CN113037473B - 基于硅光子集成芯片的cvqkd系统及方法 - Google Patents

基于硅光子集成芯片的cvqkd系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，包括光源处理部分、量子密钥发射端、光纤信道和接收端；光源处理部分将光源发出的信号耦合处理后分发；量子密钥发射端将信号光进行调制并过滤，解调并采样之后生成高斯密钥，高斯密钥通过耦合后经过光纤信道发射到量子密钥接收端；量子密钥接收端对光纤信道输出的光信号进行处理，并进行零差检测；量子密钥发射端和量子密钥输出端均利用硅光子集成技术集成在同一片硅基光子芯片上。本发明还公开了一种所述基于硅光子集成芯片的CVQKD系统的方法。本发明显著提高了芯片器件的集成密度，压缩了器件体积，节约了大量的制作成本，使量子网络更加简易。

Description

基于硅光子集成芯片的CVQKD系统及方法
技术领域
本发明具体涉及一种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统及方法。
背景技术
如今传统的半导体工业已经受限于物理极限，依靠缩小特征尺寸来提高芯片集成度的方法即将失效。而硅光子技术以其在耗能、带宽、运行速率、散热、体积尺寸等方面拥有的特殊优势，成为了延长摩尔定律寿命的潜在技术之一。硅光子集成芯片是利用硅光子技术在兼容CMOS工艺的基础上，把具有各种功能的光电子器件集成在同一硅衬底上的新型集成芯片。
量子密钥分发(QKD)是量子信息学的重要组成部分，是以量子信道传送编码态并获取安全密钥的过程。量子力学中的基本原理保证了QKD在理论上的无条件安全，同时QKD也被认为是现阶段最成熟的一种量子信息处理技术。量子密钥分发一般可分为离散量子密钥分发(DVQKD)和连续量子密钥分发(CVQKD)两种形式。与DVQKD不同，CVQKD使用零拍探测器，探测效率高且制作成本低廉，能间接减少强光致盲攻击等与单光子探测器相关的侧信道攻击。此外，CVQKD的光源制备也相对简单，使用的是最简单的相干态光。更为突出的一点是，CVQKD能与现代的光通信系统兼容，易于实验操作和测试且成本较低。近年来，随着其完整的协议安全性被成功证明，学术界又重新加大了对它的研究投入。如今CVQKD系统最远传输距离也被实验验证达到了80公里，并在25公里距离下获得了不低于bb84协议系统的安全密钥生成率。
近两年有部分学者在硅基光子平台上构建了QKD系统，但是大部分研究的硅光子集成芯片集成的皆是针对集成的DVQKD系统，芯片集成度较低，安全密钥生成率不高，当前国际上缺乏对硅基芯片集成的CVQKD系统的研究；同时现有的基于硅光子技术的QKD芯片尺寸体积大，成本高，系统稳定性不足。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，该系统通过硅光子集成技术将光子器件集成在同一片硅光子集成芯片上，使CVQKD系统更加稳定。
本发明的目的之二在于提供一种所述基于硅光子集成芯片的CVQKD系统的方法。
本发明提供的这种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，包括光源处理部分、量子密钥发射端、光纤信道和量子密钥接收端；光源处理部分将光源发出的信号耦合处理后分为信号光和本振光，信号光发送到量子密钥发射端，本振光发送到量子密钥接收端，同时量子密钥发射端将信号处理后通过光纤信道将信号发送到量子密钥接收端；量子密钥发射端将信号光进行调制并过滤，解调并采样之后生成高斯密钥，高斯密钥通过耦合后经过光纤信道发射到量子密钥接收端；量子密钥接收端对光纤信道输出的光信号进行处理，同时将调制后的本振光进行零差检测；量子密钥发射端和量子密钥输出端均利用硅光子集成技术集成在同一片硅基光子芯片上。
