CN111901038A - 相位调制偏振编解码装置和量子密钥分发系统 - Google Patents

相位调制偏振编解码装置和量子密钥分发系统 Download PDF

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Abstract

一种相位调制偏振编解码装置和量子密钥分发系统，所述装置包括：光传输装置、相位调制器和反射装置，光传输装置包括第一、第二和第三端口，第一端口接收输入光脉冲，第二端口将光脉冲通过第一保偏传输光路传输至反射装置，接收传输回的光脉冲并传输至第三端口；反射装置中的偏振分束器的输入端口耦合至第一保偏传输光路，其两个输出端口经第二保偏传输光路光耦合，第二保偏传输光路由扭转90度、包含奇数个90度熔接点或者包含半波片的保偏光纤形成；相位调制器设置在第一或第二保偏传输光路上并具有两个端口，仅对两个端口之一输入的光脉冲调制，或对两个端口输入的光脉冲进行不同相位调制。能够通过相位调制更快地调制光脉冲偏振态。

Description

相位调制偏振编解码装置和量子密钥分发系统
技术领域
本发明涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种相位调制偏振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。
偏振编码量子密钥分发采用两组正交偏振态进行编码，随着技术发展和应用需求，高速量子密钥分发成为一个趋势，对偏振编码而言需要随机高速产生四种偏振态的光脉冲。常规地采用四个激光器、每个激光器产生一种偏振态的方案，但因四个激光器存在的不一致性，如中心波长不一致，会导致密钥分发的安全性遭到威胁。通过单个激光器实现光脉冲偏振态的高速稳定调制是偏振编码量子密钥分发应用的重要问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种相位调制偏振编解码装置和基于该装置的量子密钥分发系统，以解决偏振编码量子密钥分发系统中采用单个激光器实现高速稳定调制光脉冲偏振态的难题。
本发明提供至少以下技术方案：
1.一种相位调制偏振编解码装置，包括：光传输装置、相位调制器、反射装置、以及与所述光传输装置和所述反射装置光耦合的第一保偏传输光路，
所述光传输装置包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光传输装置的第一端口被设置用于接收一路输入光脉冲，所述光传输装置的第二端口被设置用于将所接收的输入光脉冲通过所述第一保偏传输光路传输至所述反射装置，所述光传输装置的第二端口进一步用于接收经所述第一保偏传输光路传输回的光脉冲，所述光传输装置将传输回到所述光传输装置的第二端口的光脉冲传输至所述光传输装置的第三端口输出；
所述反射装置为偏振正交旋转反射装置，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，所述偏振分束器的输入端口耦合至所述第一保偏传输光路，偏振分束器的两个输出端口经第二保偏传输光路彼此光耦合，所述第二保偏传输光路由扭转90度的保偏光纤、包含奇数个90度熔接点的保偏光纤或者包含半波片的保偏光纤形成；
所述相位调制器设置在所述第一保偏传输光路上或设置在所述第二保偏传输光路上，所述相位调制器具有两个端口，所述相位调制器被设置用于仅对经由所述两个端口之一输入的光脉冲进行调制，或对经由所述两个端口输入的光脉冲进行不同的相位调制。
2.根据方案1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述第一保偏传输光路为第一保偏光纤。
3.根据方案1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述光传输装置为光环形器或光耦合器。
4.根据方案1或3所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述光传输装置为保偏器件，其端口为自由空间端口或保偏光纤端口。
5.根据方案2所述的相位调制偏振编解码装置，其中，经由所述光传输装置的第二端口输出的光脉冲沿所述第一保偏光纤的慢轴和快轴投影的振幅分量的大小相同、相对相位为任意相位。
6.根据方案5所述的相位调制偏振编解码装置，其中，经由所述光传输装置的第二端口输出的光脉冲为圆偏振态或者为与所述第一保偏光纤的慢轴或快轴夹角为45度的线偏振态。
7.根据方案1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，在所述第二保偏传输光路由扭转90度的保偏光纤形成时，所述偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输。
8.根据方案1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，在所述第二保偏传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成或由包含半波片的保偏光纤形成时，所述偏振分束器两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述保偏光纤一端的慢轴传输，所述偏振分束器两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述保偏光纤另一端的快轴传输。
