CN113794557B - 一种多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片 - Google Patents

一种多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，包括强度补偿模块、第三多模干涉耦合器、诱骗态强度调制模块、光开关模块、相位编码模块、偏振编码模块、衰减监控模块和同步光路，所述强度补偿模块与所述第三多模干涉耦合器连接，所述第三多模干涉耦合器与所述诱骗态强度调制模块连接，所述诱骗态强度调制模块与所述光开关模块连接，所述光开关模块分别与所述相位编码模块和所述偏振编码模块连接，所述相位编码模块与所述衰减监控模块连接。本发明在一个芯片上同时集成了相位编码和偏振编码模块，可以实现稳定的、安全的多强度调制，实现多种编码方式。

Description

一种多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及一种多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片。
背景技术
随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。随着量子计算等新兴技术的发展，传统的通信体系将受到极大的考验，而基于量子不确定性原理和不可克隆原理的量子通信在理论上可以实现通信的无条件安全。目前量子通信的常用方法和思路是量子密钥分发(Quantumkey distribution,QKD)技术，其主要部分包括信号编码、传输、解码等过程。
传统的加密方案安全性基于对窃听者计算能力的假设。然而，QKD技术可以使得相隔遥远的通信双方拥有相同的密钥，其安全性由量子力学的基本定律保证。但是实际器件的非理想性使得QKD系统的安全性大大降低，过去的几十年里，科学家提出了一系列的方法克服实际器件的非理想性，比如诱骗态QKD协议和测量设备无关QKD协议等，助推实际QKD系统由刚开始的一个演示性实验发展到今天已经有了成熟的商用系统。
然而，现有的QKD系统体型较大并且成本很高。所以要想实现QKD系统的大规模部署就要实现QKD系统的小型化和集成化。幸运的是，集成光子学可以为稳定、紧凑、低成本的QKD系统提供一个好的技术平台。虽然目前也有了一些集成化的芯片设计，但是诱骗态强度调制稳定性差容易被窃听者攻击。系统的制作容差小，成本高。编码方式单一，使用面窄。缺乏一定的监控，安全性差。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，可以进行多强度调制、多种编码方式和多协议操作。
本发明提供的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片包括强度补偿模块、第三多模干涉耦合器、诱骗态强度调制模块、光开关模块、相位编码模块、偏振编码模块、衰减监控模块和同步光路。
所述强度补偿模块与所述第三多模干涉耦合器连接，所述第三多模干涉耦合器与所述诱骗态强度调制模块连接，所述诱骗态强度调制模块与所述光开关模块连接，所述光开关模块分别与所述相位编码模块和所述偏振编码模块连接，所述相位编码模块与所述衰减监控模块连接。
所述强度补偿模块包括第一多模干涉耦合器和第二多模干涉耦合器，在所述第一多模干涉耦合器和所述第二多模干涉耦合器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第一热调谐型相移器和第一载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第二热调谐型相移器和第二载流子色散型相移器；所述第一热调谐型相移器和所述第二热调谐型相移器都与所述第一多模干涉耦合器连接，所述第一载流子色散型相移器和所述第二载流子色散型相移器都与所述第二多模干涉耦合器连接；在所述第二多模干涉耦合器上还连接有第一光功率检测器；所述第一多模干涉耦合器与第一光纤耦合器连接。
所述第三多模干涉耦合器与所述第二多模干涉耦合器连接，在所述第三多模干涉耦合器还连接有第二光纤耦合器。
所述诱骗态强度调制模块包括第四多模干涉耦合器和第五多模干涉耦合器，在所述第四多模干涉耦合器和所述第五多模干涉耦合器之间设有三条光臂，在第一条光臂上依次串联有第一可变光衰减器、第三热调谐型相移器和第三载流子色散型相移器，在第二条光臂上依次串联有第二可变光衰减器、第四热调谐型相移器和第四载流子色散型相移器，在第三条光臂上设有第三可变光衰减器；所述第一可变光衰减器和所述第二可变光衰减器都与所述第四多模干涉耦合器连接，所述第三载流子色散型相移器和所述第四载流子色散型相移器都与所述第五多模干涉耦合器连接；所述第四多模干涉耦合器与所述第三多模干涉耦合器连接，所述第五多模干涉耦合器上还连接有第二光功率检测器。
