CN114285566A

CN114285566A - 信号处理设备及方法、电子设备及存储介质

Info

Publication number: CN114285566A
Application number: CN202111658124.5A
Authority: CN
Inventors: 朱洵; 钱懿; 胡晓
Original assignee: Wuhan Optical Valley Information Optoelectronic Innovation Center Co Ltd
Current assignee: Wuhan Optical Valley Information Optoelectronic Innovation Center Co Ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114285566B

Abstract

本申请实施例公开了一种信号处理设备，包括：分路模组、延时模组以及合路模组；分路模组与延时模组连接，分路模组包含多个端口，用于将接收到的待检测光子通过多个端口中的一个端口输出至延时模组；不同端口用于输出不同量子态的待检测光子；延时模组分别连接分路模组的多个端口以及合路模组，用于对从不同端口中接收到的待检测光子设置不同的传输延时；合路模组与延时模组连接，用于将多个端口对应的多个传输通路进行合并，并通过合并后的传输通路输出设置传输延时后的待检测光子。如此，基于不同端口对应的不同量子态，并对不同端口输出的待检测光子设置不同的传输延时，仅需一台单光子探测器即可确定待检测光子的量子态，大大降低成本。

Description

信号处理设备及方法、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种信号处理设备及方法、电子设备及存储介质。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)，是一种利用量子物理原理，在通信双方之间的信道里传输和建立保密的对称随机数的技术。该技术可以和现有的对称式密钥加密设备结合，实现量子保密通信。其中众多QKD方案当中，以密钥分发(Bennett-Brassard，BB84)协议为代表的离散变量量子密钥分发(Discrete Variable-quantum keydistribution，DV-QKD)技术使用最为广泛。

一般的单个物理载体的二元量子态，由布洛赫球(Bloch sphere)的球面上的矢量来表示。BB84协议需要QKD接收端，可以在两组正交的基矢中随机选则，并且在选择了其中正确的那组基矢的前提下，能准确通过单光子探测器(Single photon detector，SPD)的脉冲现象分辨布洛赫球面分别和X轴，Y轴相交的共4个相交点的量子态。相关技术中对于接收端光子探测的方法较为单一，仍存在成本较高或过于冗杂的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种信号处理设备及方法、电子设备及存储介质

本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种信号处理设备，所述设备包括：分路模组、延时模组以及合路模组；

所述分路模组与所述延时模组连接，所述分路模组包含多个端口，用于将接收到的待检测光子通过多个端口中的一个端口输出至所述延时模组；不同所述端口用于输出不同量子态的待检测光子；

所述延时模组分别连接所述分路模组的多个端口以及所述合路模组，用于对从不同所述端口中接收到的待检测光子设置不同的传输延时；

所述合路模组与所述延时模组连接，用于将所述多个端口对应的多个传输通路进行合并，并通过合并后的传输通路输出设置传输延时后的待检测光子。

进一步地，所述延时模组包括多个延时单元，其中，一个所述延时单元与一个所述端口连接，不同的所述延时单元设置的传输延时不同。

进一步地，所述分路模组包括：第一端口、第二端口、第三端口及第四端口；

所述延时模组包括：第一延时单元、第二延时单元以及第三延时单元；

所述合路模组包括：第一合束器、第二合束器以及第三合束器；

所述第一合束器包括第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第一输入端与所述第一端口连接，所述第二输入端通过所述第一延时单元与所述第二端口连接；

所述第二合束器包括第三输入端、第四输入端和第二输出端，所述第三输入端通过所述第二延时单元与所述第三端口连接，所述第四输入端通过所述第三延时单元与所述第四端口连接；

所述第三合束器包括第五输入端、第六输入端和第三输出端，所述第五输入端与所述第一输出端连接，所述第六输入端与所述第二输出端连接；所述第三输出端用于输出设置传输延时后的所述待检测光子。

进一步地，所述设备还包括：第一可变光衰减器VOA、第二VOA以及第三VOA；

所述第一VOA连接在所述第一输入端与所述第一端口之间；

所述第二VOA连接在所述第一延时单元与所述第二端口之间；

所述第三VOA连接在所述第二延时单元与所述第三端口之间；所述VOA用于对所述VOA所在传输通路中的待检测光子强度进行衰减处理。

进一步地，所述设备还包括：第一监控模组、第二监控模组、第三监控模组以及第四监控模组；

所述第一监控模组连接在所述第一VOA与所述第一输入端之间；

所述第二监控模组连接在第一延时单元与所述第二输入端之间；

所述第三监控模组连接在第二延时单元与所述第三输入端之间；

所述第四监控模组连接在第三延时单元与所述第四输入端之间；所述监控模组用于监控所述监控模组所在传输通路中的待检测光子强度；所述待检测光子强度用于调节所述VOA的参数。