9.根据方案1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，在所述相位调制器位于所述第一保偏光纤上时，所述相位调制器为双折射相位调制器；在所述相位调制器位于所述第二保偏传输光路上时，所述相位调制器为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。
10.一种量子密钥分发系统，包括发射端和接收端，其中：
在所述发射端设置有根据方案1-9中任一项所述的相位调制偏振编解码装置用于偏振编码；和/或
在所述接收端设置有根据方案1-9中任一项所述的相位调制偏振编解码装置用于偏振解码或者偏振解码选基。
11.根据方案10所述的量子密钥分发系统，其中：
在用于偏振解码时，所述量子密钥分发系统的接收端还包括与所述相位调制偏振编解码装置光耦合的起偏器以及与该起偏器光耦合的一个单光子探测器；或者，
在用于偏振解码选基时，所述量子密钥分发系统的接收端还包括与所述相位调制偏振编解码装置光耦合的偏振分束器和与该偏振分束器光耦合的两个单光子探测器。
本发明通过创造性的配置，采用设置在所述第一保偏传输光路上或设置在所述第二保偏传输光路上的相位调制器，所述相位调制器具有两个端口，所述相位调制器被配置用于仅对经由所述两个端口之一输入的光脉冲进行调制，或对经由所述两个端口输入的光脉冲进行不同的相位调制，使得能够通过相位调制实现光脉冲偏振态的高速调制，并且通过采用偏振正交旋转反射装置实现偏振态调制与所述第一保偏传输光路和所述第二保偏传输光路干扰无关。使用本发明的相位调制偏振编解码装置和相应的量子密钥分发系统，能够容易地通过调制相位实现高速稳定调制光脉冲偏振态的技术效果，解决上述提到的采用单个激光器难以高速稳定调制光脉冲偏振态的技术问题。本发明提供了一种易于实现和应用的相位调制偏振编解码装置和相应的量子密钥分发系统的方案。
附图说明
图1为本发明一实施方案的相位调制偏振编解码装置的组成结构示意图；
图2为本发明另一实施方案的相位调制偏振编解码装置的组成结构示意图；
图3为本发明再一实施方案的相位调制偏振编解码装置的组成结构示意图；
图4为本发明一实施方案的量子密钥分发系统的组成结构示意图；
图5为本发明另一实施方案的量子密钥分发系统的组成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的实施方案，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施方案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。
根据本发明的一方面，提供一种相位调制偏振编解码装置，其包括：光传输装置、相位调制器、反射装置、以及与所述光传输装置和所述反射装置光耦合的第一保偏传输光路。
具体地，所述光传输装置包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光传输装置的第一端口被设置用于接收一路输入光脉冲，所述光传输装置的第二端口被设置用于将所接收的输入光脉冲通过所述第一保偏传输光路传输至所述反射装置，所述光传输装置的第二端口进一步用于接收经所述第一保偏传输光路传输回的光脉冲，所述光传输装置将传输回到所述光传输装置的第二端口的光脉冲传输至所述光传输装置的第三端口输出。
所述反射装置为偏振正交旋转反射装置，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，所述偏振分束器的输入端口耦合至所述第一保偏传输光路，偏振分束器的两个输出端口经第二保偏传输光路彼此光耦合，所述第二保偏传输光路由扭转90度的保偏光纤、包含奇数个90度熔接点的保偏光纤或者包含半波片的保偏光纤形成(如下面结合图1-3所描述的)。所述偏振正交旋转反射装置能够用于将从偏振分束器输出至第二保偏传输光路的光脉冲的两个正交偏振态进行偏振正交旋转反射，使得经过所述偏振正交旋转反射装置的反射后，该路光脉冲的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态，并且反射后的两个正交偏振态之间的相位与反射前的两个正交偏振态之间的相位相同。
所述相位调制器可以设置在所述第一保偏传输光路上或设置在所述第二保偏传输光路上，所述相位调制器具有两个端口，所述相位调制器被设置用于仅对经由所述两个端口之一输入的光脉冲进行调制，或对经由所述两个端口输入的光脉冲进行不同的相位调制。
优选地，所述第一保偏传输光路为第一保偏光纤。
优选地，所述光传输装置为光环形器或光耦合器。另外，优选地，所述光传输装置为保偏器件，所述光传输装置的第一端口、第二端口和第三端口可以为自由空间端口或保偏光纤端口。
在一个实施方案中，经由所述光传输装置的第二端口输出的光脉冲沿所述第一保偏光纤的慢轴和快轴投影的振幅分量的大小相同、相对相位为任意相位。下面对沿所述第一保偏光纤的慢轴和快轴投影的振幅分量的大小相同、相对相位为任意相位的光脉冲进行举例说明。假设沿保偏光纤慢轴和快轴传输的偏振光分别为x偏振态和y偏振态，分别用
