CN112350781A - 一种低电压驱动的高速光量子态制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低电压驱动的高速光量子态制备装置及其方法。该制备装置包括光源、偏振分束单元、返回单元、相位调制单元和强度调制单元,其中偏振分束单元用于将信号光分成偏振态彼此垂直的第一和第二分量并使其进入返回单元。返回单元用于使第一和第二分量同时再次返回偏振分束单元。相位调制单元和强度调制单元设置在返回单元中以对第一和第二分量中的至少一个进行相位调制和强度调制,其中强度调制包括使所述分量的强度为零。

Description

一种低电压驱动的高速光量子态制备装置及方法
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域,尤其涉及低电压驱动的高速光量子态制备装置及方法。
背景技术
量子通信中需要制备两对正交偏振态来进行偏振态编码,为此,通常是需要随机给相位调制器施加电压以在光脉冲上实现0、π/2、π和3π/2的相位调制,从而完成相应的偏振态编码。图1示出了现有技术中普遍采用的一种高速偏振控制方案,其中在萨格奈克环路中设置有相位调制器PM,并通过在相位调制器上施加相应的调制电压,在环路中经过PM的光脉冲上实现0、π/2、π和3π/2的相位调制,最终在偏振分束器的出口处获得45°线偏振光、右旋圆偏振光、135°线偏振光和左旋圆偏振光。
然而,在实际应用中,对于用于向相位调制器施加调制电压的驱动电路而言,同一调制速率下驱动电压越高则实现相应驱动电路的难度越大,同一最大驱动电压下调制速率越高则同样会使实现相应驱动电路的难度越大,自然,对于在高调制速率下实现大电压驱动更显困难。因此,随着编码速率的上升,产生最大为3π/2相位调制所需的电压驱动变得困难起来,这极大阻碍了图1所示的常规方案在高速量子通信系统中的应用和实施。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题,本发明提出了一种仅需低电压驱动就能实现的高速光量子态制备装置和方法,借助本发明的方案,相比现有技术普遍采用的上述偏振编码方案,在编码过程中相位调制器所需要的最高驱动电压可以降低至三分之二,从而使得允许以更高的速度实现光量子态的制备。
本发明的第一方面公开了一种低电压驱动的高速光量子态制备装置,其包括光源、偏振分束单元、返回单元、相位调制单元和强度调制单元。所述光源输出用于量子态制备的信号光。所述偏振分束单元具有第一端口、第二端口和第三端口,且被设置成经所述第一端口接收所述信号光,将所述信号光分成偏振态彼此垂直的第一和第二分量,以及使所述第一和第二分量分别经所述第二和第三端口输出。所述返回单元被设置成使由所述偏振分束单元输出的所述第一和第二分量同时返回所述偏振分束单元。所述相位调制单元和所述强度调制单元设置在所述返回单元中,分别用于对所述第一和第二分量中的至少一个进行相位调制和强度调制,其中所述强度调制包括使所述第一或第二分量的强度为零。
优选地,所述返回单元为借助保偏光纤连接所述偏振分束单元的第二端口和第三端口形成的萨格奈克环路。作为替换,返回单元可以包括分别通过保偏光纤与所述偏振分束单元的第二端口和第三端口连接的反射元件。
进一步地,本发明的高速光量子态制备装置还可以包括偏振控制器,用于在所述偏振分束单元之前将所述信号光控制成45°线偏振光。
进一步地,本发明的高速光量子态制备装置还可以包括环形器,所述环形器具有第一端口、第二端口和第三端口,且被设置成使所述信号光经所述环形器的第一和第二端口朝向所述偏振分束单元的第一端口传输,从所述偏振分束单元的第一端口输出的经偏振编码的信号光经由所述环形器的第二和第三端口向外输出。作为替换,本发明的制备装置中的偏振分束单元还可以被设置成具有第四端口,用于向外输出经偏振编码的信号光。
进一步地,所述强度调制单元可以被设置成对所述第一和第二分量中的至少一个进行强度调制以使所述第一分量的强度为零、或者所述第二分量的强度为零、或者所述第一和第二分量具有相同的强度;以及,所述相位调制单元可以被设置成对所述第一和第二分量中的至少一个进行相位调制以在两者之间产生相位差φ。
