CN114465668A - 应用于量子密钥分发片上系统的相位调制单元 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种应用于量子密钥分发片上系统的相位调制单元，包括：第一干涉臂，第一干涉臂上设置有第一高速相位调制器和第一热光相位调制器；第一热光相位调制器的输出端与第一高速相位调制器的输入端连接，第一热光相位调制器用于对第一分束器的输出端输出的第一光信号加载第一附加相位，并利用第一高速相位调制器调制加载有第一附加相位的第一光信号，以使得相位调制单元输出光子透过率恒定的输出光信号；第二干涉臂，第二干涉臂上设置有第二高速相位调制器；第一分束器和第二分束器，第一干涉臂的输入端和第二干涉臂的输入端分别与第一分束器的两个输出端连接，第一干涉臂的输出端和第二干涉臂的输出端分别与第二分束器的两个输入端连接。

Description

应用于量子密钥分发片上系统的相位调制单元

技术领域

本公开涉及量子通信技术领域，更具体地，涉及一种应用于量子密钥分发片上系统的相位调制单元。

背景技术

密钥是实现安全保密通信的基石。量子密钥分发技术由量子力学基本原理出发，通过与“一次一密”加密技术相结合，可以实现理论上无条件安全的密钥分发。

在量子密钥分发系统中，所用到调制器可以分为相位调制器、强度调制器和偏振调制器。这几种调制器的功能组合可以实现包括相位随机化、相位编码、脉冲产生、诱骗态调制、偏振编码和基选择等所有的高速编码功能。随着量子密钥分发系统的工作频率越来越高，在芯片上对量子态调制速率的要求也越来越高。

在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：相关技术的相位调制器制备的光信号的光子透过率的稳定性较差，存在较多的不完美性。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供了一种应用于量子密钥分发片上系统的相位调制单元，包括：

第一干涉臂，其中，上述第一干涉臂上设置有第一高速相位调制器和第一热光相位调制器；上述第一热光相位调制器的输出端与上述第一高速相位调制器的输入端连接，其中，上述第一热光相位调制器用于对第一分束器的输出端输出的第一光信号加载第一附加相位，并利用上述第一高速相位调制器调制加载有上述第一附加相位的第一光信号，以使得上述相位调制单元输出光子透过率恒定的输出光信号；

第二干涉臂，其中，上述第二干涉臂上设置有第二高速相位调制器；

上述第一分束器和第二分束器，其中，上述第一干涉臂的输入端和上述第二干涉臂的输入端分别与上述第一分束器的两个输出端连接，上述第一干涉臂的输出端和上述第二干涉臂的输出端分别与上述第二分束器的两个输入端连接。

根据本公开的实施例，上述第一分束器和第二分束器的分束比不同。

根据本公开的实施例，相位调制单元相位调制单元还包括：

两个第三干涉臂，其中，一个上述第三干涉臂上设置有第二热光相位调制器，上述第二热光相位调制器用于对第三分束器输出的第二光信号加载第二附加相位，上述两个第三干涉臂的输出端均与上述第一分束器的输入端连接；以及

上述第三分束器，上述第三分束器的两个输出端分别与两个上述第三干涉臂的输入端连接。

根据本公开的实施例，相位调制单元还包括：

两个第四干涉臂，其中，一个上述第四干涉臂设置有第三热光相位调制器，上述第三热光相位调制器用于对上述第二分束器输出的第三光信号加载第三附加相位，上述两个第四干涉臂的输入端均与上述第二分束器的输出端连接；以及

第四分束器，上述第四分束器的两个输入端分别与两个上述第四干涉臂的输出端连接。

根据本公开的实施例，相位调制单元还包括：

第四热光相位调制器，设置于上述第二干涉臂上，上述第四热光相位调制器用于对上述第一分束器的输出端输出的第四光信号加载第四附加相位，以使得上述相位调制单元根据加载有上述第一附加相位的第一光信号和加载有上述第四附加相位的第四光信号输出上述光子透过率恒定的输出光信号。

