CN113259015A - 用于时间相位编码的量子通信系统的发射端及接收端 - Google Patents

Abstract

本发明公开的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端和接收端，包括种子光激光器、第一分束器、量子光激光器、同步光激光器、编码器器和第一偏振分束器，其中，种子光激光器用于制备种子光，第一分束器用于将种子光分束并以注入锁定方式将分束后的两束光分别输入量子光激光器和同步光激光器，量子光激光器用于制备与种子光波长一致的脉冲光，同步光激光器还用于通过第二光学传输元件，将同步光输入第一偏振分束器，编码器用于根据脉冲光的时序及强度，对待传递信息进行编码，得到包含待传递信息的量子光，降低了量子通信系统的启动时间，增加了量子密钥分发的实用性，提高了量子通信系统的成码率。

Description

用于时间相位编码的量子通信系统的发射端及接收端

技术领域

本发明涉及量子通信领域，具体涉及一种用于时间相位编码的量子通信系统的发射端及接收端。

背景技术

在量子通信系统中，发送方通过介质（光纤或自由空间）将量子光发送给接收端，接收方利用单光子探测器探测量子光。由于单光子探测器为门控模式，只有设定时间段内到达接收方的量子光才能够被单光子探测器探测到。门控信号由发射端发送的时钟信号产生，需要对门控信号进行延时扫描，以使门控信号与量子光在时间上相匹配，完成匹配之后再由接收方进行帧同步，以使确定门控信号的脉冲序列与量子光的脉冲序列一致。

目前的量子通信系统主要通过使用与量子光波长不同的同步光，该同步光与量子光波分复用后通过光纤发送到接收方解波分复用，同步光经过光电转换后作为时钟信号使用。该方案存在以下缺陷：

由于同步光的波长与量子光的波长不一致，同步光与量子光在光纤中传播的速率不同，所以同步光与量子光到达接收方的时间也不一样，而且对于不同长度的光纤，光程差也不一致，导致在量子通信系统中，发送方和接收方在启动过程中都需要进行一次时间校准及帧同步的过程。而且由于单光子探测器计数效率低，需要等待单光子探测器统计一定时间后才能开始校准，在配对完成之后还需要很长时间接收方和发送方才能产生量子密钥，严重降低了量子通信系统的成码率。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于时间相位编码的量子通信系统的发射端及接收端，用以解决现有技术存在的缺陷。

为了实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端包括：

种子光激光器，用于制备种子光。

第一分束器，用于将所述种子光分束并以注入锁定方式将分束后的两束光分别输入量子光激光器和同步光激光器。

所述量子光激光器，用于制备与所述种子光波长一致的脉冲光，其中，所述脉冲光包括前脉冲光、后脉冲光及连续的一对脉冲光。

所述量子光激光器，还用于通过第一光学传输元件，将所述脉冲光输入编码器。

所述同步光激光器，用于制备与所述种子光波长一致的同步光。

所述同步光激光器，还用于通过第二光学传输元件，将所述同步光输入第一偏振分束器。

所述编码器，用于根据所述脉冲光的时序及强度，对待传递信息进行编码，得到包含待传递信息的量子光。

所述第一偏振分束器，用于将所述量子光及所述同步光合束。

作为本发明一个优选的实施例，该用于时间相位编码的量子通信系统的发射端还包括：

第一光衰减器，用于衰减所述量子光的功率。

作为本发明一个优选的实施例，该用于时间相位编码的量子通信系统的发射端还包括：

第二光衰减器，用于衰减所述同步光的功率。

作为本发明一个优选的实施例，所述编码器包括：

相位调制器，用于调节所述脉冲光中连续的一对脉冲光的相位差，使得所述相位差维持在0或。

强度调制器，用于调节所述脉冲光中各个脉冲信号之间的相对光强。

作为本发明一个优选的实施例，所述种子光激光器、所述第一分束器、所述第一光学传输元件及所述第二光学传输元件之间采用保偏光纤连接。

作为本发明一个优选的实施例，所述量子光激光器、所述第一光学传输元件、所述编码器及所述第一偏振分束器之间采用保偏光纤连接。

作为本发明一个优选的实施例，所述同步光激光器、所述第二光学传输元件、所述第二光衰减器及所述第一偏振分束器之间采用保偏光纤连接。

第二方面，本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的接收端包括：

电动偏振控制器，用于接收发射端发送的合束后的量子光与同步光并将所述量子光及所述同步光输入第二偏振分束器；

所述第二偏振分束器，用于将所述量子光及所述同步光分束并将分束后的量子光输入解码器、将分束后的同步光输入第二分束器；

所述解码器，用于从所述量子光中解码出待传递信息；

所述第二分束器，用于将所述同步光分为两束，一束输入光功率计，另一束输入光电探测器；

所述电动偏振控制器，还用于根据所述光功率计探测到的功率值，调节所述同步光及所述量子光的偏振态。

作为本发明一个优选的实施例，所述电动偏振控制器、所述第二偏振分束器及所述解码器之间采用保偏光纤连接。

作为本发明一个优选的实施例，所述第二偏振分束器、所述第二分束器、所述光电探测器及所述光功率计之间采用保偏光纤连接。

本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端及接收端具有以下有益效果：

使用与量子光波长一致的同步光作为时钟信号，并使用偏振复用的方式传输同步光和量子光，不需要时间校准及帧同步，降低了量子通信系统的启动时间，增加了量子密钥分发的实用性，提高了量子通信系统的成码率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端结构示意图；