Figure BDA0002227278510000051
表示。光脉冲的振幅可表示为
Figure BDA0002227278510000052
其中A、B分别表示x偏振态和y偏振态的振幅大小且A＝B，相对相位
Figure BDA0002227278510000053
为任意相位。从而投影到保偏光纤慢轴的振幅分量为A，投影到保偏光纤快轴的振幅分量为
Figure BDA0002227278510000054
两个振幅分量的大小相同、相对相位为任意相位。
在一个实施方案中，经由所述光传输装置的第二端口输出的光脉冲为圆偏振态或者为与所述第一保偏光纤的慢轴或快轴夹角为45度的线偏振态。
在一个实施方案中，在所述第二保偏传输光路由扭转90度的保偏光纤(例如图1所示的第二保偏光纤105)形成时，所述偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输。
在一个实施方案中，在所述第二保偏传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤(例如图2所示的第二保偏光纤205)形成或由包含半波片的保偏光纤(例如图3所示的第二保偏光纤305)形成时，所述偏振分束器两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述保偏光纤一端的慢轴传输，所述偏振分束器两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述保偏光纤另一端的快轴传输。
在一个实施方案中，在所述相位调制器位于所述第一保偏光纤上时，所述相位调制器为双折射相位调制器；在所述相位调制器位于第二保偏传输光路上时，所述相位调制器为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。单偏振相位调制器对一个偏振态施加相位调制、对另一个偏振态截止。双折射相位调制器适于对通过其的光脉冲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双折射相位调制器，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，可以对通过该铌酸锂双折射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。
下面将结合具体的实施方案对本发明的相位调制偏振编解码装置进行说明，虽然图1-图3中所示的相位调制器均位于第二保偏光纤上，但是本领域技术人员根据本发明的教导应明了，本发明也涵盖所述相位调制器位于第一保偏传输光路上的技术方案，如随附的权利要求中明确限定的。
本发明一个实施方案的相位调制偏振编解码装置如图1所示，包括以下组成部分：光环形器102；第一保偏光纤103；以及位于反射装置中的偏振分束器104、90度扭转的第二保偏光纤105和相位调制器106。
光环形器102包含三个端口，分别为第一端口A、第二端口B和第三端口C。光环形器102的第一端口A(即，端口101)为相位调制偏振编解码装置的输入端口。光环形器的第三端口C(即，端口108)为相位调制偏振编解码装置的输出端口。输入至光环形器102的第一端口A的光脉冲从光环形器102的第二端口B输出至第一保偏光纤103，从第一保偏光纤103返回的光脉冲输入至光环形器102的第二端口B并从光环形器102的第三端口C输出。
在本文中，反射装置指的是偏振正交旋转反射装置，所述偏振正交旋转反射装置能够将一路输入光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转反射，使得经过所述偏振正交旋转反射装置的反射后，该路光脉冲的两个正交偏振态分别变换成与其正交的偏振态，并且反射后的两个正交偏振态之间的相位与反射前的两个正交偏振态之间的相位相同。举例而言，假设输入光脉冲的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光脉冲的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光脉冲的y偏振态在偏振正交旋转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，并且反射后光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位与反射前x偏振态和y偏振态之间的相位相同。
在图1所示的实施方案中，所述偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器104和90度扭转的第二保偏光纤105。所述偏振分束器104包含一个输入端口和两个输出端口，例如输入端口为第一端口F，两个输出端口为第二端口G和第三端口H。90度扭转的第二保偏光纤105的两端分别与偏振分束器104的第二端口G和第三端口H光耦合；偏振分束器104的第二端口G和第三端口H输出的光脉冲均与90度扭转的第二保偏光纤105的慢轴光耦合，或者偏振分束器104的第二端口G和第三端口H输出的光脉冲均与90度扭转的第二保偏光纤105的快轴光耦合。
