偏光路(例如保偏光纤)与光源1连接，用于接收光源1输出的光脉冲并将其分成两个光脉冲部分。在该示例中，保偏分束单元21可以为保偏分束器的形式，且优选地，其可以具有1:1的分光比，但不局限于此。

两个光脉冲部分随后分别进入第一臂22和第二臂23。第一臂22和第二臂23同样被设置成对于光脉冲具有保偏特性，且具有相同的光程。在此设置下，臂22和23内的两个光脉冲部分可以保持相同的偏振状态。如图所示，在该示例中，臂22和23可以由保偏光纤实现。

根据本发明，为了实现偏振方向的调制，可以在等臂干涉仪的第一臂22和第二臂23中的至少一个上设置相位调制单元25,其被用以对干涉仪内的光脉冲部分进行相位调制，从而在两个光脉冲部分之间调制出相位差△φ，其可以是0-2π中的任意数值，例如0、π/2、π或者3π/2。如图所示，作为示例，相位调制单元25可以设置在第一臂22上。优选地，相位调制单元25可以为相位调制器，使得能够借助电子调制信号提供主动的相位调制。

此外，本发明人经研究进一步提出，保偏分束单元21可以优选设置成对于光脉冲具有快轴或者慢轴截止的特性。

如图所示，作为示例，保偏分束单元21可以为快轴截止的保偏分束器，即，光脉冲经过分束器后，两路光脉冲部分仅由其保偏光纤的慢轴输出。同时，干涉仪的第一臂22和第二臂23的输入端可以分别与分束器的两个输出端对准，以实现慢轴对准。因此，在臂22和23中，光脉冲部分将只沿慢轴传播，而不会如同现有技术中那样同时存在于快慢轴上。在这种设置之下，当设置于臂上的相位调制器25对光脉冲部分进行相位调制时，光脉冲所承受的相位调制量也只会与相位调制器25的慢轴上的相位有关，而与相位调制器25的快轴上的相位无关。因此，通过这种设置，可以避免相位调制器25的快慢轴相位不同导致的相位漂移所带来的影响，从而确保在光脉冲部分之间调制出精确的相位差△φ。

本领域技术人员容易理解，在慢轴截止的情况下也能够实现类似的效果。

随后，臂22和23上经相位调制的两个光脉冲部分到达保偏偏振分束单元24。

保偏偏振分束单元24经由两个输入端接收这两个光脉冲部分，并将其耦合成一路经由输出端输出。

根据本发明，为了实现偏振编码，在保偏偏振分束单元24中，用于接收两个光脉冲部分的两个输入端被设置成分别对准于输出端的快轴和慢轴。在这种设置下，在分束单元24(亦即干涉仪2)的输出端，存在相位差△φ的两个光脉冲部分将分别存在于输出端的快轴和慢轴上，且因此形成偏振方向彼此相互垂直的两个偏振光。同时，当在输出端处进行耦合时，这两个偏振方向彼此垂直的两个偏振光之间的相位差等于两个臂上的光脉冲部分之间调制出的相位差△φ，显然，相位差△φ决定了在输出端耦合的偏振光最终的偏振方向。当相位差△φ可以在0-2π之间进行调制时，显然可以在编码装置输出的偏振光上调制出任意的偏振态。

本领域技术人员容易理解，当通过调制相位差△φ在编码装置的输出端输出偏振态彼此正交(例如|H>、|V>、|P>、|N>)的偏振光时，这种编码即可满足量子密钥分发的编码条件，该偏振编码装置则可以用于量子通信中的量子密钥分发。

为了进一步改善偏振编码效率，偏振编码装置还可以包括强度调制单元3，用于对等臂干涉仪2的两个臂上的光脉冲部分进行强度调制，以使经相位调制的两个光脉冲部分之间具有需要的强度关系，例如使两者的强度相同。

作为示例，在图2所示的设置下，由于臂22上的光脉冲部分在经过相位调制器25时会出现一些光损耗，因此，可以在未经相位调制的另一个臂23上设置可调衰减器3，以使两臂上的光脉冲部分最终具有相同的强度。

通过这种设置，可以在相位差△φ与编码装置最终输出的偏振态之间建立起简单且明确的对应关系，极大地方便偏振编码。例如，可以通过将两个光脉冲部分之间的相位差△φ调制为0、π/2、π或3π/2，从而在输出的偏振光上实现|H>、|V>、|P>或|N>四种偏振态。

在本发明的另一方面，还涉及基于本发明的编码装置的用于光通信(尤其量子通信)的偏振编码方法，其可以包括以下步骤。

步骤一：将用于编码的光脉冲分成具有相同偏振态的两个光脉冲部分。作为示例，可以通过保偏分束器实现光脉冲的分光。优选地，分光比可以为1:1。

步骤二：在两个光脉冲部分之间调制出相位差△φ。作为优选示例，相位差△φ可以为0、π/2、π、3π/2中的一个。

步骤三：使具有相位差△φ的两个光脉冲部分具有彼此正交的偏振态，且最终耦合输出一路偏振光，其中，耦合输出的偏振光的偏振态与相位差△φ有关。作为优选示例，耦合输出的偏振光在相位差△φ为0、π/2、π、3π/2之一时具有偏振态|H>、|V>、|P>、|N>中的一种。