图2为本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的接收端结构示意图；

图3为本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端发射的量子光与同步光时序比较示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端包括种子光激光器、第一分束器、量子光激光器、同步光激光器、相位调制器、强度调制器、第一偏振分束器、第一光衰减器、第二光衰减器，其中：

种子光激光器用于制备种子光。

第一分束器用于将该种子光分束并以注入锁定方式将分束后的两束光分别输入量子光激光器和同步光激光器。

通过这种方式，同步光激光器及量子光激光器能够基于主激光器输出的种子光在注入锁定的方式下工作，从而使得同步光激光器及量子光激光器具有相同的波长特性，使得同步光激光器与量子光激光器在自由激发工作模式下输出波长的一致性。

量子光激光器用于制备与种子光波长一致的脉冲光，其中，该脉冲光包括前脉冲光、后脉冲光和连续的一对脉冲光。

量子光激光器还用于通过第一光学传输元件，将该脉冲光输入相位调制器。

其中，第一光学传输元件为环行器，也可以为具有相同功能的光学元器件。

同步光激光器用于制备与种子光波长一致的同步光，以实现发射端和接收端之间的时钟同步。

同步光激光器还用于通过第二光学传输元件，将该同步光输入第一偏振分束器。

其中，第二光学传输元件为环行器，也可以为具有相同功能的光学元器件。

相位调制器用于调节脉冲光中连续的一对脉冲光的相位差，使得该相位差维持在0或 。

强度调制器用于调节脉冲光中各个脉冲信号之间的相对光强。

其中，该脉冲光为量子光激光器制备的与种子光波长一致的脉冲光，相位调制器与强度调制器的组合，形成编码器，用于根据脉冲光的时序及强度，对待传递信息进行编码，得到包含待传递信息的量子光。本发明实施例提供的量子光激光器制备的脉冲光可用于时间相位编码。具体地，在该脉冲光中，前脉冲光的时间编码为0，前脉冲光的时间编码为1，相位差为0的连续的两个脉冲光的相位编码为0，相位差为的连续的两个脉冲光的相位编码为1。

第一偏振分束器用于将同步光及量子光合束。

作为本发明一个具体的实施例，合束后的同步光与量子光之间的偏振角度为90°。

第一光衰减器用于衰减量子光的功率，以适配接收端的单光子探测器。

第二光衰减器用于衰减同步光的功率，以适配接收端的光电探测器。

作为本发明一个可选的实施例，种子光激光器、第一分束器、所述第一光学传输元件及第二光学传输元件之间采用保偏光纤连接。

作为本发明一个可选的实施例，量子光激光器、第一光学传输元件、相位调制器、强度调制器及第一偏振分束器之间采用保偏光纤连接。

作为本发明一个可选的实施例，同步光激光器、第二光学传输元件、第二光衰减器及第一偏振分束器之间采用保偏光纤连接。

其中，在量子光与同步光合束前，光路全部采用保偏光纤，大大降低了量子光与同步光进入接收端前，量子光与同步光的偏振态发生偏移的可能性。

本领域技术人员应该可以理解，本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端不仅适用于时间相位编码，还适用于相位编码。

本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端包括种子光激光器、第一分束器、量子光激光器、同步光激光器、相位调制器、强度调制器和第一偏振分束器，其中，种子光激光器用于制备种子光，第一分束器用于将种子光分束并以注入锁定方式将分束后的两束光分别输入量子光激光器和同步光激光器，量子光激光器用于制备与种子光波长一致的脉冲光，量子光激光器还用于通过第一光学传输元件，将脉冲光输入相位调制器，同步光激光器用于制备与种子光波长一致的同步光，同步光激光器还用于通过第二光学传输元件，将同步光输入第一偏振分束器，相位调制器与强度调制器的组合用于根据脉冲光的时序及强度，对待传递信息进行编码，得到包含待传递信息的量子光，第一偏振分束器用于将量子光及同步光合束，降低了量子通信系统的启动时间，增加了量子密钥分发的实用性，提高了量子通信系统的成码率。

实施例2

如图2所示，本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统的接收端包括电动偏振控制器、第二偏振分束器、解码器、第二分束器，其中：