根据本公开的实施例，相位调制单元还包括：

第五热光相位调制器，设置于另一个上述第三干涉臂上，上述第五热光相位调制器用于对上述第三分束器输出的第五光信号加载第五附加相位；

第六热光相位调制器，设置于另一个上述第四干涉臂上，上述第六热光相位调制器用于对上述第二分束器输出的第六光信号加载第六附加相位。

根据本公开的实施例，上述第三分束器的分束比与上述第一分束器的分束比相同；上述第二分束器的分束比与上述第四分束器的分束比相同。

根据本公开的实施例，上述分束比包括以下之一：10：90、20：80、30：70和50：50。

根据本公开的实施例，上述第二分束器的输出端包括第一输出端和第二输出端，上述第一输出端用于输出上述透过率恒定的输出光信号。

根据本公开的实施例，在满足如下公式所示的情况下，上述相位调制单元输出上述光子透过率恒定的输出光信号：

其中，I_outi表征第一输出端或第二输出端输出的干涉结果，其中，i为第一输出端或第二输出端的编号；

表征第一干涉臂对输入第一干涉臂的光信号进行目标相位θ的调制所输出的相位，

表征第二干涉臂对输入第二干涉臂的光信号进行目标相位θ的调制所输出的相位；

和

分别表征输入第一干涉臂和第二干涉臂的光信号的相位。

根据本公开的实施例，通过在第一干涉臂上设置第一热光相位调制器，可以根据需求对第一光信号加载合适的第一附加相位，从而第一高速相位调制器可以根据加载的第一附加相位进行快速调制，从而使得第二分束器能够输出光子透过率恒定的输出光信号，因此至少部分地克服了相关技术的相位调制器制备的光信号的光子透过率的稳定性较差导致的较多的不完美性的技术问题。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的相位调制单元的连接示意图；

图2示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图；

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图；

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图；

图5示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图；

图6示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图；以及

图7示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

相关技术中的相位调制单元在调制两个相位点时能够实现完美的光子透过率恒定是基于对分束器的分束比的严格设计的，而实际加工过程中总是存在工艺误差的，实际制备的分束比的改变将导致器件性能的退化，因此该结构对工艺的加工容差很小，从而导致较难制备光子透过率恒定的输出光信号。

有鉴于此，本公开的实施例提供了一种应用于量子密钥分发片上系统的相位调制单元，包括：第一干涉臂，第一干涉臂上设置有第一高速相位调制器和第一热光相位调制器；第一热光相位调制器的输出端与第一高速相位调制器的输入端连接，第一热光相位调制器用于对第一分束器的输出端输出的第一光信号加载第一附加相位，并利用第一高速相位调制器调制加载有第一附加相位的第一光信号，以使得相位调制单元输出光子透过率恒定的输出光信号；第二干涉臂，第二干涉臂上设置有第二高速相位调制器；第一分束器和第二分束器，第一干涉臂的输入端和第二干涉臂的输入端分别与第一分束器的两个输出端连接，第一干涉臂的输出端和第二干涉臂的输出端分别与第二分束器的两个输入端连接。

图1示意性示出了根据本公开实施例的相位调制单元的连接示意图。

如图1所示，应用于量子密钥分发系统的相位调制单元可以包括第一干涉臂100、第二干涉臂200、第一分束器310和第二分束器320。

第一干涉臂100上设置有第一高速相位调制器110和第一热光相位调制器120；第一热光相位调制器120的输出端与第一高速相位调制器110的输入端连接，其中，第一热光相位调制器120用于对第一分束器310的输出端输出的第一光信号加载第一附加相位，并利用第一高速相位调制器110调制加载有第一附加相位的第一光信号，以使得相位调制单元输出光子透过率恒定的输出光信号。

第二干涉臂200上设置有第二高速相位调制器210。第一干涉臂100的输入端和第二干涉臂200的输入端分别与第一分束器310的两个输出端连接，第一干涉臂100的输出端和第二干涉臂200的输出端分别与第二分束器320的两个输入端连接。

根据本公开的实施例，第一分束器310和第二分束器320的分束比可以根据第一高速相位调制器110和第二高速相位调制器210的实际工作性能进行设计。

图2示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图。图3示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图。

根据本公开的实施例，对于相位调制单元中所使用的分束器，可以是基于任何一种分束原理制备的分束器，如基于Y型分叉器结构、基于定向耦合器结构和基于多模干涉仪结构，因此此处直接使用分束器来描述，不特指具体某一种分束器结构。此外，位于输入端口的第一分束器310，可以包括1×2分束器结构(如图1和图2所示)或2×2的分束器结构(如图3所示)。位于输出端口处的第二分束器320可以为2×1分束器结构(如图2和图3所示)或2×2分束器结构(如图1所示)，上述任意两种分束器结构的组合均能够实现光子透过率恒定的相位调制功能，但是不同点在于其实现上述功能时的具体属性和所需的调制电压会有所不同。