所述的光源处理部分包括光源、锥形耦合器和第一分束器；光源连接锥形耦合器的输入端，锥形耦合器的输出端连接第一分束器的输入端，第一分束器的输出端分别连接量子密钥发射端和量子密钥接收端；光源输出连续光波；连续光波通过锥形耦合器进行耦合；耦合后的连续光波再通过第一分束器以1:99分成两束，其中1％的一束的为信号光，99％的一束为本振光，且信号光输出到量子密钥发射端，本振光输出到量子密钥接收端。
所述的量子密钥发射端包括第二分束器、第一幅度调制器、热光移相器、第二幅度调制器、第三分束器、第三幅度调制器、第一相位调制器、滤波器和第一二维光栅耦合器；第二分束器接收第一分束器发出的信号光；第二分束器的第一输出端连接第一幅度调制器，第二分束器的第二输出端连接第二幅度调制器；第一幅度调制器串接热光移相器后连接第三分束器的第一输入端；第二幅度调制器的输出端连接第三分束器的第二输入端；第三分束器的输出端依次串接第三幅度调制器、第一相位调制器和滤波器后连接第一二维光栅耦合器的输入端，第一二维光栅耦合器的输出端为量子密钥发射端的输出端；第二分束器将接收的信号光分为两束，一束发射到第一幅度调制器，另一束发射到第二幅度调制器；第一幅度调制器、第二幅度调制器和热光移相器组成IQ调制器；第一幅度调制器和第二幅度调制器组成双平行马赫增德调制器，热光移相器则通过施加直流电压产生相位差，用于执行相位调制；经过IQ调制后的光信号通过第三幅度调制器进行幅度调制，再通过第一相位调制器进行相位调制；滤波器将光信号进行过滤，解调并采样后生成高斯密钥；高斯密钥通过第一二维光栅耦合器耦合为耦合高斯密钥，耦合高斯密钥通过光纤信道传输至量子密钥接收端。
所述的量子密钥接收端包括第二相位调制器、衰减器、第四分束器、偏振控制器、第二二维光栅耦合器和零拍探测器；第二相位调制器的输入端连接第一分束器，第二相位调制器串接衰减器后连接第四分束器的第一输入端；偏振控制器接收光纤信道发射的耦合高斯密钥，偏振控制器的输出端串接第二二维光栅耦合器后连接第四分束器的第二输入端；第四分束器的输出端连接零拍探测器；第二相位调制器对第一分束器发射的本振光进行相位调制输出子本振光；衰减器对子本振光进行相对衰减输出孙本振光；偏振控制器补充光纤信道发射的耦合高斯密钥偏振方向的偏转；第二二维光栅耦合器用于将偏正控制器输出的光信号耦合到硅波导中；经过第二二维光栅耦合器处理过的信号光和经过调制处理的孙本振光在第四分束器的作用下分成两路，并由零拍探测器进行零差检测。
所述的光源采用型号为TSL-510的可调谐激光器。
所述的零拍探测器包括50:50分束器、第一光电二极管和第二光电二极管；50:50分束器将信号分别发送到第一光电二极管和第二光电二极管中进行零差检测。
本发明还提供了一种所述的基于硅光子集成芯片的CVQKD系统的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.光源处理部分将光源发出的信号耦合处理后分发为信号光和本振光，信号光发送到量子密钥发射端，本振光发送到量子密钥接收端；
S2.量子密钥发射端将信号光进行调制并过滤，解调并采样之后生成高斯密钥，高斯密钥经过耦合后发送到光纤信道中；
S3.光纤信道将量子密钥发射端发射的光信号发送到量子密钥接收端；
S4.量子密钥接收端对光纤信道输出的光信号进行处理，同时将调制后的本振光进行零差检测。
步骤S2，具体包括如下步骤：
A.量子密钥发射端将信号光经第二分束器后分为两束，一束发射到第一幅度调制器，另一束发射到第二幅度调制器；第一幅度调制器、第二幅度调制器和热光移相器组成IQ调制器；第一幅度调制器和第二幅度调制器组成双平行马赫增德调制器，热光移相器则通过施加直流电压产生相位差，用于执行相位调制；
B.第三幅度调制器进行幅度调制，第一相位调制器进行相位调制；同时经幅度调制和相位调制后的子信号光产生相干态|xA+ipA>，其中xA和pA是高斯分布下的随机数，信号光服从一个均值为0的高斯分布，其中方差设为VA；
C.滤波器将子信号光进行过滤，解调并采样后生成高斯密钥；
D.高斯密钥通过第一二维光栅耦合器耦合为耦合高斯密钥，输出耦合高斯密钥。
