CN114499692A - 时分复用单元及方法、解码装置、qkd系统及量子通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低插损的时分复用单元及方法，以及利用该时分复用单元实现的解码装置、量子密钥分发系统和量子保密通信系统。在该时分复用单元中，利用两个不同光程的保偏光纤光路连接两个单模转保偏偏振分束器的对应分束端，借助两个单模转保偏偏振分束器的配对使用，为例如偏振编码信号光提供时分复用功能，而无需光耦合器，由此避免由于光耦合器带来的额外插入损耗，减少系统损耗，提高系统效率。

Description

时分复用单元及方法、解码装置、QKD系统及量子通信系统
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，特别涉及一种低插损的时分复用单元及方法，以及利用该时分复用单元的解码装置、量子密钥分发(QKD)系统和量子保密通信系统。
背景技术
图1示意性地示出了现有技术的基于偏振编码的量子密钥分发(QKD)系统中常用的解码装置。如图1所示，在用于偏振编码的解码装置中，通常利用两个偏振分束器分别完成两个基矢偏振态的检测，基于两个偏振分束器获得的四种偏振态分别进入四个单光子探测器进行探测，由此实现对偏振编码的解码。如图1所示，现有技术中使用的偏振分束器均为单模偏振分束器，其公共端和两个分束端均为单模光纤。
在图1的解码装置中，相同基矢偏振态使用不同单光子探测器进行探测，当用于相同基矢的两个单光子探测器在时域上存在效率差异时，会导致在量子密钥分发系统中出现安全漏洞。由于不同单光子探测器在时域上往往存在效率差异，因此要产生两个完全一致的单光子探测器难以实现。
对此，技术人员通常容易想到利用时分复用方案来解决这一问题，其中，通过在各基矢检测光路中设置时分复用单元，使得能够利用同一单光子探测器完成对同一基矢下的两个偏振态的检测，例如图2中示出的基于时分复用单元的解码装置那样。如图2所示，现有技术中往往借助光耦合器来实现时分复用单元，其中通常将偏振分束器的两个分束端与光耦合器的两个分束端连接，通过控制连接不同分束端的光纤的长度，使得相同基矢下不同偏振态的光子将以特定的延时差进入光耦合器，最后按照该特定的延时差先后进入同一单光子探测器进行探测，其中，偏振态(量子态)的识别可以根据单光子探测器的响应时间来实现。在这种时分复用单元中，由于偏振分束器为单模偏振分束器，其分束端利用单模尾纤输出，因此，所使用的光耦合器只能是单模尾纤的单模光耦合器。
但由于光耦合器存在3dB固有损耗，损耗往往大于3dB，将使得光路插入损耗增加至少3dB，相应的能进入单光子探测器的信号至少损失一半，大大降低了系统的有效探测效率，严重影响系统性能。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种新型的时分复用单元，其中利用两个不同光程的保偏光纤光路连接两个单模转保偏偏振分束器的对应分束端，借助两个单模转保偏偏振分束器的配对使用，为例如偏振编码信号光提供时分复用功能，而无需光耦合器，从而能够相对于现有技术实现更低的插入损耗。该时分复用单元尤其适用于基于偏振编码方案的解码装置，其能够在避免因探测器差异引发的安全漏洞的同时，减少系统的插入损耗，改善系统有效探测效率。
具体而言，该低插入损耗的时分复用单元可以包括第一单模转保偏偏振分束器和第二单模转保偏偏振分束器；
所述第一单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中，所述公共端被设置成为单模传输，所述第一和第二分束端被设置成为保偏传输；
所述第二单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中，所述公共端被设置成为单模传输，所述第一和第二分束端被设置成为保偏传输；
所述第一单模转保偏偏振分束器的第一分束端通过第一保偏光纤光路连接所述第二单模转保偏偏振分束器的第一分束端，所述第一单模转保偏偏振分束器的第二分束端通过第二保偏光纤光路连接所述第二单模转保偏偏振分束器的第二分束端，以使得分别由所述第一单模转保偏偏振分束器的第一和第二分束端输出的信号光均由所述第二单模转保偏偏振分束器的公共端输出；并且，
所述第一保偏光纤光路和所述第二保偏光纤光路具有不同的光程。
进一步地，在所述第一和/或第二单模转保偏偏振分束器中，所述公共端为单模尾纤，所述第一和第二分束端为保偏尾纤。
进一步地，所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端同为透射端或者反射端，所述第二分束端对应的同为反射端或者透射端；或者，所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端分别为透射端和反射端，所述第二分束端对应的分别为反射端和透射端。
进一步地，所述第一和第二保偏光纤光路通过慢轴或快轴对准连接来实现。
优选地,所述第一和/或第二保偏光纤光路借助法兰连接或者光纤熔接实现。
本发明的另一方面还公开了一种低插入损耗的时分复用方法，其可以包括以下步骤：利用第一单模转保偏偏振分束器将信号光分束成偏振态正交的第一分量和第二分量；以及，使所述第一和第二分量分别经历不同光程的保偏光纤光路输入第二单模转保偏偏振分束器，并从所述第二单模转保偏偏振分束器的公共端输出。由此，可以在无需光耦合器的情况下实现两个偏振态信号的时分复用。
进一步地，所述信号光承载有偏振编码信息。
优选地，本发明的时分复用方法可以在本发明的上述时分复用单元中执行。
本发明的又一方面公开了一种用于偏振编码方案中的解码装置，其可以包括两个本发明的时分复用单元，以及两个单光子探测器。
其中，所述两个时分复用单元中的一个被设置成接收第一基矢下的信号光，并向所述两个单光子探测器中的一个提供输出；以及，所述两个时分复用单元中的另一个被设置成接收第二基矢下的信号光，并向所述两个单光子探测器中的另一个提供输出。