优选地,当所述第一和第二分量被调制成具有相同的强度时,所述相位差φ被调制为0或π;当所述第一或第二分量被调制成强度为零时,所述相位差φ为任意值。
优选地,所述偏振分束单元为偏振分束器;并且/或者所述强度调制单元为电吸收强度调制器、光开关或可调光衰减器;并且/或者所述相位调制单元为电光相位调制器。
本发明的另一方面公开了一种低电压驱动的高速光量子态制备方法,其包括以下步骤:
信号光分束步骤:使信号光分成偏振态相互垂直的第一分量和第二分量;
调制步骤:对所述第一和第二分量中的至少一个进行强度调制以使所述第一分量的强度为零、或者所述第二分量的强度为零、或者所述第一和第二分量具有相同的强度;以及对所述第一分量和第二分量中的至少一个进行相位调制以在两个分量之间产生相位差φ;
合束步骤:当所述第一和第二分量中的一个的强度为零时,使所述第一和第二分量中的另一个到达偏振分束单元以输出经编码的信号光;当所述第一和第二分量具有相同的强度时,使所述第一和第二分量同时到达所述偏振分束单元发生耦合作用以输出经编码的信号光。
进一步地,在所述调制步骤中,当所述第一和第二分量具有相同的强度时,所述相位差φ为0或π;当所述第一和第二分量中的一个的强度为零时,所述相位差φ为任意值。
进一步地,本发明的高速光量子态制备方法还可以包括偏振态控制步骤,用于在所述信号光分束步骤之前对所述信号光的偏振态进行控制;并且/或者还可以包括信号光产生步骤,用于在所述信号光分束步骤之前产生具有恒定偏振态的所述信号光。
优选地,在所述偏振态控制步骤中,将所述信号光控制成45°线偏振光以在所述信号光分束步骤中生成具有相同强度的所述第一和第二分量;以及,在所述调制步骤中,随机地从以下情形中选择一种进行强度调制:使所述第一分量的强度为零,使所述第二分量的强度为零,以及对所述第一和第二分量进行3dB的衰减。
进一步地,本发明的高速光量子态制备方法可以借助上述高速光量子态制备装置来实现。
附图说明
图1示出了现有技术的一种高速偏振控制方案;
图2示出了本发明的低电压驱动的高速光量子态制备装置的一种示例性实施方式;
图3示出了本发明的低电压驱动的高速光量子态制备装置的另一种示例性实施方式。
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示出了本发明的高速光量子态制备装置的一种示例性实施例,其可以在低的驱动电压下实现偏振编码,用以制备光量子态。
高速光量子态制备装置可以包括光源、偏振分束单元、返回单元、相位调制单元和强度调制单元。
光源向外输出信号光以用于后续的量子态制备,其例如可以是激光器(LD)的形式,以产生具有恒定偏振态的信号光。
偏振分束单元可以包括第一端口、第二端口和第三端口,其中,经第一端口输入的光分别经第二端口和第三端口输出第一分量和第二分量,且第一和第二分量具有彼此垂直的偏振方向。优选地,偏振分束单元可以为偏振分束器(PBS)。
返回单元用于使偏振分束单元输出的第一和第二分量同时返回偏振分束单元。图2和3示出了返回单元的一种示例,其可以为借助保偏光纤连接所述偏振分束单元的第二端口和第三端口形成的萨格奈克环路。作为替换,返回单元还可以包括反射元件,其通过保偏光纤分别与偏振分束单元的第二端口和第三端口连接。
下面将以示例的方式基于萨格奈克环路形式的返回单元来进一步说明本发明的制备装置的工作原理,但这不能对本发明形成限制。
如图2和3所示,在本发明的光量子态制备装置中,偏振分束单元的第一端口被设置用于接收信号光,第二和第三端口通过保偏光纤连接形成萨格奈克环路。因此,来自光源的信号光(其例如为激光脉冲的形式)经偏振分束单元的第一端口到达偏振分束单元后将会被分束成第一和第二信号光分量Λ1和Λ2,第一和第二信号光分量具有彼此垂直的偏振态,且分别经由第二和第三端口进入萨格奈克环路并彼此相对地在萨格奈克环路中传播。
相位调制单元和强度调制单元均设置在返回单元中,分别用于对环路中的第一和第二分量中的至少一个进行相位调制和强度调制。在图2和3的示例中,相位调制单元和强度调制单元均设置在萨格奈克环路中。