相位调制器106设置在90度扭转的第二保偏光纤105的传输光路上，相位调制器106具有两个端口分别为端口D和端口E，相位调制器106仅对由端口D或端口E中之一输入的光脉冲进行相位调制，或者对由端口D和端口E输入的光脉冲进行不同的相位调制。相位调制器106的慢轴与90度扭转的第二保偏光纤105的慢轴或快轴光耦合。由端口D和端口E输入相位调制器106的光脉冲均通过90度扭转的第二保偏光纤105的慢轴输入相位调制器106，或者均通过90度扭转的第二保偏光纤105的快轴输入相位调制器106。相位调制器106可以为单偏振相位调制器或者双折射相位调制器。单偏振相位调制器对一个偏振态施加相位调制、对另一个偏振态截止。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。
第一保偏光纤103的一端与光环形器102的第二端口B光耦合，第一保偏光纤103的另一端与偏振分束器104的第一端口F光耦合。优选的，第一保偏光纤103的慢轴与偏振分束器104的本征偏振态之一的极化方向的夹角为0度。有利地，光环形器102为保偏光器件。
在一种可能的实施方式中，光脉冲从光环形器102的第一端口A(也即端口101)输入相位调制偏振编解码装置，由光环形器102的第二端口B输出至第一保偏光纤103并且传输至偏振分束器104的第一端口F，光环形器102的第二端口B输出的光脉冲的偏振态与第一保偏光纤103的慢轴的夹角为45度。偏振分束器104将由第一端口F输入的光脉冲偏振分束为第一分量光脉冲和第二分量光脉冲。第一分量光脉冲可以例如由偏振分束器104的第二端口G输出耦合至90度扭转的第二保偏光纤105的慢轴，第二分量光脉冲可以例如由偏振分束器104的第三端口H输出耦合至90度扭转的第二保偏光纤105的慢轴。
例如，第一分量光脉冲由偏振分束器104的第二端口G输出后经90度扭转的第二保偏光纤105的慢轴传输至相位调制器106的端口D，并由相位调制器106的端口D输入相位调制器106进行相位调制，相位调制后的第一分量光脉冲沿90度扭转的第二保偏光纤105的慢轴传输至偏振分束器104的第三端口H。第二分量光脉冲由偏振分束器104的第三端口H输出后经90度扭转的第二保偏光纤105的慢轴传输至相位调制器106的端口E，并由相位调制器106的端口E输入相位调制器106。相位调制器106对经由端口E输入的第二分量光脉冲不进行相位调制或者对其进行与经由端口D输入的第一分量光脉冲不同的相位调制，然后第二分量光脉冲由相位调制器106的端口D输出并沿90度扭转的第二保偏光纤105的慢轴传输至偏振分束器104的第二端口G。沿90度扭转的第二保偏光纤105慢轴传输至偏振分束器104的第三端口H的第一分量光脉冲和沿90度扭转的第二保偏光纤105慢轴传输至偏振分束器104的第二端口G的第二分量光脉冲经由偏振分束器104合束后由偏振分束器104的第一端口F输出。从偏振分束器104的第一端口F输出的光脉冲经第一保偏光纤103传输至光环形器102的第二端口B，并由光环形器102的第三端口C输出。
由于偏振正交旋转反射装置为能够将输入的光脉冲的两个偏振态分别进行偏振正交旋转反射的装置，所以相位调制器106和第一保偏光纤103、第二保偏光纤105的慢轴和快轴引起的光脉冲的两个分量之间的(未调制时存在的固有的)相位差以及插损不一致能够自动补偿。由此，光脉冲的偏振调制仅与相位调制器106对光脉冲的两个分量(第一分量光脉冲和第二分量光脉冲)调制的相位差相关，从而可以实现稳定的偏振态调制。通过使用相位调制器106对通过其两个端口之一传输来的光脉冲进行相位调制，或者对通过其两个端口传输来的光脉冲进行不同的相位调制，能够使用相位调制器106来进行高速调制光脉冲两个正交偏振态之间的相位差，进而实现高速偏振态调制。
在替代实施例中，如果将光环形器102替换为1×2光耦合器，上述结果不受影响。
本发明另一实施方案的相位调制偏振编解码装置如图2所示，包括以下组成部分：光环形器202；第一保偏光纤203；以及位于反射装置中的偏振分束器204、第二保偏光纤205、相位调制器206和90度熔接点209。
与图1中的光环形器102类似，图2中的光环形器202包含三个端口，分别为第一端口A、第二端口B和第三端口C。光环形器202的第一端口A(即，端口201)为相位调制偏振编解码装置的输入端口。光环形器的第三端口C(即，端口208)为相位调制偏振编解码装置的输出端口。输入至光环形器202的第一端口A的光脉冲从光环形器202的第二端口B输出至第一保偏光纤203，从第一保偏光纤203返回的光脉冲输入至光环形器202的第二端口B并从光环形器202的第三端口C输出。
在图2所示的实施方案中，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器204、第二保偏光纤205和设置在所述第二保偏光纤205中的90度熔接点209。图2中示出的反射装置与图1中示出的反射装置的不同之处至少在于，图2中的第二保偏光纤205包括奇数个90度熔接点，例如包括一个90度熔接点209。图2中的偏振分束器204包含一个输入端口和两个输出端口，例如偏振分束器204的输入端口为第一端口F，两个输出端口为第二端口G和第三端口H。第二保偏光纤205的两端分别与偏振分束器204的第二端口G和第三端口H光耦合。在一个实施例中，偏振分束器204的第二端口G输出的光脉冲与第二保偏光纤205的慢轴光耦合，偏振分束器204的第三端口H输出的光脉冲与第二保偏光纤205的快轴光耦合。或者，偏振分束器204的第二端口G输出的光脉冲与第二保偏光纤205的快轴光耦合，偏振分束器204的第三端口H输出的光脉冲与第二保偏光纤205的慢轴光耦合。
