CN111917488A - 相位调制偏振编解码装置和量子密钥分发系统 - Google Patents

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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，第一端口接收一路输入光脉冲，第二端口将输入光脉冲通过第一保偏传输光路传输至反射装置并接收传输回的光脉冲，然后传输至第三端口输出；反射装置中的偏振分束器具有第一、第二、第三和第四端口，第一端口耦合至第一保偏传输光路，第二和第四端口经第二保偏传输光路彼此光耦合，第三端口通过第三保偏传输光路耦合至四分之一波片反射镜；相位调制器设置在第二或第三保偏传输光路上，以对偏振分束器分束产生的两路光脉冲之一进行相位调制，或进行不同的相位调制。由此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。常规地采用多个激光器、每个激光器产生一种偏振态的方案，但因多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，其中，
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，所述反射装置包括偏振分束器和四分之一波片反射镜，所述偏振分束器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述偏振分束器的第一端口耦合至所述第一保偏传输光路，所述偏振分束器的第二端口和第四端口经第二保偏传输光路彼此光耦合；所述偏振分束器的第三端口通过第三保偏传输光路耦合至所述四分之一波片反射镜，所述四分之一波片反射镜由四分之一波片与反射镜一体地形成；
所述相位调制器设置在所述第二保偏传输光路或者设置在所述第三保偏传输光路上，所述相位调制器被设置用于仅对所述偏振分束器分束产生的两路光脉冲之一进行相位调制，或对所述偏振分束器分束产生的两路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，所述光传输装置为光环形器或光耦合器。
3.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、所述第二保偏传输光路为第二保偏光纤、和/或所述第三保偏传输光路为第三保偏光纤。
4.根据方案1至3中任一项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，所述光传输装置的第一端口、第二端口和第三端口为自由空间端口或保偏光纤端口。
5.根据方案1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，
所述相位调制器设置在所述第二保偏传输光路上，所述相位调制器为单偏振相位调制器或者双折射相位调制器；或者，
所述相位调制器设置在所述第三保偏传输光路上，所述相位调制器为双折射相位调制器。
6.根据方案3所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述偏振分束器的所述第二端口和所述第四端口均耦合至所述第二保偏光纤的慢轴或者均耦合至所述第二保偏光纤的快轴。
7.根据方案3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。
8.根据方案7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到所述第一保偏光纤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。
9.根据方案3所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述第三保偏光纤的慢轴与所述四分之一波片反射镜中的四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。
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。
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为本发明一优选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为本发明一优选实施方案的量子密钥分发系统的组成结构示意图；
图3为本发明另一优选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优选实施方案，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，提供了一种相位调制偏振编解码装置，所述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。
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，所述反射装置包括偏振分束器和四分之一波片反射镜，所述偏振分束器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述偏振分束器的第一端口耦合至所述第一保偏传输光路，所述偏振分束器的第二端口和第四端口经第二保偏传输光路彼此光耦合；所述偏振分束器的第三端口通过第三保偏传输光路耦合至所述四分之一波片反射镜，所述四分之一波片反射镜由四分之一波片与反射镜一体地形成。
所述相位调制器可以设置在所述第二保偏传输光路或者设置在所述第三保偏传输光路上，所述相位调制器被设置用于仅对所述偏振分束器分束产生的两路光脉冲之一进行相位调制，或对所述偏振分束器分束产生的两路光脉冲进行不同的相位调制。
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。
优选地，所述第一保偏传输光路可以为第一保偏光纤、所述第二保偏传输光路可以为第二保偏光纤、和/或所述第三保偏传输光路可以为第三保偏光纤。
所述相位调制器可以为单偏振相位调制器或者双折射相位调制器。具体地，在所述相位调制器设置在所述第二保偏传输光路上时，所述相位调制器为单偏振相位调制器或者双折射相位调制器；或者，在所述相位调制器设置在所述第三保偏传输光路上时，所述相位调制器为双折射相位调制器。所述偏振分束器的所述第二端口和所述第四端口均耦合至所述第二保偏光纤的慢轴或者均耦合至所述第二保偏光纤的快轴。
在一个实施例中，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 BDA0002227277990000051
表示。光脉冲的振幅可表示为
Figure BDA0002227277990000052
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 BDA0002227277990000053
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 BDA0002227277990000054
两个振幅分量的大小相同、相对相位为任意相位。例如，经由所述光传输装置的第二端口输出到所述第一保偏光纤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。
在一个实施例中，所述第三保偏光纤的慢轴与所述四分之一波片反射镜中的四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。
本发明一优选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、偏振分束器104、第二保偏光纤105、相位调制器106、第三保偏光纤107以及四分之一波片反射镜108。