进一步地，每一所述监控模组包括一个耦合器和一个监控光电二极管MPD；

所述耦合器包括一个耦合输入端和两个耦合输出端；所述耦合输入端用于输入所述待检测光子；所述两个耦合输出端分别用于连接所述MPD和输出所述待检测光子。

进一步地，所述分路模组，还包括：偏振分束模块、第一分束器、第二分束器、第一调制模块以及第二调制模块；

所述偏振分束模块分别与第一分束器和第二分束器连接，用于将接收到的待检测光子分为第一分量和第二分量，并分别传输至所述第一分束器和第二分束器；

所述第一分束器分别与所述偏振分束模块以及第一调制模块连接，用于将所述第一分量分别传输至所述第一调制模块和所述第二调制模块；

所述第二分束器分别与所述偏振分束模块以及第二调制模块连接，用于将所述第二分量分别传输至所述第一调制模块和所述第二调制模块；

所述第一调制模块和所述第二调制模块，分别用于将第一分量与第二分量调制后还原的待检测光子输出至多个端口中的一个端口。

进一步地，所述第一调制模块包括：第一调制器、第二调制器、第一多模干涉光分束器MMI、第三调制器、第四调制器以及第二MMI；

所述第一调制器与所述第一分束器连接，用于对所述第一分量进行调制后输出至所述第一MMI；

所述第二调制器与所述第二分束器连接，用于对所述第二分量进行调制后输出至所述第一MMI；

所述第一MMI分别与第一调制器、第二调制器、第三调制器以及第四调制器连接；

所述第三调制器用于将所述第一MMI输出的第三分量的相位调整π/2后输出至所述第二MMI；

所述第四调制器用于将所述第一MMI输出的第四分量的相位调整π/2后输出至所述第二MMI；

所述第二MMI分别与第三调制器、第四调制器、第一端口以及第二端口连接，用于基于相位调制后的所述第三分量和第四分量还原待检测光子并输出至第一端口或第二端口。

进一步地，所述第二调制模块包括：第五调制器、第六调制器、第三MMI、第七调制器、第八调制器以及第四MMI；

所述第五调制器与所述第一分束器连接，用于对所述第一分量的相位调整π/2后输出至所述第三MMI；

所述第六调制器与所述第二分束器连接，用于对所述第二分量的相位调整π/2后输出至所述第三MMI；

所述第三MMI分别与第五调制器、第六调制器、第七调制器以及第八调制器连接；

所述第七调制器用于将所述第三MMI输出的第五分量的相位调整π/2后输出至所述第四MMI；

所述第八调制器用于将所述第三MMI输出的第六分量的相位调整π/2后输出至所述第四MMI；

所述第四MMI分别与第七调制器、第八调制器、第三端口以及第四端口连接，用于基于相位调制后的所述第五分量和第六分量还原待检测光子并输出至第三端口或第四端口。

进一步地，所述偏振分束模块包括：偏振分束器PBS、第四VOA以及偏振旋转器；

所述PBS分别连接所述第四VOA和所述偏振旋转器，用于将所述待检测光子分为横电波TE模态分量以及横磁波TM模态分量，并分别传输至所述第四VOA和所述偏振旋转器；

所述偏振旋转器分别连接所述PBS和所述第二分束器，用于将所述TM模态分量转换为TE模态的第二分量并传输至所述第二分束器；

所述第四VOA分别连接所述PBS和所述第一分束器，用于根据所述偏振旋转器产生的功率损耗对所述TE模态分量进行衰减处理，得到第一分量并传输至所述第一分束器。

第二方面，本发明实施例提供一种信号处理方法，应用于前述一个或多个技术方案所述的信号处理设备，所述方法包括：

获取待检测光子的传输延时；

基于所述传输延时确定输出所述待检测光子的端口对应的量子态为所述待检测光子的量子态；

基于所述量子态对所述待检测光子进行处理，得到所述待检测光子指示的量子密钥。

进一步地，所述获取待检测光子的传输延时，包括：

基于针对所述待检测光子的响应时刻，确定所述待检测光子的传输延时。

进一步地，所述基于所述传输延时确定输出所述待检测光子的端口对应的量子态为所述待检测光子的量子态，包括：

获取单光子探测器的探测频率；

基于所述探测频率与所述传输延时，以及每一输出所述待检测光子的端口对应的传输延时，确定输出所述待检测光子的目标端口；

确定所述目标端口对应的量子态为所述待检测光子的量子态。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器；

处理器运行所述计算机程序时，执行前述一个或多个技术方案所述方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令；计算机可执行指令被处理器执行后，能够实现前述一个或多个技术方案所述方法。