在第二保偏光纤205的传输光路上设置90度熔接点209，90度熔接点209由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。90度熔接点209可以将沿第二保偏光纤205慢轴输入至90度熔接点209的光脉冲变换到沿第二保偏光纤205快轴输出；90度熔接点209也可以将沿第二保偏光纤205快轴输入至90度熔接点209的光脉冲变换到沿第二保偏光纤205慢轴输出。
相位调制器206设置在第二保偏光纤205的传输光路上，相位调制器206具有两个端口分别为端口D和端口E，相位调制器206仅对由端口D或端口E中之一输入的光脉冲进行相位调制，或者对由端口D和端口E输入的光脉冲进行不同的相位调制。相位调制器206的慢轴与第二保偏光纤205的慢轴或快轴光耦合。由端口D和端口E输入相位调制器206的光脉冲均通过第二保偏光纤205的慢轴输入相位调制器206或者均通过第二保偏光纤205的快轴输入相位调制器206。相位调制器206可以为单偏振相位调制器或者双折射相位调制器。单偏振相位调制器对一个偏振态施加相位调制、对另一个偏振态截止。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。如果相位调制器206与90度熔接点209改变连接顺序，结果不受影响。
第一保偏光纤203一端与光环形器202的第二端口B光耦合，第一保偏光纤203另一端与偏振分束器204的第一端口F光耦合。优选的，第一保偏光纤203的慢轴与偏振分束器204的本征偏振态之一的极化方向的夹角为0度。有利地，光环形器202为保偏光器件。
在一种可能的实施方式中，光脉冲从光环形器202的第一端口A(也即端口201)输入相位调制偏振编解码装置，由光环形器202的第二端口B输出至第一保偏光纤203并且传输至偏振分束器204的第一端口F，光环形器202的第二端口B输出的光脉冲的偏振态与第一保偏光纤203的慢轴的夹角为45度。偏振分束器204将由第一端口F输入的光脉冲偏振分束为第一分量光脉冲和第二分量光脉冲。第一分量光脉冲可以例如由偏振分束器204的第二端口G输出光耦合至第二保偏光纤205的慢轴，第二分量光脉冲可以例如由偏振分束器204的第三端口H输出光耦合至第二保偏光纤205的快轴。
例如，第一分量光脉冲由偏振分束器204的第二端口G输出后经第二保偏光纤205的慢轴传输至相位调制器206的端口D，并由相位调制器206的端口D输入相位调制器206进行相位调制，相位调制后的第一分量光脉冲沿
第二保偏光纤205的慢轴传输至90度熔接点209，经90度熔接点209后输出至第二保偏光纤205的快轴，经第二保偏光纤205的快轴传输至偏振分束器204的第三端口H。第二分量光脉冲由偏振分束器204的第三端口H输出后经第二保偏光纤205的快轴传输至90度熔接点209，经90度熔接点209后输出至第二保偏光纤205的慢轴，经第二保偏光纤205的慢轴传输至相位调制器206的端口E，并由相位调制器206的端口E输入相位调制器206，相位调制器206对经由端口E输入的第二分量光脉冲不进行相位调制或者对其进行与经由端口D输入的第一分量光脉冲不同的相位调制，然后第二分量光脉冲经由相位调制器206的端口D输出并沿第二保偏光纤205的慢轴传输至偏振分束器204的第二端口G。沿第二保偏光纤205快轴传输至偏振分束器204的第三端口H的第一分量光脉冲和沿第二保偏光纤205慢轴传输至偏振分束器204的第二端口G的第二分量光脉冲由偏振分束器204合束后由偏振分束器204的第一端口F输出。由偏振分束器204的第一端口F输出的光脉冲经第一保偏光纤203传输至光环形器202的第二端口B，并由光环形器202的第三端口C也即端口208输出。
如果将光环形器202替换为1×2光耦合器，上述结果不受影响。
本发明再一实施方案的相位调制偏振编解码装置如图3所示，包括以下组成部分：光环形器302；第一保偏光纤303；以及位于反射装置中的偏振分束器304、第二保偏光纤305、相位调制器306和半波片307。
与图1中的光环形器102和图2中的光环形器202类似，图3中的光环形器302包含三个端口，分别为第一端口A、第二端口B和第三端口C。光环形器302的第一端口A(即，端口301)为相位调制偏振编解码装置的输入端口。光环形器的第三端口C(即，端口308)为相位调制偏振编解码装置的输出端口。输入至光环形器302的第一端口A的光脉冲从光环形器302的第二端口B输出至第一保偏光纤303，从第一保偏光纤303返回的光脉冲输入至光环形器302的第二端口B并从光环形器302的第三端口C输出。