当利用相位调制单元对信号光分量进行相位调制以在两者之间形成相差为φ时,偏振分束单元输出的信号光则可以写成:
|output>=α|H>+b|V>e (1)
其中,α和b分别为有关第一和第二分量|H>和|V>的强度系数。
当利用强度调制单元对信号光分量进行强度调制时,偏振分束单元输出的信号光则可进一步表示成:
Figure BDA0002156721660000051
其中,α1为强度调制单元对第一分量Λ1的调制系数,α2为强度调制单元对第二分量Λ2的调制系数。
因此,借助强度调制单元对信号光分量施加的强度调制α1和α2,以及相位调制单元对信号光分量施加的相位调制φ,可以控制偏振分束单元处输出的信号光的偏振态,从而使偏振编码成为可能。
下面在表1中示例性地给出了在本发明的偏振分束单元处输出的信号光的偏振态与诸如萨格奈克环路等返回单元中在第一和第二分量上施加的强度调制量α1、α2和相位调制量φ的一种对应关系,以说明其在光量子态制备中的应用。
Figure BDA0002156721660000061
其中,Λ1强度系数
Figure BDA0002156721660000062
表示返回偏振分束单元的第一分量的强度系数,Λ2强度系数
Figure BDA0002156721660000063
表示返回偏振分束单元的第二分量的强度系数。当
Figure BDA0002156721660000064
时,表示借助强度调制单元对信号光分量Λ1进行消光,当
Figure BDA0002156721660000065
时,表示借助强度调制单元对信号光分量Λ2进行消光。
从表1中可以看出,通过在例如萨格奈克环路的返回单元中引入强度调制单元以对信号光分量提供例如消光等强度调制,使得在用于制备光量子态的偏振编码过程中,相位调制单元只需要在信号光分量上施加π的最大相位调制量即可产生量子通信所需的2组正交偏振态,相比图1所示方案中要求相位调制器最高施加3π/2的相位调制量,对编码过程中相位调制量的最高要求降低了1/3。由于电光相位调制单元所产生的相位调制和所加驱动电压成线性关系,因此在本发明中,相位调制单元所需要的驱动电压相比现有技术可降低至原来的2/3,极大程度地降低了对驱动电路的要求,使得实现更高速度的光量子态编码成为可能,有利于推动高速量子通信系统的实现。
在本发明中,强度调制单元优选为电吸收强度调制器(EAM),但也可以是其他任何能够实现光强度调制的部件,例如光开关、可调光衰减器等。
在优选示例中,本发明的光量子态制备装置还可以包括偏振控制器(PC),用于使光源输出的信号光在进入偏振分束单元之前变为45°线偏振光,以便由偏振分束单元将信号光分束而成的第一分量和第二分量可以具有相同的强度,即,在公式(1)中满足α=b。当α=b时,表1可以简化为表2:
Λ1强度系数α<sub>1</sub> Λ2强度系数α<sub>2</sub> 相位调制φ 输出信号偏振态
1 0 任意 0°线偏振态
0 1 任意 90°线偏振态
1/2 1/2 0 45°线偏振态
1/2 1/2 π 135°线偏振态
其中,α1=0表示借助强度调制单元对信号光分量Λ1进行消光,α2=0表示借助强度调制单元对信号光分量Λ2进行消光;α1=1表示不利用强度调制单元对信号光分量Λ1进行强度调制,α2=1表示不利用强度调制单元对信号光分量Λ2进行强度调制;α1=1/2表示借助强度调制单元对信号光分量Λ1进行3dB衰减,α2=1/2表示借助强度调制单元对信号光分量Λ2进行3dB衰减。
优选地,偏振控制器借助保偏光纤连接偏振分束单元。
在上述示例性的相位和强度调制方案下,使得在偏振分束单元处能够向外输出0°、45°、90°和135°线偏振态的信号光,且所输出的信号光可以具有相同的强度,从而方便地实现光量子态的制备。