所述光开关模块包括第六多模干涉耦合器和第七多模干涉耦合器，在所述第六多模干涉耦合器和所述第七多模干涉耦合器之间设有两条光臂，在第一条光臂上设有第五热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第六热调谐型相移器；所述第六多模干涉耦合器与所述第五多模干涉耦合器连接。
所述相位编码模块包括第八多模干涉耦合器、第九多模干涉耦合器和第十多模干涉耦合器；
在所述第八多模干涉耦合器和所述第九多模干涉耦合器之间设有两条光臂，第一条光臂上串联有第七热调谐型相移器和第五载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第八热调谐型相移器和第六载流子色散型相移器；所述第七热调谐型相移器和所述第八热调谐型相移器都与所述第八多模干涉耦合器连接，所述第五载流子色散型相移器和所述第六载流子色散型相移器都与所述第九多模干涉耦合器连接；所述第八多模干涉耦合器与所述第七多模干涉耦合器连接；
在所述第九多模干涉耦合器和所述第十多模干涉耦合器之间设有两条光臂，第一条光臂上串联有第九热调谐型相移器、第七载流子色散型相移器和可调延时线模块，第二条光臂上串联有第十热调谐型相移器、第八载流子色散型相移器和第四可变光衰减器；所述第九热调谐型相移器和所述第十热调谐型相移器都与所述第九多模干涉耦合器连接，所述可调延时线模块和所述第四可变光衰减器都与所述第十多模干涉耦合器连接；
所述可调延时线模块包括N个光开关，N≥2；N个光开关通过硅基光波导串联，形成下支路；在第N-1个光开关和第N个光开关之间，还设有另一条光臂，在这条光臂上设有N-1个延时线圈，形成上支路。
优选地，所述可调延时线模块包括4个光开关，所述4个光开关通过硅激光波导串联，形成下支路；在相邻的两个光开关之间，还设有另一条光臂，形成上支路，在上支路上，在第1个光开关和第2个光开关之间设有1个延时线圈，在第2个光开关和第3个光开关之间设有2个延时线圈，在第3个光开关和第4个光开关之间设有3个延时线圈。
所述衰减监控模块包括第十一多模干涉耦合器、第五可变光衰减器和第三光功率检测器，所述第十一多模干涉耦合器分别与所述第五可变光衰减器和所述第三光功率检测器连接；所述第五可变光衰减器与所述第十多模干涉耦合器连接；所述第十一多模干涉耦合器上还分别连接了第三光纤耦合器和第四光纤耦合器。
所述偏振编码模块包括第十二多模干涉耦合器、第十三多模干涉耦合器和偏振旋转分束器；在所述第十二多模干涉耦合器和所述第十三多模干涉耦合器之间设有两条光臂，在这两条光臂上分别设有第九载流子色散型相移器和第十载流子色散型相移器；在所述第十三多模干涉耦合器和所述偏振旋转分束器之间设有两条光臂，在这两条光臂上分别设有第十一载流子色散型相移器和第十二载流子色散型相移器，在所述第十三多模干涉耦合器上还分别连接有第四光功率检测器和第五光功率检测器；所述第十二多模干涉耦合器通过第六可变光衰减器与所述第七多模干涉耦合器连接，所述第十二多模干涉耦合器还与第六光纤耦合器连接；所述偏振旋转分束器与第五光纤耦合器连接；
所述同步光路为分别与第七光纤耦合器和第八光纤耦合器连接的第十四多模干涉耦合器，所述第十四多模干涉耦合器上还连接有第六光功率检测器。
优选地，本发明的技术方案中所有连接方式均为通过硅基光波导连接。
本发明的有益效果：
(1)本发明可以实现稳定的、安全的多强度调制，实现多种编码方式，是多协议操作的QKD系统发送端；
(2)本发明在诱骗态强度调制模块中实现了集成化三路径，扩展了强度调节的范围，可以实现强度的任意调节；采用热调谐型相移器+载流子色散型相移器的相位调制方案，可以实现相位的快速调制，大幅提高系统的制作容差，降低成本，同时可以实现对相位更精确的调节；
(3)本发明在一个芯片上同时集成了相位编码和偏振编码模块，可同时实现两种编码方式；
(4)本发明在相位编码模块中设置了可调延时线模块，提高了时间相位编码模块对系统时钟频率选择的灵活性；
(5)本发明设置了衰减监控模块，对输出信号光进行检测，也可以对外部进入芯片的光进行检测，确保发送端芯片的安全性，使得整个系统的安全性大幅度提高；