在图3所示的实施方案中，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器304、第二保偏光纤305和设置在所述第二保偏光纤305中的半波片307。图3中示出的反射装置与图1和图2中示出的反射装置的不同之处至少在于，图3中的第二保偏光纤305包括半波片307。图3中的偏振分束器304包含一个输入端口和两个输出端口，例如偏振分束器304的输入端口为第一端口F，两个输出端口为第二端口G和第三端口H。第二保偏光纤305的两端分别与偏振分束器304的第二端口G和第三端口H光耦合。在一个实施例中，偏振分束器304的第二端口G输出的光脉冲与第二保偏光纤305的慢轴光耦合，偏振分束器304的第三端口H输出的光脉冲与第二保偏光纤305的快轴光耦合。或者，偏振分束器304的第二端口G输出的光脉冲与第二保偏光纤305的快轴光耦合，偏振分束器304的第三端口H输出的光脉冲与第二保偏光纤305的慢轴光耦合。
半波片307设置在第二保偏光纤305的传输光路上，半波片307的快轴或慢轴与第二保偏光纤305的慢轴的夹角为45度。半波片307可以将沿第二保偏光纤305慢轴输入至半波片307的光脉冲变换到沿第二保偏光纤305快轴输出；半波片307也可以将沿第二保偏光纤305快轴输入至半波片307的光脉冲变换到沿第二保偏光纤305慢轴输出。
相位调制器306设置在第二保偏光纤305的传输光路上，相位调制器306具有两个端口分别为端口D和端口E，相位调制器306仅对由端口D或端口E中之一输入的光脉冲进行相位调制，或者对由端口D和端口E输入的光脉冲进行不同的相位调制。相位调制器306的慢轴与第二保偏光纤305的慢轴或快轴光耦合。由端口D和端口E输入相位调制器306的光脉冲均通过第二保偏光纤305的慢轴输入相位调制器306或者均通过第二保偏光纤305的快轴输入相位调制器306。相位调制器306可以为单偏振相位调制器或者双折射相位调制器。单偏振相位调制器对一个偏振态施加相位调制、对另一个偏振态截止。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。如果相位调制器306与半波片307改变连接顺序，结果不受影响。
第一保偏光纤303一端与光环形器302的第二端口B光耦合，第一保偏光纤303另一端与偏振分束器304的第一端口F光耦合。优选的，第一保偏光纤303的慢轴与偏振分束器304的本征偏振态之一的极化方向的夹角为0度。有利地，光环形器302为保偏光器件。
在一种可能的实施方式中，光脉冲从光环形器302的第一端口A(也即端口301)输入相位调制偏振编解码装置，由光环形器302的第二端口B输出至第一保偏光纤303并且传输至偏振分束器304的第一端口F。优选的，光环形器302的第二端口B输出的光脉冲的偏振态与第一保偏光纤303的慢轴的夹角为45度。偏振分束器304将由第一端口F输入的光脉冲偏振分束为第一分量光脉冲和第二分量光脉冲。第一分量光脉冲可以例如由偏振分束器304的第二端口G输出光耦合至第二保偏光纤305的慢轴，第二分量光脉冲可以例如由偏振分束器304的第三端口H输出光耦合至第二保偏光纤305的快轴。
例如，第一分量光脉冲由偏振分束器304的第二端口G输出后经第二保偏光纤305的慢轴传输至相位调制器306的端口D，并由相位调制器306的端口D输入相位调制器306进行相位调制，相位调制后的第一分量光脉冲沿
第二保偏光纤305的慢轴传输至半波片307，经半波片307变换后输出至第二保偏光纤305的快轴，经第二保偏光纤305的快轴传输至偏振分束器304的第三端口H。第二分量光脉冲由偏振分束器304的第三端口H输出后经第二保偏光纤305的快轴传输至半波片307，经半波片307变换后输出至第二保偏光纤305的慢轴，经第二保偏光纤305的慢轴传输至相位调制器306的端口E，并由相位调制器306的端口E输入相位调制器306，相位调制器306对经由端口E输入的第二分量光脉冲不进行相位调制或者对其进行与经由端口D输入的第一分量光脉冲不同的相位调制，然后第二分量光脉冲由相位调制器306的端口D输出并沿第二保偏光纤305的慢轴传输至偏振分束器304的第二端口G。沿第二保偏光纤305快轴传输至偏振分束器304的第三端口H的第一分量光脉冲和沿第二保偏光纤305慢轴传输至偏振分束器304的第二端口G的第二分量光脉冲由偏振分束器304合束后由偏振分束器304的第一端口F输出。由偏振分束器304的第一端口F输出的光脉冲经第一保偏光纤303传输至光环形器302的第二端口B，并由光环形器302的第三端口C也即端口308输出。
如果将光环形器302替换为1×2光耦合器，上述结果不受影响。
对于其中相位调制器设置在第一保偏传输光路上的未示出的替代实施方案，其工作过程类似于上述结合图1、2或3描述的实施方案的工作过程。为简化起见，未对其进行详细描述。本领域技术人员能够想到，上述公开内容及其各种变型也可以适用于其中相位调制器设置在第一保偏传输光路上的替代实施方案。
本发明的另一方面，提供一种量子密钥分发系统，包括发射端和接收端，其中：在所述发射端设置有上述的相位调制偏振编解码装置用于偏振编码；和/或在所述接收端设置有上述的相位调制偏振编解码装置用于偏振解码或者偏振解码选基。
在一个实施方案中，在用于偏振解码时，所述量子密钥分发系统的接收端还包括与所述相位调制偏振编解码装置光耦合的起偏器以及与该起偏器光耦合的一个单光子探测器；或者，在用于偏振解码选基时，所述量子密钥分发系统的接收端还包括与所述相位调制偏振编解码装置光耦合的偏振分束器和与该偏振分束器光耦合的两个单光子探测器。