优选地，步骤三可以包括使两个光脉冲部分分别经由保偏偏振耦合器的两个输入端进入所述保偏偏振耦合器的输出端的快轴和慢轴的步骤。作为示例，保偏偏振耦合器可以为保偏偏振分束器。

优选地，步骤二和步骤三之间还可以包括使经相位调制的两个光脉冲部分具有相同强度的步骤。例如，可以通过强度衰减器使具有较大强度的光脉冲部分衰减。

与现有的被动偏振调制方案相比，本发明所提出的偏振编码装置和方法在结构和操作上实现了极大的简化，尤其是避免了多个独立光源存在的光源不同的特性带来的信息安全隐患并且大大减少了严格校准分束器的工作难度。相较于现有的主动偏振调制方案，本发明的偏振编码装置和方法则可以省略将入射光偏振夹角精确调制为45度的要求，降低了对电子学调制信号的延时要求，减少了带宽的限制，十分适合高速光通信系统。并且，通过设置快轴/慢轴截止保偏分束单元来取代传统的保偏偏振分束器(PBS)和偏振控制器的组合，同样简化了光路，降低了操作难度，省略了预先调制45度偏振夹角的复杂要求；同时，还避免相位调制器两轴之间的相位漂移，不用额外增加相位漂移的补偿装置。此外，本发明通过采用等臂干涉仪与相位调制器的组合来取代现有的Sagnac环与相位调制器的组合，增加了带宽，减少了时间窗口的占用，可以满足高速光通信系统的要求。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (16)

1.一种用于光通信的偏振编码装置，其包括光源(1)和偏振调制单元(2)，其中，所述光源(1)输出用于待编码的光脉冲，所述偏振调制单元(2)用于对所述光脉冲进行偏振编码且包括等臂干涉仪和相位调制单元(25)，其特征在于：

所述等臂干涉仪包括保偏分束单元(21)、第一臂(22)、第二臂(23)和保偏偏振分束单元(24)；

所述保偏分束单元(21)用于将所述光脉冲分为两个光脉冲部分；

所述第一臂(22)和所述第二臂(23)分别用于保偏地传播所述两个光脉冲部分，且具有相同的光程；

所述相位调制单元(25)被设置用于在所述两个光脉冲部分之间调制出相位差△φ；以及

所述保偏偏振分束单元(23)包括第一输入端、第二输入端和输出端，且被设置成经由所述第一和第二输入端接收所述具有相位差△φ的两个光脉冲部分，以及将其耦合并经由所述输出端输出一路偏振光，其中所述第一输入端和所述第二输入端被设置成分别对准于所述输出端的快轴和慢轴。

2.如权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述保偏分束单元(21)被设置成关于光脉冲快轴或者慢轴截止。

3.如权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述相位调制单元为相位调制器，以便能够通过电子调制信号对所述两个光脉冲部分之间的相位差△φ进行调制。

4.如权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述光脉冲保偏地从所述光源(1)传播至所述偏振调制单元(2)。

5.如权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述相位差△φ为0、π/2、π、3π/2之一。

6.如权利要求1所述的偏振编码装置，其中，由所述保偏偏振分束单元(23)输出的所述偏振光具有|H>、|V>、|P>、|N>中的一种偏振态。

7.如权利要求1所述的偏振编码装置，其还包括强度调制单元(3)，用于对所述光脉冲部分进行强度调制。

8.如权利要求7所述的偏振编码装置，其中，所述强度调制单元(3)为可调衰减器。

9.如权利要求7所述的偏振编码装置，其中，所述强度调制单元(3)被设置成使得在所述保偏偏振分束单元(23)的所述第一输入端和所述第二输入端处，所述两个光脉冲部分具有相同的强度。

10.一种用于光通信的偏振编码方法，其包括以下步骤：

步骤一，将待编码的光脉冲分成具有相同偏振态的两个光脉冲部分；

步骤二，在所述两个光脉冲部分之间调制出相位差△φ；以及

步骤三，使具有所述相位差△φ的两个光脉冲部分具有彼此正交的偏振态，并耦合输出一路偏振光，其中，耦合输出的所述偏振光的偏振态与所述相位差△φ有关。

11.如权利要求10所述的偏振编码方法，其中，所述光脉冲部分是以保偏的方式传播。

12.如权利要求10所述的偏振编码方法，其中，在所述步骤二中，所述光脉冲部分仅存在于相位调制器的快轴或者慢轴中。

13.如权利要求10所述的偏振编码方法，其中，在所述步骤二中，所述相位差△φ为0、π/2、π、3π/2中的一个。

14.如权利要求10所述的偏振编码方法，其中，在所述步骤三中，所述偏振光的偏振态为|H>、|V>、|P>、|N>之一。

15.如权利要求10所述的偏振编码方法，其中，所述步骤三包括使所述两个光脉冲部分分别经由保偏偏振分束单元的两个输入端进入所述保偏偏振分束单元的输出端的快轴和慢轴的步骤。

16.如权利要求10所述的偏振编码方法，其中，在所述步骤二和所述步骤三之间还包括使具有所述相位差△φ的两个光脉冲部分具有相同强度的步骤。

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