步骤S4，具体包括如下步骤：
a.第二相位调制器对第一分束器发射的本振光进行相位调制输出子本振光；
b.衰减器对子本振光进行相对衰减输出孙本振光；
c.偏振控制器补充光纤信道发射的耦合高斯密钥偏振方向的偏转；
d.第二二维光栅耦合器用于将光信号耦合到硅波导中；
e.信号光和经过调制处理的孙本振光在第四分束器的作用下分成两路，并由零拍探测器进行零差检测。
本发明提供的这种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统及方法，利用硅基光子集成技术集成在同一片硅基光子芯片上，显著提高了芯片器件的集成密度，压缩了芯片流片成本及器件体积，也节约了大量的制作成本；同时在快速稳定生成安全密钥率上具有较大的潜力，为低成本、简易式的量子网络提供了新的可能性。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
图2为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
如图1为本发明系统的结构示意图：本发明提供的这种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，包括光源处理部分、量子密钥发射端、光纤信道和量子密钥接收端；光源处理部分将光源发出的信号耦合处理后分发为信号光和本振光，信号光发送到量子密钥发射端，本振光发送到量子密钥接收端，同时量子密钥发射端将信号处理后通过光纤信道将信号发送到量子密钥接收端；量子密钥发射端将信号光进行调制并过滤，解调并采样之后生成高斯密钥，高斯密钥通过耦合后经过光纤信道发射到量子密钥接收端；量子密钥接收端对光纤信道输出的光信号进行处理，同时将调制后的本振光进行零差检测；量子密钥发射端和量子密钥输出端均利用硅光子集成技术集成在同一片硅基光子芯片上。利用硅基光子集成技术集成在同一片硅基光子芯片上，能够提高芯片器件的集成密度，压缩芯片流片成本及器件体积，节约制作成本。
光源处理部分包括光源、锥形耦合器和第一分束器；光源连接锥形耦合器，锥形耦合器连接第一分束器，第一分束器的输出端分别连接量子密钥发射端和量子密钥接收端；光源输出连续光波；连续光波通过锥形耦合器进行耦合；耦合后的连续光波又通过第一分束器以1:99分成两束，其中1％的一束的为信号光并输出到量子密钥发送到管，99％的一束为本振光并输出到量子密钥接收端。
光源采用型号为TSL-510的可调谐激光器。
量子密钥发射端包括第二分束器、第一幅度调制器、热光移相器、第二幅度调制器、第三分束器、第三幅度调制器、第一相位调制器、滤波器和第一二维光栅耦合器；第二分束器接收第一分束器发出的信号光；第二分束器的第一输出端连接第一幅度调制器，第二分束器的第二输出端连接第二幅度调制器；第一幅度调制器串接热光移相器后连接第三分束器的第一输入端；第二幅度调制器连接第三分束器的第二输入端；第三分束器的输出端依次串接第三幅度调制器、第一相位调制器和滤波器后连接第一二维光栅耦合器；第一二维光栅耦合器的输出端连接光纤信道；第二分束器将信号光分为两束，一束发射到第一幅度调制器，另一束发射到第二幅度调制器；第一幅度调制器、第二幅度调制器和热光移相器组成IQ调制器；第一幅度调制器和第二幅度调制器组成双平行马赫增德调制器，热光移相器则通过施加直流电压产生相位差，用于执行相位调制；经过IQ调制后的光信号通过第三幅度调制器进行幅度调制，第一相位调制器进行相位调制；同时经幅度调制和相位调制后的子信号光产生相干态|xA+ipA>，其中xA和pA是高斯分布下的随机数，信号光服从一个均值为0的高斯分布，其中方差设为VA；滤波器将接收到的光信号进行过滤，解调并采样后生成高斯密钥；高斯密钥通过第一二维光栅耦合器耦合为耦合高斯密钥，耦合高斯密钥通过光纤信道传输至量子密钥接收端。