在优选示例中,本发明的光量子态制备装置还可以包括环形器(CIR),其具有第一端口、第二端口和第三端口,且被设置成使光源输出的信号光经环形器的第一和第二端口传输至偏振分束单元的第一端口,由偏振分束单元的第一端口输出的经偏振编码的信号光经环形器的第二和第三端口向外输出。作为替换方式,本发明的偏振分束单元还可以被设置成具有第四端口,其中,在萨格奈克环路中经相位和强度调制的第一和第二信号光分量返回偏振分束单元处发生耦合作用,并经该第四端口向外输出经偏振编码的信号光,如图3所示那样。
下面将进一步结合图2和图3说明本发明的高速光量子态制备方法的工作原理。
本发明的光量子态制备方法可以包括信号光分束步骤、调制步骤和合束步骤。
在信号光分束步骤中,使信号光分成偏振态相互垂直的第一分量和第二分量Λ1和Λ2。作为优选示例,信号光分束步骤可以借助偏振分束器来实现。
在调制步骤中,对第一分量Λ1和第二分量Λ2中的至少一个进行强度调制以使第一分量的强度为零、或者第二分量的强度为零、或者第一和第二分量具有相同的强度;以及,对第一分量和第二分量中的至少一个进行相位调制以在两个分量之间产生相位差φ,其中,当第一和第二分量具有相同的强度时,相位差φ为0或π,当第一分量或第二分量被消光时,相位差φ可以为任意值。
在优选示例中,强度调制可以借助强度调制单元来实现;相位调制可以借助相位调制单元来实现。作为示例,强度调制单元优选为电吸收强度调制器,或者是其他任何能够实现光强度调制的部件,例如光开关、可调光衰减器等;相位调制单元可以是电光相位调制器。
在合束步骤中,使经调制步骤处理的第一信号光分量Λ1和第二信号光分量Λ2中未被消光的一个到达偏振分束单元发生耦合作用以输出经编码的信号光,或者在两个分量均未被消光的情况下,使第一信号光分量和第二信号光分量同时到达偏振分束单元发生耦合作用以输出经编码的信号光。
作为优选示例,经编码的信号光可以具有0°线偏振态、45°线偏振态、90°线偏振态和135°线偏振态中的一种。偏振分束单元可以是偏振分束器。
进一步地,本发明的光量子态制备方法还可以包括信号光产生步骤,其用于在信号光分束步骤之前产生具有恒定偏振态的信号光。作为优选示例,可以由激光器产生信号光。
进一步地,本发明的光量子态制备方法还可以包括偏振态控制步骤,其用于在信号光分束步骤之前对信号光的偏振态进行控制。优选地,偏振控制步骤可以借助偏振控制器实现。
作为优选示例,在偏振态控制步骤中,信号光可以被调节成45°线偏振光,以在信号光分束步骤中可以生成具有相同强度的第一和第二分量。此时,在调制步骤中,强度调制可以是选自以下情形中的一种:仅对第一分量进行消光;仅对第二分量进行消光;以及对第一和第二分量进行3dB的衰减。这种强度调制情形的选择可以是随机的。
在优选示例中,信号光分束步骤和合束步骤可以在偏振分束单元中实现;调制步骤可以在返回单元中实现,例如在以萨格奈克环路形式实现的返回单元中实现。
例如,由信号光分束步骤生成的第一和第二信号光分量将同时进入萨格奈克环路且在环路中相向传输;对萨格奈克环路中的第一和第二分量进行相位调制和强度调制;第一和第二分量同时返回偏振分束单元处发生耦合作用,从而向外输出经偏振编码的信号光。例如,当仅对第二分量Λ2消光时,则将输出0°线偏振光的信号光;当仅对第一分量Λ1消光时,则将输出90°线偏振光的信号光;当对第一和第二分量均进行3dB衰减,且在第一和第二分量之间调制成0相位差时,则将输出45°线偏振光的信号光;当对第一和第二分量均进行3dB衰减,且在第一和第二分量之间调制成π相位差时,则将输出135°线偏振光的信号光。本领域技术人员容易理解,这一调制过程也可以类似地在其他返回单元中实现。
借助本发明的光量子态制备装置和方法,可以降低为制备用于量子通信的光量子态所需要的最高相位调制量,减少对相位调制单元的电子驱动电路(驱动电压)的要求,使得提高相位调制速度亦即量子态制备速度成为可能。
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,且在不发生矛盾的情况下,上述各种替换方式可以相互组合使用。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 (12)

1.一种低电压驱动的高速光量子态制备装置,其包括光源、偏振分束单元、返回单元、相位调制单元和强度调制单元;