(6)本发明在强度补偿模块、诱骗态强度调制模块、衰减监控模块、同步光路等模块后加上了光功率检测器，在衰减监控模块和同步光路上连接的光功率检测器可以检测是否存在外部光攻击，其他模块上的光功率检测器方便对芯片进行测试，提高了系统安全性。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1示出本发明提供的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片的结构图。
图中，1-强度补偿模块，2-诱骗态强度调制模块，3-光开关模块，4-相位编码模块，5-衰减监控模块，6-偏振编码模块，7-第三多模干涉耦合器，8-第六可变光衰减器，9-第十四多模干涉耦合器，10-第六光功率检测器，11-第一光纤耦合器，12-第二光纤耦合器，13-第三光纤耦合器，14-第四光纤耦合器，15-第五光纤耦合器，16-第七光纤耦合器，17-第六光纤耦合器，18-第八光纤耦合器，101-第一多模干涉耦合器，102第二多模干涉耦合器，103-第一热调谐型相移器，104-第一载流子色散型相移器，105第二热调谐型相移器，106-第二载流子色散型相移器，107-第一光功率检测器，201-第四多模干涉耦合器，202-第五多模干涉耦合器，203-第一可变光衰减器，204-第三热调谐型相移器，205-第三载流子色散型相移器，206-第二可变光衰减器，207-第四热调谐型相移器，208-第四载流子色散型相移器，209-第三可变光衰减器，210-第二光功率检测器，301-第六多模干涉耦合器，302-第七多模干涉耦合器，303-第五热调谐型相移器，304-第六热调谐型相移器，401-第八多模干涉耦合器，402-第九多模干涉耦合器，403-第十多模干涉耦合器，404-第七热调谐型相移器，405-第五载流子色散型相移器，406-第八热调谐型相移器，407-第六载流子色散型相移器，408-第九热调谐型相移器，409-第七载流子色散型相移器，410-可调延时线模块，411-第十热调谐型相移器，412-第八载流子色散型相移器，413-第四可变光衰减器，501-第十一多模干涉耦合器，502-第五可变光衰减器，503-第三光功率检测器，601-第十二多模干涉耦合器，602-第十三多模干涉耦合器，603-偏振旋转分束器，604-第九载流子色散型相移器，605-第十载流子色散型相移器，606-第十一载流子色散型相移器，607-第十二载流子色散型相移器，608-第四光功率检测器，609-第五光功率检测器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
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、完整地描述，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作出创造性劳动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。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
实施例一
图1示出本发明实施例一提供的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片的结构图，如图1所示，本发明的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片包括强度补偿模块1、第三多模干涉耦合器7、诱骗态强度调制模块2、光开关模块3、相位编码模块4、偏振编码模块6、衰减监控模块5和同步光路。
强度补偿模块1与第三多模干涉耦合器7连接，第三多模干涉耦合器7与诱骗态强度调制模块2连接，诱骗态强度调制模块2与光开关模块3连接，光开关模块3分别与相位编码模块4和偏振编码模块6连接，相位编码模块4与衰减监控模块5连接。
强度补偿模块1包括第一多模干涉耦合器101和第二多模干涉耦合器102，在第一多模干涉耦合器101和第二多模干涉耦合器102之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第一热调谐型相移器103和第一载流子色散型相移器104，在第二条光臂上串联有第二热调谐型相移器105和第二载流子色散型相移器106；第一热调谐型相移器103和第二热调谐型相移器105都与第一多模干涉耦合器101连接，第一载流子色散型相移器104和第二载流子色散型相移器106都与第二多模干涉耦合器102连接；在第二多模干涉耦合器102上还连接有第一光功率检测器107；第一多模干涉耦合器101与第一光纤耦合器11连接。