本发明提供的信号处理设备，包括：分路模组、延时模组以及合路模组；分路模组与延时模组连接，分路模组包含多个端口，用于将接收到的待检测光子通过多个端口中的一个端口输出至延时模组；不同端口用于输出不同量子态的待检测光子；延时模组分别连接分路模组的多个端口以及合路模组，用于对从不同端口中接收到的待检测光子设置不同的传输延时；合路模组与延时模组连接，用于将多个端口对应的多个传输通路进行合并，并通过合并后的传输通路输出设置传输延时后的待检测光子。如此，通过对不同端口输出的待检测光子分别设置不同的传输延时，从而在多个传输通路合路后，仅需一台单光子探测器即可基于检测到的待检测光子的传输延时定位分辨出待检测光子输出的端口，进而确定待检测光子的量子态。无需针对每一端口分别设置一个单光子探测器进行检测，大大降低了信号处理的设备成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种信号处理设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种信号处理设备的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种信号处理方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种信号处理装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种信号处理设备的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的对于不同量子态的待检测光子的SPD响应延时示意图。

附图标记说明

10、分路模组；20、延时模组；30、合路模组；

11、第一端口；12、第二端口；13、第三端口；14、第四端口；

21、第一延时单元；22、第二延时单元；23、第三延时单元；

31、第一合束器；32、第二合束器；33、第三合束器；

311、第一输入端；312、第二输入端；313、第一输出端；321、第三输入端；322、第四输入端；323、第二输出端；331、第五输入端；332、第六输入端；333、第三输出端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本发明的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种信号处理设备，包括：分路模组10、延时模组20以及合路模组30；

所述分路模组10与所述延时模组20连接，所述分路模组10包含多个端口，用于将接收到的待检测光子通过多个端口中的一个端口输出至所述延时模组20；不同所述端口用于输出不同量子态的待检测光子；

所述延时模组20分别连接所述分路模组10的多个端口以及所述合路模组30，用于对从不同所述端口中接收到的待检测光子设置不同的传输延时；

所述合路模组30与所述延时模组20连接，用于将所述多个端口对应的多个传输通路进行合并，并通过合并后的传输通路输出设置传输延时后的待检测光子。

在本发明实施例中，所述信号处理设备可应用于量子密钥分发系统的接收侧，用于对发送侧发送的待检测光子进行处理。

信号处理设备可以为独立的设备，也可以为设置在接收侧主体设备中的芯片等。

待检测光子具备一种量子态，例如，所述量子态可为45°、-45°、左旋圆以及右旋圆中的一种。待检测光子用于携带量子密钥信息，接收侧的信号处理设备可用于在确定待检测光子的量子态后，基于量子态对待检测光子进行处理，得到对应的密钥信息。

这里，信号处理设备可包含第一光口，例如可以为与外部光纤连接的第一端面耦合光口，从而接收待检测光子。分路模组10连接第一端面耦合光口获取信号光，可用于将待检测光子通过一个端口输出，例如，分路模组10中可包括至少一个分束器以及调制模组，可以用于将待检测光子按偏振态分为多个分量，并基于调制模组的转移矩阵将待检测光子从一个端口输出。示例性地，若待检测光子的量子态为4种中的一种，则分路模组10的端口设为4个。

在一个实施例中，分路模组10为1输入多输出的测量投影模组，具体用于将接收到的待检测光子通过模组中的转移矩阵，根据待检测光子的量子态不同，投射到分路模组10中多个用于输出的端口中的不同端口，从而实现对待检测光子的区分测量。

在一个实施例中，分路模组10可包括n个端口，其中，每一端口对应一种量子态。例如，第一量子态即45°的待检测光子从第一端口输出，第二量子态即-45°的待检测光子从第二端口输出…等。如此，只需确定待检测光子是从哪一个端口输出的，即可确定待检测光子的量子态。

在另一个实施例中，延时模组20可用于对待检测光子进行传输延时的设置，例如，延时模组20可包括多个延时单元，分别设置于多个端口对应的多个传输通路上，不同延时单元对不同端口输出的待检测光子设置的传输延时不同。

在又一个实施例中，合路模组30可包括至少一个合束器，用于将设置延时后的待检测光子通过多个传输通路合并的一个传输通路输出。合路模组30的输出端可用于连接一台SPD，用于检测待检测光子。

在一个实施例中，信号处理设备还可以包含第二光口，例如可以为第二端面耦合光口，用于与外部光纤或SPD连接，输出待检测光子。

相关技术中，一般的QKD系统接收端会选择同时使用4台单光子探测器来对4个不同量子态进行区分，导致大批量生产与应用中的成本十分高昂。而已有的实验室实现的单探测器QKD系统接收端使用光纤延时的方案，虽然降低了单套接收器的成本，但是光纤延时线本身有着无法精确加工和过于冗杂的缺点，导致接收端设备体积偏大，集成度很低。

如此，基于延时模组20对不同端口输出的不同量子态的待检测光子设置各不相同的传输延时，进而将多个端口对应的多条传输通路合并为一条，仅需一台SPD即可根据检测到的待检测光子的传输延时或响应时间差等，确定出待检测光子由哪一个端口输出。在此基础上，可以根据分路模组10中每一端口对应的量子态，确定待检测光子的量子态，并用于还原处理待检测光子得到对应的量子密钥。