如图1中所示，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109)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；经由第一保偏光纤103返回的光脉冲也输入至光环形器102的第二端口B并且从光环形器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和与该偏振分束器的一个端口相连接的四分之一波片反射镜。偏振分束器104包含四个端口，分别为第一端口D、第二端口E、第三端口F和第四端口G。第二保偏光纤105的两端分别与偏振分束器104的第二端口E和第四端口G光耦合。通过偏振分束器104的第二端口E和第四端口G输出的光脉冲均与第二保偏光纤105的慢轴光耦合，或者通过偏振分束器104的第二端口E和第四端口G输出的光脉冲均与第二保偏光纤105的快轴光耦合。
偏振分束器104的第三端口F与四分之一波片反射镜108通过第三保偏光纤107光耦合。在一个实施例中，所述四分之一波片反射镜108可以包括四分之一波片和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的反射镜。第三保偏光纤107的慢轴与所述四分之一波片的慢轴或快轴的夹角优选为45度。
在图1所示的实施例中，相位调制器106设置在第二保偏光纤105上，相位调制器106具有两个端口，分别为一个端口H和另一个端口I。所述相位调制器106仅对经由端口H和端口I之一输入的光脉冲进行相位调制，或者对经由端口H和端口I输入的光脉冲均进行相位调制且调制的相位不同。换言之，所述相位调制器106被设置用于仅对所述偏振分束器104分束产生的两路光脉冲(第一分量光脉冲和第二分量光脉冲)之一进行相位调制，或对所述偏振分束器104分束产生的两路光脉冲进行不同的相位调制。经由端口H和端口I输入相位调制器106的光脉冲均通过第二保偏光纤105的慢轴输入相位调制器106或者均通过第二保偏光纤105的快轴输入相位调制器106。在所述相位调制器设置在所述第二保偏光纤上的情况下，所述相位调制器106可以为单偏振相位调制器或者双折射相位调制器。单偏振相位调制器可以对一个偏振态施加相位调制并且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。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。
在一个替代实施例(未示出)中，相位调制器还可以设置在第三保偏光纤107上。类似于上述设置在第二保偏光纤105上的相位调制器106，设置在第三保偏光纤107上的相位调制器也可以用于仅对所述偏振分束器104分束产生的两路光脉冲之一进行相位调制，或对所述偏振分束器104分束产生的两路光脉冲进行不同的相位调制。不同的是，在所述相位调制器设置在所述第二保偏光纤上的情况下，所述相位调制器106为双折射相位调制器。
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D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。
下面将结合图1描述该图中所示的相位编解码装置的工作过程。在一个可能的实施方式中，光脉冲从光环形器102的第一端口A(即，端口101)输入到本发明的相位调制偏振编解码装置，然后由光环形器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D，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D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经由偏振分束器104的第二端口E输出并且光耦合至第二保偏光纤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F输出并且光耦合至第三保偏光纤107的慢轴。
例如，所述第一分量光脉冲由偏振分束器104的第二端口E输出后经第二保偏光纤105的慢轴传输至相位调制器106的一个端口H，并由相位调制器106的端口H输入相位调制器106。相位调制器106可以将经由端口H输入的第一分量光脉冲进行相位调制，相位调制后的第一分量光脉冲沿第二保偏光纤105的慢轴传输至偏振分束器104的第四端口G。该第一分量光脉冲经由偏振分束器104的第四端口G输入偏振分束器104后，可以经由偏振分束器104的第三端口F输出至第三保偏光纤107的快轴，并沿第三保偏光纤107的快轴传输至四分之一波片反射镜108。随后，该第一分量光脉冲经四分之一波片反射镜108旋转反射后，耦合至第三保偏光纤107的慢轴并传输至偏振分束器104的第三端口F，并由偏振分束器104的第一端口D输出。
另外，所述第二分量光脉冲可以由偏振分束器104的第三端口F输出，并且光耦合至第三保偏光纤107的慢轴传输至四分之一波片反射镜108。该第二分量光脉冲经四分之一波片反射镜108旋转反射后，耦合至第三保偏光纤107的快轴并传输至偏振分束器104的第三端口F。然后，第二分量光脉冲由偏振分束器104的第三端口F输入偏振分束器104后，经由偏振分束器104的第四端口G输出至第二保偏光纤105的慢轴传输至相位调制器106的另一个端口I。相位调制器106可以不对经由端口I输入的第二分量光脉冲进行相位调制，或者对经由端口I输入的第二分量光脉冲进行相位调制且进行与经由端口H输入的第一分量光脉冲不同的相位调制。随后，该第二分量光脉冲经由相位调制器106的端口H输出并且沿第二保偏光纤105的慢轴传输至偏振分束器104的第二端口E，然后由偏振分束器104的第一端口D输出。
由偏振分束器104的第一端口D输出的第一分量光脉冲和第二分量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，然后由光环形器102的第三端口C(即，端口109)输出。
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。
对于其中相位调制器设置在第三保偏光纤107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三保偏光纤107上的替代实施方案。
由于本文中的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、第三保偏光纤107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对光脉冲的两个分量之一进行相位调制，或者对光脉冲的两个分量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。
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2示出本发明一优选实施方案的量子密钥分发系统的组成结构示意图。图2中所示的量子密钥分发系统包括以下组成部分：激光器201、强度调制器202、偏振编码器203、衰减器204、量子信道205、偏振控制器206、偏振解码选基装置207、偏振分束器208以及单光子探测器209和210。
具体地，激光器201、强度调制器202、偏振编码器203和衰减器204被设置在量子密钥分发系统的发射端，其中：激光器201用于产生光脉冲；强度调制器202用于对激光器201产生的光脉冲随机进行强度调制产生诱骗态；偏振编码器203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204用于将光脉冲衰减到单光子状态输出。