图4示出本发明一实施方案的量子密钥分发系统的组成结构示意图。图4中所示的量子密钥分发系统包括以下组成部分：激光器401、强度调制器402、偏振编码器403、衰减器404、量子信道405、偏振控制器406、偏振解码选基装置407、偏振分束器408以及单光子探测器409和410。
具体地，激光器401、强度调制器402、偏振编码器403和衰减器404被设置在量子密钥分发系统的发射端，其中：激光器401用于产生光脉冲；强度调制器402用于对激光器401产生的光脉冲随机进行强度调制产生诱骗态；偏振编码器403为上述的相位调制偏振编解码装置，其可以用于对光脉冲进行偏振编码；衰减器404用于将光脉冲衰减到单光子状态输出。
量子信道405被设置在量子密钥分发系统的发射端和接收端之间，用于传输单光子光脉冲。量子信道405可以是光波导、光纤、自由空间、分立光学元件、平面波导光学元件、纤维光学元件或上述中任意两个以上组合成的光传播通道。
偏振控制器406、偏振解码选基装置407、偏振分束器408以及单光子探测器409和410被设置在量子密钥分发系统的接收端，其中：偏振控制器406用于调控单光子光脉冲的偏振态；偏振解码选基装置407为上述的相位调制偏振编解码装置，其可以用于对单光子光脉冲进行偏振解码选基；偏振分束器408用于将单光子光脉冲偏振分束后输出至单光子探测器，与偏振解码选基装置407一起构成偏振解码装置；单光子探测器409和410用于对偏振分束器408输出的单光子光脉冲进行探测，并根据探测结果以及量子密钥分发协议进行量子密钥分发。
在工作中，在发射端，激光器401发射光脉冲进入强度调制器402，强度调制器402对光脉冲随机进行强度调制产生信号态和诱骗态并输出至偏振编码器403。偏振编码器403对光脉冲随机进行四种偏振态编码(例如编码到±45度线偏振态和左/右旋圆偏振态)后输出至衰减器404。衰减器404将编码后的光脉冲衰减为单光子光脉冲(例如衰减到每脉冲平均0.1个光子)后输出至量子信道405。量子信道405可以为单模光纤或自由空间，单光子光脉冲经量子信道405传输至接收端进行偏振解码。
在接收端，单光子光脉冲输入偏振控制器406，偏振控制器406用于补偿单光子光脉冲偏振解码前偏振态受量子信道和发射端、接收端光路双折射的影响而导致的偏振态变化。从偏振控制器406输出的单光子光脉冲输入偏振解码选基装置407进行偏振解码选基(例如选择对应±45度线偏振态编码的对角基和对应左/右旋圆偏振态的圆偏振基)。从偏振解码选基装置407输出的单光子光脉冲输入偏振分束器408进行偏振分束，经偏振分束器408偏振分束后的光脉冲输入至单光子探测器409或410进行结果探测。偏振编码器403和偏振解码选基装置407均可以通过上述结合图1所描述的相位调制偏置编解码装置实现，并且按照量子密钥分发协议分别对光脉冲进行偏振编码和偏振解码选基，从而根据量子密钥分发协议进行密钥分发。
图5示出本发明另一实施方案的量子密钥分发系统的组成结构示意图。图5中所示的量子密钥分发系统包括以下组成部分：激光器501、强度调制器502、偏振编码器503、衰减器504、量子信道505、偏振控制器506、偏振解码器507、起偏器508，以及单光子探测器509。
具体地，类似于图4中的发射端，在图5中，激光器501、强度调制器502、偏振编码器503、衰减器504被设置在量子密钥分发系统的发射端，其中激光器501用于产生光脉冲；强度调制器502用于对激光器501产生的光脉冲随机进行强度调制产生诱骗态；偏振编码器503为上述的相位调制偏振编解码装置，用于对光脉冲进行偏振编码；衰减器504用于将光脉冲衰减到单光子状态输出。
类似于图4中的量子信道，量子信道505被设置在量子密钥分发系统的发射端和接收端之间，用于传输单光子光脉冲。量子信道505也可以是光波导、光纤、自由空间、分立光学元件、平面波导光学元件、纤维光学元件或上述中任意两个以上组合成的光传播通道。
偏振控制器506、偏振解码器507、起偏器508，以及单光子探测器509被设置在量子密钥分发系统的接收端，其中：偏振控制器506用于调控单光子光脉冲的偏振态；偏振解码器507为上述的相位调制偏振编解码装置，其用于对单光子光脉冲进行偏振解码；起偏器508用于对单光子光脉冲进行起偏输出；单光子探测器509用于对起偏器508输出的单光子光脉冲进行探测，并根据探测结果以及量子密钥分发协议进行量子密钥分发。
在工作中，类似于图4中的发射端，在图5中的发射端，激光器501发射光脉冲进入强度调制器502，强度调制器502对光脉冲随机进行强度调制，产生信号态和诱骗态并输出至偏振编码器503。偏振编码器503对光脉冲随机进行四种偏振态编码(例如编码到±45度线偏振态和左/右旋圆偏振态)后输出至衰减器504。衰减器504将编码后的光脉冲衰减为单光子光脉冲(例如衰减到每脉冲平均0.1个光子)后输出至量子信道505。量子信道505可以为单模光纤或自由空间，单光子光脉冲经量子信道505传输至接收端进行偏振解码。