所述光源输出用于量子态制备的信号光;
所述偏振分束单元具有第一端口、第二端口和第三端口,且被设置成经所述第一端口接收所述信号光,将所述信号光分成偏振态彼此垂直的第一和第二分量,以及使所述第一和第二分量分别经所述第二和第三端口输出;
所述返回单元被设置成使由所述偏振分束单元输出的所述第一和第二分量同时返回所述偏振分束单元;
所述相位调制单元和所述强度调制单元设置在所述返回单元中,分别用于对所述第一和第二分量中的至少一个进行相位调制和强度调制,其中所述强度调制包括使所述第一或第二分量的强度为零。
2.如权利要求1所述的高速光量子态制备装置,其中,所述返回单元为借助保偏光纤连接所述偏振分束单元的第二端口和第三端口形成的萨格奈克环路;或者,所述返回单元包括分别通过保偏光纤与所述偏振分束单元的第二端口和第三端口连接的反射元件。
3.如权利要求1所述的高速光量子态制备装置,其还包括偏振控制器,用于在所述偏振分束单元之前将所述信号光控制成45°线偏振光。
4.如权利要求1所述的高速光量子态制备装置,其还包括环形器,所述环形器具有第一端口、第二端口和第三端口,且被设置成使所述信号光经所述环形器的第一和第二端口朝向所述偏振分束单元的第一端口传输,从所述偏振分束单元的第一端口输出的经偏振编码的信号光经由所述环形器的第二和第三端口向外输出;或者,所述偏振分束单元还具有第四端口,用于向外输出经偏振编码的信号光。
5.如权利要求1所述的高速光量子态制备装置,其中,所述强度调制单元被设置成对所述第一和第二分量中的至少一个进行强度调制以使所述第一分量的强度为零、或者所述第二分量的强度为零、或者所述第一和第二分量具有相同的强度;以及,所述相位调制单元被设置成对所述第一和第二分量中的至少一个进行相位调制以在两者之间产生相位差φ。
6.如权利要求5所述的高速光量子态制备装置,其中,当所述第一和第二分量被调制成具有相同的强度时,所述相位差φ被调制为0或π;当所述第一或第二分量被调制成强度为零时,所述相位差φ为任意值。
7.如权利要求1所述的高速光量子态制备装置,其中,所述偏振分束单元为偏振分束器;并且/或者所述强度调制单元为电吸收强度调制器、光开关或可调光衰减器;并且/或者所述相位调制单元为电光相位调制器。
8.一种低电压驱动的高速光量子态制备方法,其包括以下步骤:
信号光分束步骤:使信号光分成偏振态相互垂直的第一分量和第二分量;
调制步骤:对所述第一和第二分量中的至少一个进行强度调制以使所述第一分量的强度为零、或者所述第二分量的强度为零、或者所述第一和第二分量具有相同的强度;以及对所述第一分量和第二分量中的至少一个进行相位调制以在两个分量之间产生相位差φ;
合束步骤:当所述第一和第二分量中的一个的强度为零时,使所述第一和第二分量中的另一个到达偏振分束单元以输出经编码的信号光;当所述第一和第二分量具有相同的强度时,使所述第一和第二分量同时到达所述偏振分束单元发生耦合作用以输出经编码的信号光。
9.如权利要求8所述的高速光量子态制备方法,其中,在所述调制步骤中,当所述第一和第二分量具有相同的强度时,所述相位差φ为0或π;当所述第一和第二分量中的一个的强度为零时,所述相位差φ为任意值。
10.如权利要求8所述的高速光量子态制备方法,其还包括偏振态控制步骤,用于在所述信号光分束步骤之前对所述信号光的偏振态进行控制;并且/或者还包括信号光产生步骤,用于在所述信号光分束步骤之前产生具有恒定偏振态的所述信号光。
11.如权利要求10所述的高速光量子态制备方法,其中,在所述偏振态控制步骤中,将所述信号光控制成45°线偏振光以在所述信号光分束步骤中生成具有相同强度的所述第一和第二分量;以及,
在所述调制步骤中,随机地从以下情形中选择一种进行强度调制:使所述第一分量的强度为零,使所述第二分量的强度为零,以及对所述第一和第二分量进行3dB的衰减。
12.如权利要求8-11中任一项所述的高速光量子态制备方法,其借助如权利要求1-7中任一项所述的高速光量子态制备装置来实现。
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