量子信道205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205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206、偏振解码选基装置207、偏振分束器208以及单光子探测器209和210被设置在量子密钥分发系统的接收端，其中：偏振控制器206用于调控单光子光脉冲的偏振态；偏振解码选基装置207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208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207一起构成偏振解码装置；单光子探测器209和210用于对偏振分束器208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201发射光脉冲进入强度调制器202，强度调制器202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203。偏振编码器203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204。衰减器204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205。量子信道205可以为单模光纤或自由空间，单光子光脉冲经量子信道205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206，偏振控制器206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206输出的单光子光脉冲输入偏振解码选基装置207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207输出的单光子光脉冲输入偏振分束器208进行偏振分束，经偏振分束器208偏振分束后的光脉冲输入至单光子探测器209或210进行结果探测。偏振编码器203和偏振解码选基装置207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3示出本发明一优选实施方案的量子密钥分发系统的组成结构示意图。图3中所示的量子密钥分发系统包括以下组成部分：激光器301、强度调制器302、偏振编码器303、衰减器304、量子信道305、偏振控制器306、偏振解码器307、起偏器308，以及单光子探测器309。
具体地，类似于图2中的发射端，在图3中，激光器301、强度调制器302、偏振编码器303、衰减器304被设置在量子密钥分发系统的发射端，其中激光器301用于产生光脉冲；强度调制器302用于对激光器301产生的光脉冲随机进行强度调制产生诱骗态；偏振编码器303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304用于将光脉冲衰减到单光子状态输出。
类似于图2中的量子信道，量子信道305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305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306、偏振解码器307、起偏器308，以及单光子探测器309被设置在量子密钥分发系统的接收端，其中：偏振控制器306用于调控单光子光脉冲的偏振态；偏振解码器307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308用于对单光子光脉冲进行起偏输出；单光子探测器309用于对起偏器308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2中的发射端，在图3中的发射端，激光器301发射光脉冲进入强度调制器302，强度调制器302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303。偏振编码器303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304。衰减器304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305。量子信道305可以为单模光纤或自由空间，单光子光脉冲经量子信道305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306，偏振控制器306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306输出的单光子光脉冲输入偏振解码器307进行偏振解码(例如对±45度线偏振态和对应左/右旋圆偏振态进行解码)。从偏振解码器307输出的单光子光脉冲输入起偏器308进行起偏，经起偏器308起偏后的光脉冲输入至单光子探测器309进行探测。偏振编码器303和偏振解码器307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，其中，
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，所述反射装置包括偏振分束器和四分之一波片反射镜，所述偏振分束器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述偏振分束器的第一端口耦合至所述第一保偏传输光路，所述偏振分束器的第二端口和第四端口经第二保偏传输光路彼此光耦合；所述偏振分束器的第三端口通过第三保偏传输光路耦合至所述四分之一波片反射镜，所述四分之一波片反射镜由四分之一波片与反射镜一体地形成；
所述相位调制器设置在所述第二保偏传输光路或者设置在所述第三保偏传输光路上，所述相位调制器被设置用于仅对所述偏振分束器分束产生的两路光脉冲之一进行相位调制，或对所述偏振分束器分束产生的两路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，所述光传输装置为光环形器或光耦合器。
3.根据权利要求1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述第一保偏传输光路为第一保偏光纤、所述第二保偏传输光路为第二保偏光纤、和/或所述第三保偏传输光路为第三保偏光纤。
4.根据权利要求1至3中任一项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，所述光传输装置的第一端口、第二端口和第三端口为自由空间端口或保偏光纤端口。
5.根据权利要求1所述的相位调制偏振编解码装置，其中，
所述相位调制器设置在所述第二保偏传输光路上，所述相位调制器为单偏振相位调制器或者双折射相位调制器；或者，
所述相位调制器设置在所述第三保偏传输光路上，所述相位调制器为双折射相位调制器。
6.根据权利要求3所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述偏振分束器的所述第二端口和所述第四端口均耦合至所述第二保偏光纤的慢轴或者均耦合至所述第二保偏光纤的快轴。
7.根据权利要求3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。
8.根据权利要求7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到所述第一保偏光纤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。
9.根据权利要求3所述的相位调制偏振编解码装置，其中，所述第三保偏光纤的慢轴与所述四分之一波片反射镜中的四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。
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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