在一些实施例中，所述延时模组20包括多个延时单元，其中，一个所述延时单元与一个所述端口连接，不同的所述延时单元设置的传输延时不同。

在本发明实施例中，每一延时单元与一个端口连接，用于对该端口输出的待检测光子设置传输延时，例如，延时单元可以为一个或多个预设尺寸的延时线，用于通过延长待检测光子的传输路径长度，从而设置传输延时。其中，延时线可以为氮化硅延时线，易于在芯片上进行精准加工和集成。

在另一个实施例中，所述延时单元可包括：至少一个延时线。例如，不同的延时单元设置的传输延时不同，可以通过不同的延时单元包含的延时线数量不同。例如，多个延时单元分别包含1个延时线、2个延时线、3个延时线…等，从而对对应的待检测光子分别设置1个单位的传输延时、2个单位的传输延时、3个单位的传输延时等。

在一些实施例中，如图2所示，所述分路模组10包括：第一端口11、第二端口12、第三端口13及第四端口14；

所述延时模组20包括：第一延时单元21、第二延时单元22以及第三延时单元23；

所述合路模组30包括：第一合束器31、第二合束器32以及第三合束器33；

所述第一合束器31包括第一输入端311、第二输入端312和第一输出端313，所述第一输入端311与所述第一端口11连接，所述第二输入端312通过所述第一延时单元21与所述第二端口12连接；

所述第二合束器32包括第三输入端321、第四输入端322和第二输出端323，所述第三输入端321通过所述第二延时单元22与所述第三端口13连接，所述第四输入端322通过所述第三延时单元23与所述第四端口14连接；

所述第三合束器33包括第五输入端331、第六输入端332和第三输出端333，所述第五输入端332与所述第一输出端313连接，所述第六输入端332与所述第二输出端323连接；所述第三输出端333用于输出设置传输延时后的所述待检测光子。

在本发明实施例中，第一延时单元21可以包含1个预设尺寸的延时线，第二延时单元22可以包含2个所述延时线，第三延时单元23可以包含3个所述延时线。

在一个实施例中，第一合束器31、第二合束器32以及第三合束器33可以为1×2合束器，即2路输入1路输出的合束器。示例性的，合束器可以为合束比为50:50的合束器，也可以选用多模干涉光分束器(Multi-Mode Interference，MMI)作为合束器，此时将MMI的输入端作为合束器的输出端，将MMI的输出端作为合束器的输入端。

在一个实施例中，传输延时可以根据信号处理设备所连接的SPD探测频率f确定，例如，包含一个延时线的延时单元对应的传输延时为1/f。

在另一个实施例中，第一端口11输出的待检测光子不经过延时单元，直接输入第一合束器31，即延时模组20不对待检测光子设置传输延时，此时待检测光子的传输延时为0。第二端口12输出的待检测光子经过第一延时单元21，例如第一延时单元21包含1个延时线，则传输延时为1/f。第三端口13输出的待检测光子经过第二延时单元22，例如第二延时单元22包含2个延时线，则传输延时为1/f。第四端口14输出的待检测光子经过第三延时单元23，例如第三延时单元23包含3个延时线，则传输延时为3/f。

在一个实施例中，第一合束器31将第一端口11对应的传输通路与第二端口12对应的传输通路进行合并，第二合束器32将第三端口13对应的传输通路与第四端口14对应的传输通路进行合并，第三合束器33将第一合束器31与第二合束器32的输出通路进行再次合路，从而形成一条传输通路用于输出设置传输延时后的待检测光子。

如此，基于一台SPD对待检测信号进行检测，即可基于基于传输延时形成的SPD对于不同子信号的响应时差等，辨别并定位待检测光子输出的端口。

在一些实施例中，所述设备还包括：第一可变光衰减器VOA、第二VOA以及第三VOA；

所述第一VOA连接在所述第一输入端311与所述第一端口11之间；

所述第二VOA连接在所述第一延时单元21与所述第二端口12之间；

所述第三VOA连接在所述第二延时单元22与所述第三端口13之间；所述VOA用于对所述VOA所在传输通路中的待检测光子强度进行衰减处理。

在本发明实施例中，由于延时单元对所在通路内的待检测光子强度会产生一定损耗，且延时单元设置的传输延时越长，即延时单元包含的延时线越多，对待检测光子强度产生的损耗越大。因此，在各通路中设置可变光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)对各通路的待检测光子进行不同程度的衰减处理，从而平衡各通路传输的待检测光子强度，优化信号处理效果。