第三多模干涉耦合器7与第二多模干涉耦合器102连接，第三多模干涉耦合器7还与第二光纤耦合器12连接。
诱骗态强度调制模块2包括第四多模干涉耦合器201和第五多模干涉耦合器202，在第四多模干涉耦合器201和第五多模干涉耦合器202之间设有三条光臂，在第一条光臂上依次串联有第一可变光衰减器203、第三热调谐型相移器204和第三载流子色散型相移器205，在第二条光臂上依次串联有第二可变光衰减器206、第四热调谐型相移器207和第四载流子色散型相移器208，在第三条光臂上设有第三可变光衰减器209；第一可变光衰减器203和第二可变光衰减器206都与第四多模干涉耦合器201连接，第三载流子色散型相移器205和第四载流子色散型相移器208都与第五多模干涉耦合器202连接；第四多模干涉耦合器201与第三多模干涉耦合器7连接，第五多模干涉耦合器202上还连接有第二光功率检测器210。
光开关3包括第六多模干涉耦合器301和第七多模干涉耦合器302，在第六多模干涉耦合器301和第七多模干涉耦合器302之间设有两条光臂，在第一条光臂上设有第五热调谐型相移器303，在第二条光臂上设有第六热调谐型相移器304；第六多模干涉耦合器301与第五多模干涉耦合器202连接。
相位编码模块4包括第八多模干涉耦合器401、第九多模干涉耦合器402和第十多模干涉耦合器403；
在第八多模干涉耦合器401和第九多模干涉耦合器402之间设有两条光臂，第一条光臂上串联有第七热调谐型相移器404和第五载流子色散型相移器405，在第二条光臂上串联有第八热调谐型相移器406和第六载流子色散型相移器407；第七热调谐型相移器404和第八热调谐型相移器406都与第八多模干涉耦合器401连接，第五载流子色散型相移器405和第六载流子色散型相移器407都与第九多模干涉耦合器402连接；第八多模干涉耦合器401与第七多模干涉耦合器302连接；
在第九多模干涉耦合器402和第十多模干涉耦合器403之间设有两条光臂，第一条光臂上串联有第九热调谐型相移器408、第七载流子色散型相移器409和可调延时线模块410，第二条光臂上串联有第十热调谐型相移器411、第八载流子色散型相移器412和第四可变光衰减器413；第九热调谐型相移器408和第十热调谐型相移器411都与第九多模干涉耦合器402连接，可调延时线模块410和第四可变光衰减器413都与第十多模干涉耦合器403连接；
可调延时线模块410包括4个光开关，这4个光开关通过硅基光波导串联；在相邻的两个光开关之间，还设有另一条光臂，形成上支路，在上支路上，在第1个光开关和第2个光开关之间设有1个延时线圈，在第2个光开关和第3个光开关之间设有2个延时线圈，在第3个光开关和第4个光开关之间设有3个延时线圈。每个延时线圈提供t延时，通过控制光开关使光通过上支路或下支路，即可以选择t到6t的延时，以匹配不同的时钟频率，如表1所示；
表1可调延时模块的工作方式
衰减监控模块5包括第十一多模干涉耦合器501、第五可变光衰减器502和第三光功率检测器503，第十一多模干涉耦合器501分别述第五可变光衰减器502和第三光功率检测器503连接；第五可变光衰减器502与第十多模干涉耦合器403连接；第十一多模干涉耦合器501上还分别连接了第三光纤耦合器13和第四光纤耦合器14。
偏振编码模块6包括第十二多模干涉耦合器601、第十三多模干涉耦合器602和偏振旋转分束器603；在第十二多模干涉耦合器601和第十三多模干涉耦合器602之间设有两条光臂，在这两条光臂上分别设有第九载流子色散型相移器604和第十载流子色散型相移器605；在第十三多模干涉耦合器602和偏振旋转分束器603之间设有两条光臂，在这两条光臂上分别设有第十一载流子色散型相移器606和第十二载流子色散型相移器607，在第十三多模干涉耦合器602上还分别连接有第四光功率检测器608和第五光功率检测器609；第十二多模干涉耦合器601通过第六可变光衰减器8与第七多模干涉耦合器302连接，第十二多模干涉耦合器601还与第六光纤耦合器17连接；偏振旋转分束器603与第五光纤耦合器15连接。
同步光路为分别与第七光纤耦合器16和第八光纤耦合器18连接的第十四多模干涉耦合器9，第十四多模干涉耦合器9上还连接有第六光功率检测器10。
在本实施例中所有连接方式均为通过硅基光波导连接。
使用本实施例提供的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片同时集成了相位编码模块和偏振编码模块，可以实现如实施例二和实施例三所示的两种编码方式。
实施例二集成时间相位编码QKD系统发送端方案