为了便于描述，本公开的实施例以图1所示的第一分束器310为1×2分束器结构、第二分束器320为2×2的分束器结构进行举例说明。

在一种示例性的实施例中，输入光在输入端口处归一化为1，输入光经过分束比为κ的第一分束器310后分为分别导入第一干涉臂100和第二干涉臂200的两束第一光信号，位于第一干涉臂100的第一光信号经过第一热光相位调制器120后加载第一附加相位φ_a，加载有第一附加相位的第一光信号经过第一高速相位调制器110后加载有相位信息

同时透过率还需乘以系数

位于第二干涉臂200的第一光信号经过第二高速相位调制器210后加载有相位信息

同时透过率还需乘以系数

在第一分束器310和第二分束器320的分束比均为κ的情况下，第一干涉臂100和第二干涉臂200输出端光信号在第二分束器320上进行干涉，以输出光子透过率恒定的输出光信号。

根据本公开的实施例，第二高速相位调制器用于对第一分束器的另一个输出端输出的光信号进行高速的相位调制；在设置合适的第一附加相位的基础上，可计算得到第一高速相位调制器和第二高速相位调制器施加的调制信号。

根据本公开的实施例，第一光信号和第一分束器的另一个输出端输出的光信号经过调制后在第二分束器处发生干涉并由第二分束器的输出端输出，以使得相位调制单元实现光子透过率恒定的相位调制功能。

根据本公开的实施例，通过在第一干涉臂100上设置第一热光相位调制器120，可以根据需求对第一光信号加载合适的第一附加相位，从而第一高速相位调制器110可以根据加载的第一附加相位进行快速调制，从而使得第二分束器320能够输出光子透过率恒定的输出光信号，因此至少部分地克服了相关技术的相位调制器制备的光信号的光子透过率的稳定性较差导致的较多的不完美性的技术问题。

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图。

如图4所示，第一分束器310和第二分束器320的分束比可以不同。

根据本公开的实施例，在第一分束器310和第二分束器320的分束比不同的情况下，同样可以实现输出光子透过率恒定的输出光信号的效果。

根据本公开的实施例，第一分束器310和第二分束器320采用两个具有不同分束比(κ₁，κ₂)的分束器。采用不同分束比可以使得相位调制单元具有更大的自由度。

图5示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图。

如图5所示，相位调制单元还可以包括两个第三干涉臂400和第三分束器420。

一个第三干涉臂400上设置有第二热光相位调制器410，第二热光相位调制器410用于对第三分束器420输出的第二光信号加载第二附加相位，两个第三干涉臂400的输出端均与第一分束器310的输入端连接。第三分束器420的两个输出端分别与两个第三干涉臂400的输入端连接。

根据本公开的实施例，在图3所示的相位调制单元基础上，使用第三干涉臂400和第三分束器420构成的一个等臂干涉仪。该等臂干涉仪通过使用第三热光相位调制器510可以作为一种能够调节分束比的分束器结构。

根据本公开的实施例，第一分束器310和第三分束器420的分束比均为50：50。

图6示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图。

如图6所示，相位调制单元还可以包括两个第四干涉臂500和第四分束器520。

一个第四干涉臂500设置有第三热光相位调制器510，第三热光相位调制器510用于对第二分束器320输出的第三光信号加载第三附加相位，两个第四干涉臂500的输入端均与第二分束器320的输出端连接。第四分束器520的两个输入端分别与两个第四干涉臂500的输出端连接。

根据本公开的实施例，在图3所示的相位调制单元基础上，使用两个第四干涉臂500和第四分束器520构成的一个等臂干涉仪。该等臂干涉仪通过使用第三热光相位调制器510可以作为一种能够调节分束比的分束器结构。

根据本公开的实施例，第二分束器320和第四分束器520的分束比均为50：50。

图7示意性示出了根据本公开另一实施例的相位调制单元的连接示意图。

如图7所示，相位调制单元还可以包括第四热光相位调制器600、第五热光相位调制器700和第六热光相位调制器800。

第四热光相位调制器600设置于第二干涉臂200上，第四热光相位调制器600用于对第一分束器310的输出端输出的第四光信号加载第四附加相位，以使得相位调制单元根据加载有第一附加相位的第一光信号和加载有第四附加相位的第四光信号输出光子透过率恒定的输出光信号。