量子密钥接收端包括第二相位调制器、衰减器、第四分束器、偏振控制器、第二二维光栅耦合器和零拍探测器；第二相位调制器的输入端连接第一分束器，第二相位调制器串接衰减器后连接第四分束器的第一输入端；偏振控制器接收光纤信道发射的耦合高斯密钥，偏振控制器的输出端串接第二二维光栅耦合器后连接第四分束器的第二输入端；第四分束器的输出端连接零拍探测器；第二相位调制器对第一分束器发射的本振光进行相位调制输出子本振光；衰减器对子本振光进行相对衰减输出孙本振光；偏振控制器补充光纤信道发射的耦合高斯密钥偏振方向的偏转；第二二维光栅耦合器用于将偏振控制器输出的光信号耦合到硅波导中；经过第二二维光栅耦合器处理过的信号光和经过调制处理的孙本振光在第四分束器的作用下分成两路，并由零拍探测器进行零差检测。
零拍探测器包括50:50分束器、第一光电二极管和第二光电二极管；50:50分束器将信号分别发送到第一光电二极管和第二光电二极管中进行零差检测。
如图2为本发明方法的流程示意图：本发明提供的这种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统的方法，包括如下步骤：
S1.光源处理部分将光源发出的信号耦合处理后分发为信号光和本振光，信号光发送到量子密钥发射端，本振光发送到量子密钥接收端；
S2.量子密钥发射端将信号光进行调制并过滤，解调并采样之后生成高斯密钥，高斯密钥经过耦合后发送到光纤信道中；
S3.光纤信道将量子密钥发射端发射的光信号发送到量子密钥接收端；
S4.量子密钥接收端对光纤信道输出的光信号进行处理，同时将调制后的本振光进行零差检测。
步骤S2，具体包括如下步骤：
A.量子密钥发射端将信号光经第二分束器后分为两束，一束发射到第一幅度调制器，另一束发射到第二幅度调制器；第一幅度调制器、第二幅度调制器和热光移相器组成IQ调制器；第一幅度调制器和第二幅度调制器组成双平行马赫增德调制器，热光移相器则通过施加直流电压产生相位差，用于执行相位调制；
B.第三幅度调制器进行幅度调制，第一相位调制器进行相位调制；同时经幅度调制和相位调制后的子信号光产生相干态|xA+ipA>，其中xA和pA是高斯分布下的随机数，信号光服从一个均值为0的高斯分布，其中方差设为VA；
C.滤波器将子信号光进行过滤，解调并采样后生成高斯密钥；
D.高斯密钥通过第一二维光栅耦合器耦合为耦合高斯密钥，输出耦合高斯密钥。
步骤S4，具体包括如下步骤：
a.第二相位调制器对第一分束器发射的本振光进行相位调制输出子本振光；
b.衰减器对子本振光进行相对衰减输出孙本振光；
c.偏振控制器补充光纤信道发射的耦合高斯密钥偏振方向的偏转；
d.第二二维光栅耦合器用于将光信号耦合到硅波导中；
e.信号光和经过调制处理的孙本振光在第四分束器的作用下分成两路，并由零拍探测器进行零差检测。
在一个优选的具体实施方式中：
在硅基光子芯片上除激光器外统一集成CVQKD系统的发射端光子器件及接收端光子器件，首先片外集成激光器(优选型号为TSL-510的可调谐激光器)生成1550nm的连续光波，在使用偏振控制器后，通过锥形耦合器将光耦合到硅基光子芯片中。随后光波经一个1:99的分束器分为两路，其中光源较弱的一路为信号光，光源较强的一路为本振光。在信号光路，发送方Alice将信号光通过第二分束器分为两路，并分别进行幅度调制，其中上路添加热光移相器，通过施加直流电压在硅的热光效应下实行相位调制，两路信号成正交并行传输进行IQ调制。随后Alice在幅度和相位调制下对相干态正则分量X和P进行调制，使信号光服从一个均值为0的，方差为VA的高斯分布。经过相位调制和幅度调制后的信号光通过一个数字带通滤波器，滤波后的信号被解调和下采样并生成一组高斯密钥，Alice将调制滤波后的信号光通过两维光栅耦合器耦合到光纤信道中并将其传输至接收端。
在接收端，接收方Bob首先通过偏振控制器补偿光纤信道中信号光偏振方向的偏转，随后通过两维光栅耦合器将信号光耦合到硅波导中。同时Bob对本振光进行相位调制及相对衰减，与信号光进行干涉后，分别由零拍检测器进行检测，并以电流的形式输出到减法器，解调出正则分量X和P分量上调制的信息。