步骤S1，调节光开关模块3，选择使光能量全部通过相位编码模块4，并且根据系统的时钟频率调整可延时线模块410，匹配好相应的延时线；
步骤S2，芯片外激光器发送的脉冲光经过第一光纤耦合器11耦合到波导中，随后经过强度补偿模块1对信号光的强度进行初级调制；
步骤S3，经过强度补偿模块1初级调制的信号光，进入诱骗态强度调制模块2，通过调节第一可变光衰减器203、第二可变光衰减器206和第三可变光衰减器209，调节三条光臂的分光比，满足条件(1)条件(2)/>条件(3)/>这里可以根据实验具体的需要，一般而言诱骗态强度调制至少需要两种强度的信号光。如果只需要调节两种强度的信号光。就可以选择I1＝I(0,0)，I4＝I(π,π),这时只需要调节第一可变光衰减器203、第二可变光衰减器206和第三可变光衰减器209，让光强满足条件(3)即可；如果需要调节三种强度的信号光，就可以选择I1＝I(0,0)，I2＝I(π,0)，I4＝I(π,π)三种强度，这时需要调节第一可变光衰减器203、第二可变光衰减器206和第三可变光衰减器209，使得光强同时满足条件(1)和(3)即可；如果需要调节四种强度的信号光就需要选择I1＝I(0,0)，I2＝I(π,0)，I3＝I(0,π)，I4＝I(π,π)四种强度这时需要调节第一可变光衰减器203、第二可变光衰减器206和第三可变光衰减器209，使得光强同时满足条件(1),(2),(3)即可。根据实验要求调节好三条光臂的分光比以后，先不调节诱骗态强度调制模块2和相位编码模块4的所有的载流子色散型相移器，将诱骗态强度调制模块2和相位编码模块4的所有热调谐型相移器置在干涉相长，最后调节第五可变光衰减器502，通过第四光纤耦合器14将光耦合到光纤中，然后使用芯片外的探测器观察使得光衰减到单光子级别满足I1＝I(0,0)＝μ1。这样就完成了诱骗态强度调制模块2的调试。如果想要调制μ1强度的光就通过同时让第三载流子色散型相移器205和第四载流子色散型相移器208工作在0电压下调制；如果想要调制μ2强度的光就通过让第三载流子色散型相移器205工作在半波电压下让第四载流子色散型相移器208工作在0电压下调制，如果想要调制μ3强度的光就通过让第三载流子色散型相移器205工作在0电压下，让第四载流子色散型相移器208工作在半波电压下调制，如果想要调制μ4强度的光就通过同时让第三载流子色散型相移器205和第四载流子色散型相移器208工作在半波电压下调制，由于对信号光的强度调制是随机的，所以对不同强度μ1，μ2，μ3，μ4的调制没有绝对的先后顺序；
步骤S4，进行时间相位编码，完成对X,Y,Z基的编码。对Z基矢进行编码时，调节第五载流子色散型相移器405和第六载流子色散型相移器407，使得其相位差为0，这时光能量全部从由第九多模干涉耦合器402的下支路输出，最终通过第十热调谐型相移器411、第八载流子色散型相移器412和第四可变光衰减器413后由第十多模干涉耦合器403输出。这时对应于Z基矢的|0>态。调节第五载流子色散型相移器405和第六载流子色散型相移器407，使得其相位差为π，这时光能量全部从由第九多模干涉耦合器402的上支路输出，最终通过第九热调谐型相移器408、第七载流子色散型相移器409和可调延时线模块410后由第十多模干涉耦合器403输出，这时对应于Z基矢的|1>态。这时第七载流子色散型相移器409和第八载流子色散型相移器412的相位差对态的调制没有影响；
步骤S5，对X基矢进行编码时，调节第五载流子色散型相移器405和第六载流子色散型相移器407，使得其相位差为这时光能量1:1的从第九多模干涉耦合器402的上支路和下支路输出，通过上支路的光通过第九热调谐型相移器408、第七载流子色散型相移器409和可调延时线模块410到达第十多模干涉耦合器403，通过下支路的光通过第十热调谐型相移器411、第八载流子色散型相移器412和第四可变光衰减器413后到达第十多模干涉耦合器403；如果调制第七载流子色散型相移器409和第八载流子色散型相移器412的相对相位为0，两支路的光在第十多模干涉耦合器403合束，此时对应于X基的/> 态；调节第五载流子色散型相移器405和第六载流子色散型相移器407，使得其相位差为/>这时光能量1:1的从第九多模干涉耦合器402的上支路和下支路输出，通过上支路的光通过第九热调谐型相移器408、第七载流子色散型相移器409和可调延时线模块410到达第十多模干涉耦合器403，通过下支路的光通过第十热调谐型相移器411、第八载流子色散型相移器412和第四可变光衰减器413后到达第十多模干涉耦合器403；如果调制第七载流子色散型相移器409和第八载流子色散型相移器412的相对相位为π，两支路的光在第十多模干涉耦合器403合束，此时对应于X基的/>态；