在接收端，单光子光脉冲输入偏振控制器506，偏振控制器506用于补偿单光子光脉冲偏振解码前偏振态受量子信道和发射端、接收端光路双折射的影响而导致的偏振态变化。从偏振控制器506输出的单光子光脉冲输入偏振解码器507进行偏振解码(例如对±45度线偏振态和对左/右旋圆偏振态进行解码)。从偏振解码器507输出的单光子光脉冲输入起偏器508进行起偏，经起偏器508起偏后的光脉冲输入至单光子探测器509进行探测。偏振编码器503和偏振解码器507按照量子密钥分发协议分别对光脉冲进行偏振编码和偏振解码，并根据量子密钥分发协议进行密钥分发。
本文中，由“保偏光纤”形成的传输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。
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)

1.一种相位调制偏振编解码装置，包括：光传输装置、相位调制器、反射装置、以及与所述光传输装置和所述反射装置光耦合的第一保偏传输光路，
所述光传输装置包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光传输装置的第一端口被设置用于接收一路输入光脉冲，所述光传输装置的第二端口被设置用于将所接收的输入光脉冲通过所述第一保偏传输光路传输至所述反射装置，所述光传输装置的第二端口进一步用于接收经所述第一保偏传输光路传输回的光脉冲，所述光传输装置将传输回到所述光传输装置的第二端口的光脉冲传输至所述光传输装置的第三端口输出；
所述反射装置为偏振正交旋转反射装置，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，所述偏振分束器的输入端口耦合至所述第一保偏传输光路，偏振分束器的两个输出端口经第二保偏传输光路彼此光耦合，所述第二保偏传输光路由扭转90度的保偏光纤、包含奇数个90度熔接点的保偏光纤或者包含半波片的保偏光纤形成；
所述相位调制器设置在所述第一保偏传输光路上或设置在所述第二保偏传输光路上，所述相位调制器具有两个端口，所述相位调制器被设置用于仅对经由所述两个端口之一输入的光脉冲进行调制，或对经由所述两个端口输入的光脉冲进行不同的相位调制。
2.根据权利要求1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述第一保偏传输光路为第一保偏光纤。
3.根据权利要求1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述光传输装置为光环形器或光耦合器。
4.根据权利要求1或3所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述光传输装置为保偏器件，其端口为自由空间端口或保偏光纤端口。
5.根据权利要求2所述的相位调制偏振编解码装置，其中，经由所述光传输装置的第二端口输出的光脉冲沿所述第一保偏光纤的慢轴和快轴投影的振幅分量的大小相同、相对相位为任意相位。
6.根据权利要求5所述的相位调制偏振编解码装置，其中，经由所述光传输装置的第二端口输出的光脉冲为圆偏振态或者为与所述第一保偏光纤的慢轴或快轴夹角为45度的线偏振态。
7.根据权利要求1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，在所述第二保偏传输光路由扭转90度的保偏光纤形成时，所述偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的慢轴传输或均耦合至所述扭转90度的保偏光纤的快轴传输。
8.根据权利要求1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，在所述第二保偏传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成或由包含半波片的保偏光纤形成时，所述偏振分束器两个输出端口中的一个端口输出的光脉冲耦合至所述保偏光纤一端的慢轴传输，所述偏振分束器两个输出端口中的另一个端口输出的光脉冲耦合至所述保偏光纤另一端的快轴传输。
9.根据权利要求1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，在所述相位调制器位于所述第一保偏光纤上时，所述相位调制器为双折射相位调制器；在所述相位调制器位于所述第二保偏传输光路上时，所述相位调制器为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。
10.一种量子密钥分发系统，包括发射端和接收端，其中：
在所述发射端设置有根据权利要求1-9中任一项所述的相位调制偏振编解码装置用于偏振编码；和/或
在所述接收端设置有根据权利要求1-9中任一项所述的相位调制偏振编解码装置用于偏振解码或者偏振解码选基。
11.根据权利要求10所述的量子密钥分发系统，其中：
在用于偏振解码时，所述量子密钥分发系统的接收端还包括与所述相位调制偏振编解码装置光耦合的起偏器以及与该起偏器光耦合的一个单光子探测器；或者，
在用于偏振解码选基时，所述量子密钥分发系统的接收端还包括与所述相位调制偏振编解码装置光耦合的偏振分束器和与该偏振分束器光耦合的两个单光子探测器。
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