在一个实施例中，VOA可以连接在合束器的输入端与分路模组10输出子信号的端口之间，包括连接在延时单元与端口之间，或者，连接在延时单元与合束器的输入端之间。

在另一个实施例中，每一VOA的衰减参数等可根据该VOA所在传输通路中的待检测光子强度确定，例如，根据所在传输通路中的待检测光子强度与其他通路中的待检测光子强度差值确定。

如此，各传输通路中的待检测光子强度可以基于VOA的衰减进行均衡化处理，从而优化合路后的待检测光子强度稳定性，提升信号处理效果。

在一些实施例中，所述设备还包括：第一监控模组、第二监控模组、第三监控模组以及第四监控模组；

所述第一监控模组连接在所述第一VOA与所述第一输入端311之间；

所述第二监控模组连接在第一延时单元21与所述第二输入端312之间；

所述第三监控模组连接在第二延时单元22与所述第三输入端321之间；

所述第四监控模组连接在第三延时单元23与所述第四输入端322之间；所述监控模组用于监控所述监控模组所在传输通路中的待检测光子强度；所述待检测光子强度用于调节所述VOA的参数。

在本发明实施例中，分路模组10的每一个用于输出待检测光子的端口对应一条传输通路。在多条传输通路通过第一合束器31和第二合束器32的输入端合路之前，对各通路的待检测光子强度进行监控，从而基于监控到的待检测光子强度可以准确调节对应的VOA衰减参数等，更好地平衡各通路间待检测光子强度。

在一个实施例中，监控模组可以包括一个耦合器与一个监控单元，子信号通过耦合器分波输出至监控单元和合束器的输入端，从而在监控待检测光子强度的同时进行合束处理，提高信号处理效率。

在一些实施例中，每一所述监控模组包括一个耦合器和一个监控光电二极管MPD；

在本发明实施例中，监控光电二极管(Monitor Photo Diode，MPD)用于获取待检测光子的强度。耦合器用于按耦合器自身的耦合比将输入的待检测光子分为两份信号分别输出。

在一个实施例中，耦合器的两个耦合输出端的耦合比可根据待检测光子的强度等参数预先设定，例如待检测光子强度较小时等情况下，可以为1：9的耦合比，则耦合器为1×2、10：90的耦合器，即输出至MPD的耦合输出端为所在通路中待检测光子的10％，将子信号输出至合束器的输入端的耦合输出端为所在通路中待检测光子的90％。

可选地，待检测光子强度较大时，由于小比例的待检测光子也可以足够用于确定待检测光子强度，则耦合比也可以为1：99等。

如此，通过设置耦合器的耦合输出及合适的耦合比，例如设置为1：9，可以在不对待检测光子进行过多的损耗的情况下，MPD又可以通过获取足够比例的待检测光子，更加准确地获取待检测光子强度，从而为VOA参数设置提供准确的依据。

在一些实施例中，所述分路模组10，还包括：偏振分束模块、第一分束器、第二分束器、第一调制模块以及第二调制模块；

在本发明实施例中，偏振分束模块用于将接收到的待检测光子分为两个分量，其中，第一分量和第二分量可以分别表征待检测光子不同模态下的分量。

在一个实施例中，第一分量与第二分量可为经过偏振状态分离后形成的不同偏振态的分量，也可以为转换成同一偏振态的不同分量。例如，偏振态可以包括横电波(Transverse electricwave，TE)模态和横磁波(Transverse magneticwave，TM)模态。

第一分束器可以用于将输入的第一分量分别从两个输出端输出，也就是说将第一分量分别输入至第一调制模块和第二调制模块。

第二分束器可以用于将输入的第二分量分别从两个输出端输出，也就是说将第二分量分别输入至第一调制模块和第二调制模块。

在另一个实施例中，第一调制模块和第二调制模块，用于分别对第一分束器和第二分束器输出的一个分量进行相位差调制，例如，第一调制模块和第二调制模块均用于调制处理第一分量和第二分量。

在又一个实施例中，第一调制模块和第二调制模块调制产生的相位差可以不同，例如，第一调制模块可产生π/2的相位差，第二调制模块可产生π的相位差。

如此，基于调制模块对第一分量和第二分量分别进行调制处理，经过调制模块的转移矩阵输出的待检测光子的量子态对应不同的端口，便于根据待检测光子的不同量子态，基于不同的相位调制选择相应的输出的端口，从而便于确定待检测光子的量子态。

在一些实施例中，所述第一调制模块包括：第一调制器、第二调制器、第一多模干涉光分束器MMI、第三调制器、第四调制器以及第二MMI；

所述第二MMI分别与第三调制器、第四调制器、第一端口11以及第二端口12连接，用于基于相位调制后的所述第三分量和第四分量还原待检测光子并输出至第一端口11或第二端口12。