步骤S6，对Y基矢进行编码时，调节第五载流子色散型相移器405和第六载流子色散型相移器407，使得其相位差为这时光能量1:1的从第九多模干涉耦合器402的上支路和下支路输出，通过上支路的光通过第九热调谐型相移器408、第七载流子色散型相移器409和可调延时线模块410到达第十多模干涉耦合器403，通过下支路的光通过第十热调谐型相移器411、第八载流子色散型相移器412和第四可变光衰减器413后到达第十多模干涉耦合器403，如果调制第七载流子色散型相移器409和第八载流子色散型相移器412的相对相位为/>两支路的光在第十多模干涉耦合器403合束，此时对应于Y基的/> 态；调节第五载流子色散型相移器405和第六载流子色散型相移器407，使得其相位差为/>这时光能量1:1的从第九多模干涉耦合器402的上支路和下支路输出，通过上支路的光通过第九热调谐型相移器408、第七载流子色散型相移器409和可调延时线模块410到达第十多模干涉耦合器403，通过下支路的光通过第十热调谐型相移器411、第八载流子色散型相移器412和第四可变光衰减器413后到达第十多模干涉耦合器403，如果调制第七载流子色散型相移器409和第八载流子色散型相移器412的相对相位为/>两支路的光在第十多模干涉耦合器403合束，此时对应于Y基的/>态；
其中，步骤S4、步骤S5和步骤S6的编码过程是随机的，这三个步骤没有绝对的先后顺序；
步骤S7，最后通过衰减监控模块5对相位编码模块4输出光强进行监控，随后通过第三光纤耦合器13和第四光纤耦合器14耦合到芯片外的光纤中，通过第三光纤耦合器13输出的光和同步光路的同步光进行复用随后发给接收端。通过第四光纤耦合器14输出的光在作为发送端输出光强的监控，第三光功率检测器503用于监控是否有外部光对发送端芯片进行攻击。
按照实施例二的方法，可以实现两诱骗态、三诱骗态、四诱偏态强度调制下的时间相位编码。其中相位编码可实现BB84协议编码、MDI-QKD协议编码、RFI-MDI-QKD协议的编码。
实施例三集成偏振编码QKD系统发送端方案
步骤S1，调节光开关模块3，选择使光能量全部通过偏振编码模块6；
步骤S2，芯片外激光器发送的脉冲光经过第一光纤耦合器11耦合到波导中，随后经过强度补偿模块1对信号光的强度进行初级调制；
步骤S3，经过强度补偿模块1初级调制的信号光，进入诱骗态强度调制模块2，先通过调节第一可变光衰减器203、第二可变光衰减器206和第三可变光衰减器209控制三条臂的分光比，满足条件(1)条件(2)/>条件(3)/>这里可以根据实验具体的需要，一般而言诱骗态强度调制至少需要两种强度的信号光。如果只需要调节两种强度的信号光。就可以选择I1＝I(0,0)，I4＝I(π,π)，这时只需要调节第一可变光衰减器203、第二可变光衰减器206和第三可变光衰减器209，让光强满足条件(3)即可；如果需要调节三种强度的信号光，就可以选择I1＝I(0,0)，I2＝I(π,0)，I4＝I(π,π)三种强度，这时需要调节第一可变光衰减器203、第二可变光衰减器206和第三可变光衰减器209，使得光强同时满足条件(1)和(3)即可；如果需要调节四种强度的信号光就需要选择I1＝I(0,0)，I2＝I(π,0)，I3＝I(0,π)，I4＝I(π,π)四种强度这时需要调节第一可变光衰减器203、第二可变光衰减器206和第三可变光衰减器209，使得光强同时满足条件(1),(2),(3)即可。根据实验要求调节好三臂的分光比以后，先不调节诱骗态强度调制模块2和偏振编码模块6的所有的载流子色散型相移器，将诱骗态强度调制模块2所有的热调谐型相移器置在干涉相长，然后最后调节第六可变光衰减器8，通过第五光纤耦合器15将光耦合到光纤中，然后使用芯片外的探测器观察使得光衰减到单光子级别满足I1＝I(0,0)＝μ1。这样就完成了诱骗态强度调制模块2的调试。如果想要调制μ1强度的光就通过同时让第三载流子色散型相移器205和第四载流子色散型相移器208工作在0电压下调制；如果想要调制μ2强度的光就通过让第三载流子色散型相移器205工作在半波电压下让第四载流子色散型相移器208工作在0电压下调制，如果想要调制μ3强度的光就通过让第三载流子色散型相移器205工作在0电压下，让第四载流子色散型相移器208工作在半波电压下调制，如果想要调制μ4强度的光就通过同时让第三载流子色散型相移器205和第四载流子色散型相移器208工作在半波电压下调制，由于对信号光的强度调制是随机的，所以对不同强度μ1，μ2，μ3，μ4的调制没有绝对的先后顺序；