电动偏振控制器，用于接收发射端发送的合束后的量子光与同步光并将量子光及同步光输入第二偏振分束器；

第二偏振分束器，用于将量子光及同步光分束并将分束后的量子光输入解码器、将分束后的同步光输入第二分束器。

解码器，用于从量子光中解码出待传递信息。

具体地，该解码器包括单光子探测器，单光子探测器为门控模式，不在开门时间段内的量子光将无法被探测。如图3所示，发射端将量子光及同步光合束时，将量子光和同步光在时序上错开，当接收端接收时，量子光和同步光也是同样的时序，即使同步光泄露到量子光信道中，也无法被单光子探测器探测到。

第二分束器，用于将同步光分为两束，一束输入光功率计，另一束输入光电探测器。

电动偏振控制器，还用于根据光功率计探测到的功率值，调节同步光及量子光的偏振态。

具体地，采用光功率计实时探测同步光的功率，当光功率计探测到的功率值小于预设的阈值时，说明同步光的偏振态产生偏移，同时说明量子光的偏振态也产生偏移，通过实时调节同步光及量子光的偏振态，使得量子光进入量子通道，同步光进入同步信道。

作为本发明一个可选的实施例，电动偏振控制器、第二偏振分束器及解码器之间采用保偏光纤连接。

作为本发明一个可选的实施例，第二偏振分束器、第二分束器、光电探测器及光功率计之间采用保偏光纤连接。

特别地，在本发明实施例提供的用于时间相位编码的量子通信系统投入使用前，预先标定了同步光与量子光在发射端及接收端中传输的时长差，并利用延时芯片调整该延时差，使得同步光达到光电探测器的时间与量子光达到单光子探测器的时间一致。

可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于时间相位编码的量子通信系统的发射端，其特征在于，包括：

种子光激光器，用于制备种子光；

第一分束器，用于将所述种子光分束并以注入锁定方式将分束后的两束光分别输入量子光激光器和同步光激光器；

所述量子光激光器，用于制备与所述种子光波长一致的脉冲光，其中，所述脉冲光包括前脉冲光、后脉冲光及连续的一对脉冲光；

所述量子光激光器，还用于通过第一光学传输元件，将所述脉冲光输入编码器；

所述同步光激光器，用于制备与所述种子光波长一致的同步光；

所述同步光激光器，还用于通过第二光学传输元件，将所述同步光输入第一偏振分束器；

所述编码器，用于根据所述脉冲光的时序及强度，对待传递信息进行编码，得到包含待传递信息的量子光；

所述第一偏振分束器，用于将所述量子光及所述同步光合束。

2.根据权利要求1所述的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端，其特征在于，还包括：

第一光衰减器，用于衰减所述量子光的功率。

3.根据权利要求2所述的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端，其特征在于，还包括：

第二光衰减器，用于衰减所述同步光的功率。

4.根据权利要求1所述的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端，其特征在于，所述编码器包括：

相位调制器，用于调节所述脉冲光中连续的一对脉冲光的相位差，使得所述相位差维持在0或；

强度调制器，用于调节所述脉冲光中各个脉冲信号之间的相对光强。

5.根据权利要求3所述的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端，其特征在于：

所述种子光激光器、所述第一分束器、所述第一光学传输元件及所述第二光学传输元件之间采用保偏光纤连接。

6.根据权利要求3所述的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端，其特征在于：

所述量子光激光器、所述第一光学传输元件、所述编码器及所述第一偏振分束器之间采用保偏光纤连接。

7.根据权利要求3所述的用于时间相位编码的量子通信系统的发射端，其特征在于：

所述同步光激光器、所述第二光学传输元件、所述第二光衰减器及所述第一偏振分束器之间采用保偏光纤连接。

8.一种用于时间相位编码的量子通信系统的接收端，其特征在于，包括：

电动偏振控制器，用于接收发射端发送的合束后的量子光与同步光并将所述量子光及所述同步光输入第二偏振分束器；

所述第二偏振分束器，用于将所述量子光及所述同步光分束并将分束后的量子光输入解码器、将分束后的同步光输入第二分束器；

所述解码器，用于从所述量子光中解码出待传递信息；

所述第二分束器，用于将所述同步光分为两束，一束输入光功率计，另一束输入光电探测器；

所述电动偏振控制器，还用于根据所述光功率计探测到的功率值，调节所述同步光及所述量子光的偏振态。

9.根据权利要求8所述的用于时间相位编码的量子通信系统的接收端，其特征在于：

所述电动偏振控制器、所述第二偏振分束器及所述解码器之间采用保偏光纤连接。

10.根据权利要求8所述的用于时间相位编码的量子通信系统的接收端，其特征在于：

所述第二偏振分束器、所述第二分束器、所述光电探测器及所述光功率计之间采用保偏光纤连接。

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