在本发明实施例中，第一调制器和第二调制器对第一分量和第二分量进行相位调制后，输入至第一MMI进行多模干涉分束后，输出第一分量和第二分量转换后的第三分量和第四分量。进一步地，基于第三调制器和第四调制器设置相位差，并通过第二MMI再次进行多模干涉分束，还原出待检测光子从第一端口11或第二端口12输出。

在一个实施例中，第一调制器和第二调制器可以分别包含

的转移矩阵，即对输入的分量产生θ1的相位差，其中，θ1可以为π/2或0等。第一MMI和第二MMI中可以分别包含

的转移矩阵。第三调制器和第四调制器可以分别包含

的转移矩阵，即对第一MMI输出的分量分别产生

的相位差，其中，

可以为π/2或0等。

在另一个实施例中，分别用E1和E2表示待检测光子的电场分量和磁场分量，输入的待检测光子可以表示为

的矩阵。当θ1取值为0时，第二MMI的输出为

当

取值为π/2时，对于量子态45°的待检测光子，E1＝E2，分路模组10的最终输出可表示为

对于量子态-45°的待检测光子，E1＝-E2，分路模组10的最终输出可表示为

基于此，根据表示输出的待检测光子的1×2矩阵，每一行对应一个输出待检测光子的端口，即，待检测光子通过不为0的一行对应的端口输出。例如，第二MMI可包含用于输出待检测光子的两个端口为第一端口11和第二端口12，第一端口11在上，第二端口12在下，45°的待检测光子矩阵第二行为0，则从第一端口11输出；-45°的待检测光子矩阵第一行为0，则从第二端口12输出。

因此，通过确定待检测光子是从第二MMI的哪一个端口输出，即可确定对应的量子态。例如，确定待检测光子从第一端口11输出，则其量子态为45°。

如此，基于π/2的相位差调制，可以使输出待检测光子的第一端口11和第二端口12，分别对应于-45°和45°的量子态。

在一些实施例中，所述第二调制模块包括：第五调制器、第六调制器、第三MMI、第七调制器、第八调制器以及第四MMI；

所述第四MMI分别与第七调制器、第八调制器、第三端口13以及第四端口14连接，用于基于相位调制后的所述第五分量和第六分量还原待检测光子并输出至第三端口13或第四端口14。

在本发明实施例中，对第一分量和第二分量的处理逻辑可与第一调制模块的处理逻辑相同或相似。经过第四MMI输出的待检测光子，相较于调制前的待检测光子的总相位差调制为π，可以使输出待检测光子的第三端口13和第四端口14，分别对应左旋圆和右旋圆的量子态。

这里，第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器和第四相位调制器，可以为热相位调制器(Heater)，也可以为其它类型的相位调制器。

在一个实施例中，第五调制器和第六调制器分别可以包含

的转移矩阵，即对输入的分量产生θ2的相位差，其中，θ2可以为π/2或0等。第三MMI和第四MMI中分别可以包含

的转移矩阵。第七调制器和第八调制器分别可以包含

的转移矩阵，即对第三MMI输出的分量分别产生

的相位差，其中，

可以为π/2或0等。

的矩阵。第四MMI输出的待检测光子矩阵可表示为

当θ2取值为π/2，且

取值为π/2时，对于量子态为左旋圆的待检测光子，输出的待检测光子可表示为

对于量子态为右旋圆的待检测光子，输出的待检测光子可表示为

基于此，根据表示输出的待检测光子的1×2矩阵，每一行对应一个输出待检测光子的端口，即，待检测光子通过不为0的一行对应的端口输出。例如，第四MMI可包含用于输出待检测光子的两个端口为第三端口13和第四端口14，第三端口13在上，第四端口14在下。右旋圆的待检测光子矩阵第二行为0，则从第三端口13输出；左旋圆的待检测光子矩阵第一行为0，则从第四端口14输出。

因此，通过确定待检测光子是从第四MMI的哪一个端口输出，即可确定对应的量子态。例如，确定待检测光子从第三端口13输出，则其量子态为右旋圆。如此，经过θ2和

总计产生相位差为π的相位调制，基于上述结构的分路模组10的四个端口，即第二MMI和第四MMI包含的四个端口，可分别用于输出一种量子态的待检测光子，从而利于在基于待检测光子的传输延时确定对应的端口后，可确定对应的量子态。

如此，基于上述结构的分路模组10的四个端口，可分别用于输出一种量子态的待检测光子，从而利于在基于待检测光子的传输延时确定对应的端口后，可确定对应的量子态。

在一些实施例中，所述偏振分束模块包括：偏振分束器PBS、第四VOA以及偏振旋转器；

在本发明实施例中，偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)可用于将接收到的待检测光子分为一个TE模态的分量和一个TM模态的分量。TM模态的分量可通过偏振旋转器转换为TE模态的分量，即第二分量。

在一个实施例中，偏振分束模块可以为一个偏振分束旋转器(polarizationsplitter-rotator，PSR)，通过PSR即可实现TE模态分量和TM模态分量的分离，以及TM模态转换为TE模态，从而基于一个PSR器件即可实现PBS和偏振旋转器的功能组合。