步骤S4，进行偏振编码，完成对对直角基的编码。调节第九载流子色散型相移器604和第十载流子色散型相移器605，使得其相位差为0，这时光能量全部从由第十三多模干涉耦合器602的下支路输出，最终通过第十二载流子色散型相移器607后由偏振旋转分束器603输出。这时对应于直角基的|V>态,代表垂直偏振态。调节第九载流子色散型相移器604和第十载流子色散型相移器605，使得其相位差为π，这时光能量全部从由第十三多模干涉耦合器602的上支路输出，最终通过第十一载流子色散型相移器606后由偏振旋转分束器603输出。这时对应于直角基的|H>态,代表水平偏振态。这时第十一载流子色散型相移器606和第十二载流子色散型相移器607的相位差对态的调制没有影响。
步骤S5，进行偏振编码，完成对对角基进行编码。调节第九载流子色散型相移器604和第十载流子色散型相移器605，使得其相位差为这时光能量1:1的从第十三多模干涉耦合器602的上支路和下支路输出，通过上支路的光通过第十一载流子色散型相移器606后到达偏振旋转分束器603，通过下支路的光则通过第十二载流子色散型相移器607到达达偏振旋转分束器603，如果调制第十一载流子色散型相移器606和第十二载流子色散型相移器607的相位差为0，两支路的光在偏振旋转分束器603处耦合到芯片外的光纤中，此时对应于对角基的|+>态代表45度的偏振光；调节第九载流子色散型相移器604和第十载流子色散型相移器605，使得其相位差为/>这时光能量1:1的从第十三多模干涉耦合器602的上支路和下支路输出，通过上支路的光通过第十一载流子色散型相移器606到达偏振旋转分束器603，通过下支路的光通过第十二载流子色散型相移器607到达偏振旋转分束器603，如果调制第十一载流子色散型相移器606和第十二载流子色散型相移器607的相位差为π，两支路的光在偏振旋转分束器603处耦合到芯片外的光纤中，此时对应于对角基的|->态，代表-45度的偏振光。
其中，步骤S4和步骤S5的编码过程是随机的，这两个步骤没有绝对的先后顺序；
步骤S6，通过第四光功率检测器608和第五光功率检测器609对输出光强进行监控，看偏振编码模块6两条支路的光是否均等；第六光纤耦合器17是专门为偏振编码模块6预留的测试端口。
按照实施例三的方法，可以实现两诱骗态、三诱骗态、四诱偏态强度调制下的偏振编码。其中偏振编码可实现BB84协议编码，MDI-QKD协议编码。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

Claims (9)

1.一种多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，其特征在于：包括强度补偿模块、第三多模干涉耦合器、诱骗态强度调制模块、光开关模块、相位编码模块、偏振编码模块、衰减监控模块和同步光路；
所述强度补偿模块与所述第三多模干涉耦合器连接，所述第三多模干涉耦合器与所述诱骗态强度调制模块连接，所述诱骗态强度调制模块与所述光开关模块连接，所述光开关模块分别与所述相位编码模块和所述偏振编码模块连接，所述相位编码模块与所述衰减监控模块连接；
其中，所述强度补偿模块包括第一多模干涉耦合器和第二多模干涉耦合器，在所述第一多模干涉耦合器和所述第二多模干涉耦合器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第一热调谐型相移器和第一载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第二热调谐型相移器和第二载流子色散型相移器；所述第一热调谐型相移器和所述第二热调谐型相移器都与所述第一多模干涉耦合器连接，所述第一载流子色散型相移器和所述第二载流子色散型相移器都与所述第二多模干涉耦合器连接；在所述第二多模干涉耦合器上还连接有第一光功率检测器；所述第一多模干涉耦合器与第一光纤耦合器连接。
2.按照权利要求1所述的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，其特征在于：所述第三多模干涉耦合器与所述第二多模干涉耦合器连接，在所述第三多模干涉耦合器还连接有第二光纤耦合器。