在系统实验期间还可采用Peltier装置与温度控制器来稳定整个芯片的温度，减少系统环境热波动和芯片热串扰噪声。
以下具体分析本地生成本振光对密钥生成率所带来的影响：
在独立攻击模型下获得的安全密钥公式如下：
Figure BDA0002956256240000101
其中
Figure BDA0002956256240000102
Figure BDA0002956256240000103
KRR为反向协商协议下的密钥率，IAB为发送端Alice与接收端Bob之间的香农互信息量，IBE为Bob与潜在攻击者Eve之间的香农互信息量，VB＝ηT(V+xtot)为Bob的方差，VB|A＝ηT(1+xtot)为Bob对于Alice发送测量信号的条件方差，
Figure BDA0002956256240000104
为Bob对于Eve发送测量信号的条件方差；η为零拍探测效率，T为信道透过率，V为方差，xtot为总噪声，xch是信道增添的噪声，主要由信道损耗和额外噪声ε组成，xdet为零拍探测器增添的噪声。其中
Figure BDA0002956256240000111
Figure BDA0002956256240000112
Vel为电子噪声；
在计算CVQKD协议密钥率中最重要的参数是额外噪声ε，将额外噪声细分成如下几种成分：
Figure BDA0002956256240000113
其中，χA为Alice在制备时引入的噪声，η为零拍探测效率，T为信道透过率，χleak为因信号光与本振光不完全隔离引入的串扰，χoverlap为在重复频率接近零拍探测的带宽极限时脉冲间的串扰，χLo为本振光光强涨落的影响，Vel为零拍探测的电子噪声。
因此，在实际系统的安全分析中通常可以忽视电子噪声的影响，在Bob端直接生成本振光，可有效减少本振光与信号光的串扰，降低本振光光强涨落的威胁，一定程度上能降低系统的额外噪声，提高CVQKD系统的稳定性与安全性。

Claims (6)

1.一种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，其特征在于包括光源处理部分、量子密钥发射端、光纤信道和量子密钥接收端；光源处理部分将光源发出的信号耦合处理后分为信号光和本振光，信号光发送到量子密钥发射端，本振光发送到量子密钥接收端，同时量子密钥发射端将信号处理后通过光纤信道将信号发送到量子密钥接收端；量子密钥发射端将信号光进行调制并过滤，解调并采样之后生成高斯密钥，高斯密钥通过耦合后经过光纤信道发射到量子密钥接收端；量子密钥接收端对光纤信道输出的光信号进行处理，同时将调制后的本振光进行零差检测；量子密钥发射端和量子密钥输出端均利用硅光子集成技术集成在同一片硅基光子芯片上；
所述的光源处理部分包括光源、锥形耦合器和第一分束器；光源连接锥形耦合器的输入端，锥形耦合器的输出端连接第一分束器的输入端，第一分束器的输出端分别连接量子密钥发射端和量子密钥接收端；光源输出连续光波；连续光波通过锥形耦合器进行耦合；耦合后的连续光波再通过第一分束器以1:99分成两束，其中1％的一束的为信号光，99％的一束为本振光，且信号光输出到量子密钥发射端，本振光输出到量子密钥接收端；
所述的量子密钥发射端包括第二分束器、第一幅度调制器、热光移相器、第二幅度调制器、第三分束器、第三幅度调制器、第一相位调制器、滤波器和第一二维光栅耦合器；第二分束器接收第一分束器发出的信号光；第二分束器的第一输出端连接第一幅度调制器，第二分束器的第二输出端连接第二幅度调制器；第一幅度调制器串接热光移相器后连接第三分束器的第一输入端；第二幅度调制器的输出端连接第三分束器的第二输入端；第三分束器的输出端依次串接第三幅度调制器、第一相位调制器和滤波器后连接第一二维光栅耦合器的输入端，第一二维光栅耦合器的输出端为量子密钥发射端的输出端；第二分束器将接收的信号光分为两束，一束发射到第一幅度调制器，另一束发射到第二幅度调制器；第一幅度调制器、第二幅度调制器和热光移相器组成IQ调制器；第一幅度调制器和第二幅度调制器组成双平行马赫增德调制器，热光移相器则通过施加直流电压产生相位差，用于执行相位调制；经过IQ调制后的光信号通过第三幅度调制器进行幅度调制，再通过第一相位调制器进行相位调制；滤波器将光信号进行过滤，解调并采样后生成高斯密钥；高斯密钥通过第一二维光栅耦合器耦合为耦合高斯密钥，耦合高斯密钥通过光纤信道传输至量子密钥接收端；