在一个实施例中，偏振旋转器也可以连接在PBS和第一分束器之间，用于将TE模态的分量转换为TM模态的第一分量传输至第一分束器，并且经过连接在PBS与第二分束器之间的第四VOA衰减后的TM模态的第二分量传输至第二分束器。

由于偏振旋转器将TM模态的分量转换为TE模态的第二分量过程中，会产生一定的损耗，因此设置第四VOA对TE模态分量进行同等程度的衰减处理，得到与第二分量强度相同或相似，或强度差值在预设范围内的第一分量。

在一个实施例中，第四VOA的参数可根据偏振旋转器输出的第二分量的强度确定。例如，所述偏振旋转器与第二分束器之间，还可以包括一个第五监控模组，用于监控所述第二分量的强度，所述强度用于确定所述第四VOA的衰减参数。

这里，所述第五监控模组可以与前述一个或多个实施例中的监控模组的结构相同，包括一个耦合器和一个MPD，也可以为其他形式的结构。

如此，基于第四VOA的衰减处理，可以实现第一分量与第二分量在偏振模态以及强度上的整体均衡，从而更好地提高后续分路、延时合路以及光子检测等步骤的稳定性。

如图3所示，本发明实施例提供一种信号处理方法，应用于前述一个或多个技术方案所述的信号处理设备，所述方法包括：

S110：获取待检测光子的传输延时；

S120：基于所述传输延时确定输出所述待检测光子的端口对应的量子态为所述待检测光子的量子态；

S130：基于所述量子态对所述待检测光子进行处理，得到所述待检测光子指示的量子密钥。

在本发明实施例中，可通过例如一台SPD等的检测设备，对待检测光子进行检测。所述待检测光子的传输延时，可以根据检测设备对待检测光子的响应时刻，或者对不同待检测光子的响应时差等进行确定。

在一个实施例中，根据待检测光子的传输延时，以及用于输出待检测光子的不同端口对应的的传输通路中的延时单元包含的延时线数量，可以确定输出该待检测光子的传输通路，进而可确定在分路模组中输出该待检测光子的端口。进一步地，可以确定该端口对应的量子态为待检测光子的量子态。

在另一个实施例中，基于量子态对待检测光子进行处理，可以包括基于量子态解析待检测光子中携带的密钥信息，例如密钥信息可以包括1和/或0，基于解析得到的密钥信息可以还原得到对应的量子密钥。

在一些实施例中，所述S110，可包括：

在本发明实施例中，根据检测设备例如SPD对于待检测光子出现响应的时刻，确定对应的传输延时。例如，根据SPD对设置传输延时后待检测光子的响应时刻，以及接收侧信号处理设备通过第一光口接收到待检测光子的接收时刻，确定待检测光子的传输延时。

在一个实施例中，也可以根据SPD对设置传输延时后待检测光子的响应时刻，以及SPD对历史接收的待检测光子的历史响应时刻，比较确定本次待检测光子的传输延时。例如，对于历史接收的由第一端口输出的待检测光子，该光子未设置传输延时，则根据本次待检测光子的响应时刻与该未设置传输延时的光子的历史响应时刻之间的差值，可以作为传输延时。

在一些实施例中，所述S120，可包括：

获取单光子探测器的探测频率；

在本发明实施例中，基于SPD的探测频率可确定一个延时线对应的单位传输延时，例如，探测频率为f时，可确定单位传输延时为1/f。

在一个实施例中，基于探测频率和待检测光子对应的传输延时，可以确定待检测光子所在的传输通路中包含的延时线数量。例如，确定探测频率为f，以及待检测光子的传输延时为t1时，对应的传输通路中延时单元包含的延时线数量为t1/(1/f)。

如此，基于传输延时及探测频率，可以确定出待检测光子对应的传输通路中延时线的数量，进而可基于延时模组的结构以及每一延时单元与分路模组输出待检测光子的端口的对应关系，确定输出待检测光子的目标端口。

如图4所示，本发明实施例提供一种信号处理装置，包括：

获取单元110，用于获取待检测光子的传输延时；

确定单元120，用于基于所述传输延时确定输出所述待检测光子的端口对应的量子态为所述待检测光子的量子态；

处理单元130，用于基于所述量子态对所述待检测光子进行处理，得到所述待检测光子指示的量子密钥。

在一些实施例中，所述检测单元110具体用于：

在一些实施例中，所述确定单元120具体用于：

获取单光子探测器的探测频率；

以下结合上述任一实施例提供一个具体示例：

在本发明实施例中，如图5所示，首先由端面耦合光口1输入搭载不同量子态光子信号的信号光，经由一个偏振分束器件(PBS)将TE模与TM模偏振状态分开。TM模光通过偏振旋转的方式转换为TE模，TE模光则通过VOA1补偿TM模光经过偏振旋转引起的功率损耗。