第五热光相位调制器700设置于另一个第三干涉臂400上，第五热光相位调制器700用于对第三分束器420输出的第五光信号加载第五附加相位。

第六热光相位调制器800设置于另一个第四干涉臂500上，第六热光相位调制器800用于对第二分束器320输出的第六光信号加载第六附加相位。

根据本公开的实施例，为了保证各个干涉臂的对称性，可以在每个干涉臂上均设置一个热光相位调制器，以使得输出的输出光信号的光子透过率更加稳定。

根据本公开的实施例，第三分束器420的分束比与第一分束器310的分束比可以相同；第二分束器320的分束比与第四分束器520的分束比可以相同。

根据本公开的实施例，第一分束器310、第二分束器320、第三分束器420和第四分束器520的分束比也可以相同。

根据本公开的实施例，在第一分束器310和第二分束器320的分束比不同的情况下，能够进一步的增加器件的设计维度，从而可以实现插损更小的光子透过率恒定的相位调制单元。

根据本公开的实施例，分束比可以包括以下之一：10：90、20：80、30：70和50：50。

根据本公开的实施例，分束器的分束比可以根据实际需求具体选择。优选地，可以选择分束比50：50的分束器。

根据本公开的实施例，第二分束器320的输出端包括第一输出端321和第二输出端322，第一输出端321用于输出透过率恒定的输出光信号。

根据本公开的实施例，在相位调制单元的干涉特性导致第一输出端321和第二输出端322的输出具有差异性。例如，第一输出端321能够实现更大的器件透过率，但其在实现高透过率时分束比较为容易偏离50：50；第二输出端322实现相位调制器的功能时的光子透过率较低，但是对于任意的分束比都能够实现其光子透过率恒定的相位调制功能，加工容差较大，且其透过功率最大时对应的分束比集中在50∶50附近，因此还可以实现完全的消光。

根据本公开的实施例，通过使用图1所示的相位调制单元的第一输出端321作为输出时，插损较小。甚至当高速相位调制器为基于载流子耗散的相位调制器时，使用本公开的相位调制单元的结构后，基于载流子浓度减小的同时波导的吸收损耗也减小，因此器件透过率可以大于1。

根据本公开的实施例，在满足如下公式所示的情况下，相位调制单元输出光子透过率恒定的输出光信号：

其中，I_outi表征第一输出端321或第二输出端322输出的干涉结果，其中，i为第一输出端321或第二输出端322的编号；

表征第一干涉臂100对输入第一干涉臂100的光信号进行目标相位θ的调制所输出的相位，

表征第二干涉臂200对输入第二干涉臂200的光信号进行目标相位θ的调制所输出的相位；

和

分别表征输入第一干涉臂100和第二干涉臂200的光信号的相位。

根据本公开的实施例，第二分束器320的输出端口1的干涉结果I_out1和输出端口2的干涉结果I_out2如公式(2)和公式(3)所示。

根据本公开的实施例，在实际使用时，仅需要选取第一输出端和第二输出端之中的一个作为相位调制器(Transmittance Stabilized Phase Modulator，TSPM)的输出端口。在进行高速调制时，输出的I_outi可以看做

的函数。因此要想使用该光子透过率恒定的相位调制器实现调制相位θ同时保持透过率不变的功能，需要满足公式(1)的条件。

将第一热光相位调制器120的第一附加相位设置为合适的φ_a，由公式(1)可计算出在实现光子透过率恒定的相位调制θ时对应的

大小。在实际的调制过程中，将两个高速相位调制器按需进行快速的

调制就可以实现光子透过率恒定的高速相位调制。

根据本公开的实施例，上述相位调制单元具有如下优点：

(1)消除了量子态的相位调制时产生的相位与透过率(或光强)之间的关联性：使用本公开的相位调制单元，能够在调制相位的情况下避免光子透过率或光强发生改变，从而保证输出的输出光信号能够保证光子透过率的恒定。从根本上的消除了片上高速相位调制器用于QKD系统时可能带来的安全性隐患。

(2)使用本公开的相位调制单元能够实现连续的相位调制，使得量子密钥分发芯片编码时的相位随机化成为可能，并且能够进行更多的量子态调制，为实现更高性能的强度调制器和偏振调制器等奠定了基础。同时还可应用于实现连续变量量子密钥分发芯片。

(3)加工容差较大：由于相位调制单元至少具有第一高速相位调制器110、第一热光相位调制器120和第二高速相位调制器210等三个相位调制器，可供调节的自由度较多。在器件加工的过程中，对工艺容差最敏感的原件为具有特定分束比的分束器，在实际加工出来的分束比与设计值发生偏离的情况下，容易导致器件不能够实现完全的光子透过率恒定的相位调制。使用本公开的相位调制单元，在实际制备的分束比与设计值发生了偏移的情况下，相位调制单元依然能够通过调节合适的φ_a，实现上述光子透过率恒定的相位调制功能，且不会对器件性能造成影响。