3.按照权利要求1所述的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，其特征在于：所述诱骗态强度调制模块包括第四多模干涉耦合器和第五多模干涉耦合器，在所述第四多模干涉耦合器和所述第五多模干涉耦合器之间设有三条光臂，在第一条光臂上依次串联有第一可变光衰减器、第三热调谐型相移器和第三载流子色散型相移器，在第二条光臂上依次串联有第二可变光衰减器、第四热调谐型相移器和第四载流子色散型相移器，在第三条光臂上设有第三可变光衰减器；所述第一可变光衰减器和所述第二可变光衰减器都与所述第四多模干涉耦合器连接，所述第三载流子色散型相移器和所述第四载流子色散型相移器都与所述第五多模干涉耦合器连接；所述第四多模干涉耦合器与所述第三多模干涉耦合器连接，所述第五多模干涉耦合器上还连接有第二光功率检测器。
4.按照权利要求3所述的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，其特征在于：所述光开关模块包括第六多模干涉耦合器和第七多模干涉耦合器，在所述第六多模干涉耦合器和所述第七多模干涉耦合器之间设有两条光臂，在第一条光臂上设有第五热调谐型相移器，在第二条光臂上设有第六热调谐型相移器；所述第六多模干涉耦合器与所述第五多模干涉耦合器连接。
5.按照权利要求4所述的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，其特征在于：所述相位编码模块包括第八多模干涉耦合器、第九多模干涉耦合器和第十多模干涉耦合器；
在所述第八多模干涉耦合器和所述第九多模干涉耦合器之间设有两条光臂，第一条光臂上串联有第七热调谐型相移器和第五载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第八热调谐型相移器和第六载流子色散型相移器；所述第七热调谐型相移器和所述第八热调谐型相移器都与所述第八多模干涉耦合器连接，所述第五载流子色散型相移器和所述第六载流子色散型相移器都与所述第九多模干涉耦合器连接；所述第八多模干涉耦合器与所述第七多模干涉耦合器连接；
在所述第九多模干涉耦合器和所述第十多模干涉耦合器之间设有两条光臂，第一条光臂上串联有第九热调谐型相移器、第七载流子色散型相移器和可调延时线模块，第二条光臂上串联有第十热调谐型相移器、第八载流子色散型相移器和第四可变光衰减器；所述第九热调谐型相移器和所述第十热调谐型相移器都与所述第九多模干涉耦合器连接，所述可调延时线模块和所述第四可变光衰减器都与所述第十多模干涉耦合器连接；
所述可调延时线模块包括N个光开关，N≥2；N个光开关通过硅基光波导串联；在第N-1个光开关和第N个光开关之间，还设有另一条光臂，在这条光臂上设有N-1个延时线圈。
6.按照权利要求5所述的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，其特征在于：所述衰减监控模块包括第十一多模干涉耦合器、第五可变光衰减器和第三光功率检测器，所述第十一多模干涉耦合器分别与所述第五可变光衰减器和所述第三光功率检测器连接；所述第五可变光衰减器与所述第十多模干涉耦合器连接；所述第十一多模干涉耦合器上还分别连接了第三光纤耦合器和第四光纤耦合器。
7.按照权利要求4所述的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，其特征在于：所述偏振编码模块包括第十二多模干涉耦合器、第十三多模干涉耦合器和偏振旋转分束器；在所述第十二多模干涉耦合器和所述第十三多模干涉耦合器之间设有两条光臂，在这两条光臂上分别设有第九载流子色散型相移器和第十载流子色散型相移器；在所述第十三多模干涉耦合器和所述偏振旋转分束器之间设有两条光臂，在这两条光臂上分别设有第十一载流子色散型相移器和第十二载流子色散型相移器，在所述第十三多模干涉耦合器上还分别连接有第四光功率检测器和第五光功率检测器；所述第十二多模干涉耦合器通过第六可变光衰减器与所述第七多模干涉耦合器连接，所述第十二多模干涉耦合器还与第六光纤耦合器连接；所述偏振旋转分束器与第五光纤耦合器连接。
8.按照权利要求1所述的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，其特征在于：所述同步光路为分别与第七光纤耦合器和第八光纤耦合器连接的第十四多模干涉耦合器，所述第十四多模干涉耦合器上还连接有第六光功率检测器。
9.按照权利要求1-8任一所述的多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片，其特征在于：所述的连接均为通过硅基光波导连接。
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