将两者分别接入两个1×2 50:50的分束器1和分束器2，输出口A1和A3经过一个热相位调制器(Heater)后接到一个2×2 50:50的MMI-1的输入口B1与B2，输出口A2与A4同样经过热相位调制器(Heater)后接到另一个2×2 50:50的MMI-2的输入口B3与B4。

2×2 50:50MMI-1的输出口C1与C2经过两个热相位调制器(Heater)后接入2×250:50MMI-3的输入口D1与D2，这里的两个Heater使两臂之间产生π/2的相位差。2×2 50:50MMI-2的输出口C3与C4经过两个热相位调制器(Heater)后接入2×2 50:50MMI-4的输入口D3与D4，这里的两个Heater使两臂之间产生π的相位差。

进一步地，2×2 50:50MMI-3的输出口E1通过VOA2接入1×2 10:90的耦合器-1，输出口E2通过VOA3并经过一个传输延时(delay)＝1/单光子探测器重复频率的氮化硅延时线接入1×2 10:90的耦合器-2，2×2 50:50MMI-4的输出口E3通过VOA4并经过一个delay＝2/单光子探测器重复频率的氮化硅延时线接入1×2 10:90的耦合器-3，输出口E4经过一个delay＝3/单光子探测器重复频率的氮化硅延时线接入1×2 10:90的耦合器-4。

1×2 10:90的耦合器的10％端分别接入MPD1、MPD2、MPD3和MPD4用于监控VOA对延时线损耗的补偿情况，90％端则通过两级1×2 50:50的分束器合为1路，最后一级1×2 50:50的分束器的输出口为G，通过端面耦合光口2耦合到外部光纤。

如图6所示，描述了对应四种不同量子态光子时SPD的响应状态，其中，Pulse K和Pulse K+1分别表示第K次探测和第K+1次探测，S0表示SPD的探测周期变化，S1表示SPD对子信号的响应时刻变化，50ns为一个探测周期，Δt为无延时的第一子信号的响应时刻。

本发明实施例基于无源器件1×2 50:50MMI完成QKD系统中接收端的随机选择基矢操作，避免了使用光开关主动选择基矢的高损耗性。而且利用VOA与延时线联调达成QKD接收端单个通道的单光子探测器时分复用的目的，将传统的QKD系统接收端的4台单光子探测器精简成一台。在不大幅增加光路损耗的前提下，降低了QKD系统批量应用的设备成本。此外片上集成的氮化硅延时线具有可精准加工、集成度高和扩展性强的优点。

本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，处理器运行所述计算机程序时，执行前述一个或多个技术方案所述方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令被处理器执行后，能够实现前述一个或多个技术方案所述方法。

本实施例提供的计算机存储介质可为非瞬间存储介质。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，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全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

在一些情况下，上述任一两个技术特征不冲突的情况下，可以组合成新的方法技术方案。

在一些情况下，上述任一两个技术特征不冲突的情况下，可以组合成新的设备技术方案。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种信号处理设备，其特征在于，所述设备包括：分路模组、延时模组以及合路模组；

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述延时模组包括多个延时单元，其中，一个所述延时单元与一个所述端口连接，不同的所述延时单元设置的传输延时不同。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述分路模组包括：第一端口、第二端口、第三端口及第四端口；

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：第一可变光衰减器VOA、第二VOA以及第三VOA；

所述第一VOA连接在所述第一输入端与所述第一端口之间；

所述第二VOA连接在所述第一延时单元与所述第二端口之间；

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：第一监控模组、第二监控模组、第三监控模组以及第四监控模组；

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，每一所述监控模组包括一个耦合器和一个监控光电二极管MPD；

7.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述分路模组，还包括：偏振分束模块、第一分束器、第二分束器、第一调制模块以及第二调制模块；

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一调制模块包括：第一调制器、第二调制器、第一多模干涉光分束器MMI、第三调制器、第四调制器以及第二MMI；

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第二调制模块包括：第五调制器、第六调制器、第三MMI、第七调制器、第八调制器以及第四MMI；

10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述偏振分束模块包括：偏振分束器PBS、第四VOA以及偏振旋转器；

11.一种信号处理方法，其特征在于，应用于权利要求1至10任一项所述的信号处理设备，所述方法包括：

获取待检测光子的传输延时；

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述获取待检测光子的传输延时，包括：

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述传输延时确定输出所述待检测光子的端口对应的量子态为所述待检测光子的量子态，包括：

获取单光子探测器的探测频率；

14.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器；其中，

所述处理器运行所述计算机程序时，执行权利要求11至13任一项所述信号处理方法的步骤。

15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令；所述计算机可执行指令被处理器执行后，能够实现如权利要求11至13任一项所述信号处理方法。