(4)设计原理适用于多种材料平台：本公开的相位调制单元的功能实现原理可以应用到不同的材料体系(如SOI和InP等)，不同的材料体系的不同之处仅仅在于高速相位调制器的损耗与相位关系函数

的不同。因此本公开的相位调制单元使得不同的材料平台上均可以实现能够进行高速相位调制的光子透过率恒定的相位调制单元。

(5)实现相位和强度的同步调制：由于本公开的相位调制单元的结构本质上是基于Mach-Zehnder干涉仪，因此可以同时实现强度调制的功能。例如，可以同时用于斩波和相位调制器，直接可以用作为QKD的部分协议发射端(如DPS协议)。此外，还可以用于量子态的诱骗态调制。因此，该相位调制单元可以实现相位和强度的同步调制。

(6)无需设计特殊的单元器件：当使用第二输出端322作为TSPM的输出端口时，可以使用50∶50的分束器。因此无须使用设计特殊的单元器件，成本较低。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于量子密钥分发片上系统的相位调制单元，包括：

第一干涉臂，其中，所述第一干涉臂上设置有第一高速相位调制器和第一热光相位调制器；所述第一热光相位调制器的输出端与所述第一高速相位调制器的输入端连接，其中，所述第一热光相位调制器用于对第一分束器的输出端输出的第一光信号加载第一附加相位，并利用所述第一高速相位调制器调制加载有所述第一附加相位的第一光信号，以使得所述相位调制单元输出光子透过率恒定的输出光信号；

第二干涉臂，其中，所述第二干涉臂上设置有第二高速相位调制器；

所述第一分束器和第二分束器，其中，所述第一干涉臂的输入端和所述第二干涉臂的输入端分别与所述第一分束器的两个输出端连接，所述第一干涉臂的输出端和所述第二干涉臂的输出端分别与所述第二分束器的两个输入端连接。

2.根据权利要求1所述的单元，其中，所述第一分束器和第二分束器的分束比不同。

3.根据权利要求1所述的单元，还包括：

两个第三干涉臂，其中，一个所述第三干涉臂上设置有第二热光相位调制器，所述第二热光相位调制器用于对第三分束器输出的第二光信号加载第二附加相位，所述两个第三干涉臂的输出端均与所述第一分束器的输入端连接；以及

所述第三分束器，所述第三分束器的两个输出端分别与两个所述第三干涉臂的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的单元，还包括：

两个第四干涉臂，其中，一个所述第四干涉臂设置有第三热光相位调制器，所述第三热光相位调制器用于对所述第二分束器输出的第三光信号加载第三附加相位，所述两个第四干涉臂的输入端均与所述第二分束器的输出端连接；以及

第四分束器，所述第四分束器的两个输入端分别与两个所述第四干涉臂的输出端连接。

5.根据权利要求4所述的单元，还包括：

第四热光相位调制器，设置于所述第二干涉臂上，所述第四热光相位调制器用于对所述第一分束器的输出端输出的第四光信号加载第四附加相位，以使得所述相位调制单元根据加载有所述第一附加相位的第一光信号和加载有所述第四附加相位的第四光信号输出所述光子透过率恒定的输出光信号。

6.根据权利要求5所述的单元，还包括：

第五热光相位调制器，设置于另一个所述第三干涉臂上，所述第五热光相位调制器用于对所述第三分束器输出的第五光信号加载第五附加相位；

第六热光相位调制器，设置于另一个所述第四干涉臂上，所述第六热光相位调制器用于对所述第二分束器输出的第六光信号加载第六附加相位。

7.根据权利要求6所述的单元，其中，所述第三分束器的分束比与所述第一分束器的分束比相同；所述第二分束器的分束比与所述第四分束器的分束比相同。

8.根据权利要求6所述的单元，其中，所述分束比包括以下之一：10∶90、20∶80、30∶70和50∶50。

9.根据权利要求1所述的单元，其中，所述第二分束器的输出端包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端用于输出所述透过率恒定的输出光信号。

10.根据权利要求9所述的单元，其中，在满足如下公式所示的情况下，所述相位调制单元输出所述光子透过率恒定的输出光信号：

其中，I_outi表征第一输出端或第二输出端输出的干涉结果，其中，i为第一输出端或第二输出端的编号；

表征第一干涉臂对输入第一干涉臂的光信号进行目标相位θ的调制所输出的相位，

表征第二干涉臂对输入第二干涉臂的光信号进行目标相位θ的调制所输出的相位；

和

分别表征输入第一干涉臂和第二干涉臂的光信号的相位。

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