所述的量子密钥接收端包括第二相位调制器、衰减器、第四分束器、偏振控制器、第二二维光栅耦合器和零拍探测器；第二相位调制器的输入端连接第一分束器，第二相位调制器串接衰减器后连接第四分束器的第一输入端；偏振控制器接收光纤信道发射的耦合高斯密钥，偏振控制器的输出端串接第二二维光栅耦合器后连接第四分束器的第二输入端；第四分束器的输出端连接零拍探测器；第二相位调制器对第一分束器发射的本振光进行相位调制输出子本振光；衰减器对子本振光进行相对衰减输出孙本振光；偏振控制器补充光纤信道发射的耦合高斯密钥偏振方向的偏转；第二二维光栅耦合器用于将偏正控制器输出的光信号耦合到硅波导中；经过第二二维光栅耦合器处理过的信号光和经过调制处理的孙本振光在第四分束器的作用下分成两路，并由零拍探测器进行零差检测。
2.根据权利要求1所述的基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，其特征在于所述的光源采用型号为TSL-510的可调谐激光器。
3.根据权利要求2所述的基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，其特征在于所述的零拍探测器包括50:50分束器、第一光电二极管和第二光电二极管；50:50分束器将信号分别发送到第一光电二极管和第二光电二极管中进行零差检测。
4.一种权利要求1～3之一所述的基于硅光子集成芯片的CVQKD系统的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.光源处理部分将光源发出的信号耦合处理后分发为信号光和本振光，信号光发送到量子密钥发射端，本振光发送到量子密钥接收端；
S2.量子密钥发射端将信号光进行调制并过滤，解调并采样之后生成高斯密钥，高斯密钥经过耦合后发送到光纤信道中；
S3.光纤信道将量子密钥发射端发射的光信号发送到量子密钥接收端；
S4.量子密钥接收端对光纤信道输出的光信号进行处理，同时将调制后的本振光进行零差检测。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤S2具体包括如下步骤：
A.量子密钥发射端将信号光经第二分束器后分为两束，一束发射到第一幅度调制器，另一束发射到第二幅度调制器；第一幅度调制器、第二幅度调制器和热光移相器组成IQ调制器；第一幅度调制器和第二幅度调制器组成双平行马赫增德调制器，热光移相器则通过施加直流电压产生相位差，用于执行相位调制；
B.第三幅度调制器进行幅度调制，第一相位调制器进行相位调制；同时经幅度调制和相位调制后的子信号光产生相干态|xA+ipA>，其中xA和pA是高斯分布下的随机数，信号光服从一个均值为0的高斯分布，其中方差设为VA；
C.滤波器将子信号光进行过滤，解调并采样后生成高斯密钥；
D.高斯密钥通过第一二维光栅耦合器耦合为耦合高斯密钥，输出耦合高斯密钥。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于步骤S4具体包括如下步骤：
a.第二相位调制器对第一分束器发射的本振光进行相位调制输出子本振光；
b.衰减器对子本振光进行相对衰减输出孙本振光；
c.偏振控制器补充光纤信道发射的耦合高斯密钥偏振方向的偏转；
d.第二二维光栅耦合器用于将光信号耦合到硅波导中；
e.信号光和经过调制处理的孙本振光在第四分束器的作用下分成两路，并由零拍探测器进行零差检测。
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