本发明的再一方面公开了一种基于偏振编码方案的量子密钥分发系统，其可以包括本发明的解码装置。
本发明的更一方面公开了一种量子保密通信系统，其包括本发明的量子密钥分发系统。
借助本发明的时分复用单元及方法，可以减少现有技术因采用光耦合器提供时分复用功能而带来的额外插入损耗，从而提高尤其是基于偏振编码方案的量子密钥分发中的系统效率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
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使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅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来获得其他的附图。
图1示出了现有技术中常用的基于偏振编码方案的解码装置；
图2示出了现有技术中用在基于偏振编码方案的解码装置中的时分复用单元；
图3示出了根据本发明的低插入损耗的时分复用单元，其尤其适合用在基于偏振编码方案的解码装置中。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
图3示出了根据本发明的低插入损耗的时分复用单元。
如图3所示，该时分复用单元可以包括第一单模转保偏偏振分束器和第二单模转保偏偏振分束器。
第一单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中：公共端借助单模光纤进行光传输；第一和第二分束端借助保偏光纤进行光传输，例如慢轴保偏传输或者快轴保偏传输。
在优选示例中，第一单模转保偏偏振分束器的公共端可以为单模尾纤，第一和第二分束端可以为保偏尾纤。
第二单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中：公共端借助单模光纤进行光传输；第一和第二分束端借助保偏光纤进行光传输，例如慢轴保偏传输或者快轴保偏传输。
在优选示例中，第二单模转保偏偏振分束器的公共端可以为单模尾纤，第一和第二分束端可以为保偏尾纤。
在根据本发明的时分复用单元中，第一单模转保偏偏振分束器的第一分束端通过第一保偏光纤光路连接第二单模转保偏偏振分束器的第一分束端，并且第一单模转保偏偏振分束器的第二分束端通过第二保偏光纤光路连接第二单模转保偏偏振分束器的第二分束端，以使得由第一单模转保偏偏振分束器的分束端输出的光子能够由第二单模转保偏偏振分束器的公共端输出。
作为示例，第一和第二单模转保偏偏振分束器的第一分束端可以同为透射端或者反射端，第二分束端对应的可以同为反射端或者透射端。第一和第二单模转保偏偏振分束器的第一分束端也可以分别为透射端和反射端，第二分束端对应的可以分别为反射端和透射端。
根据本发明，第一保偏光纤光路和第二保偏光纤光路具有不同的光程，以在分别在第一保偏光纤光路和第二保偏光纤光路中传输的光子之间实现预设的时间延迟。
在优选示例中，第一和第二单模转保偏偏振分束器的分束端之间可以通过慢轴对准。第一(第二)保偏光纤光路可以是借助法兰连接或者光纤熔接实现的。
第一单模转保偏偏振分束器的公共端可以作为该时分复用单元的输入端，例如用于接收待解码的偏振编码信号光。
第二单模转保偏偏振分束器的公共端可以作为该时分复用单元的输出端，例如用于连接单光子探测器。
下面继续结合图3，以时分复用单元在偏振编码方案中的应用为例，描述根据本发明的时分复用方法，以便进一步理解本发明的工作原理。
如前所述，待解码的偏振编码信号光可以经由作为输入端的第一单模转保偏偏振分束器的公共端，输入时分复用单元中。
本领域技术人员容易理解，此处的待解码的偏振编码信号光可以是经分束和偏振补偿等预处理的，例如可以借助光分束器和偏振控制器来实现上述预处理过程。
由于第一单模转保偏偏振分束器的公共端借助单模光纤进行光传输，因此，其允许所有的偏振态通过并输入第一单模转保偏偏振分束器，分束成偏振态彼此正交的两个分量。
通过使第一和第二单模转保偏偏振分束器的分束端借助保偏光纤进行光传输，由第一单模转保偏偏振分束器的分束端输出的分量的偏振态确定，如此第一和第二单模转保偏偏振分束器可以配对使用，即，借助第一和第二单模转保偏偏振分束器的分束端光轴对准连接来实现用于分量传输的保偏光纤光路，从而允许由第一单模转保偏偏振分束器的分束端输出的两个分量以保偏的方式先后到达第二单模转保偏偏振分束器的分束端。此时，第二单模转保偏偏振分束器可以实现光耦合功能，使得在不同时间分别从第二单模转保偏偏振分束器的第一和第二分束端输入的两个分量，可以在不同时间从第二单模转保偏偏振分束器的公共端输出，例如由同一个单光子探测器对其进行探测。
由此可见，本发明借助两个单模转保偏偏振分束器的配合使用即可以实现对光信号的时分复用，而无需借助光耦合器。由于单模转保偏偏振分束器从原理上不存在光耦合器的3dB固有插损，插损一般较小，商用器件一般都在1dB以内，典型值一般仅有0.8dB，因此，相比现有技术中借助光耦合器实现的时分复用单元，可以大大降低因时分复用带来的插损，使得光子能以更高的概率到达单光子探测器，提升系统性能。
本领域技术人员容易理解，借助本发明的时分复用单元可以实现一种具有低插入损耗和高系统效率的基于偏振编码方案的解码装置。
例如图3所示，该解码装置中可以包括两个时分复用单元和两个单光子探测器，其中，通过在每个基矢测量光路中设置一个时分复用单元和一个单光子探测器，可以实现相同基矢下的偏振编码信号光借助其测量光路中的时分复用单元由同一个单光子探测器进行测量。由于所使用的时分复用单元中未设置光耦合器，因此，解码装置中的插入损耗可以得到降低，最终改善解码装置的系统探测效率。
进一步地，本发明还提出了一种基于偏振编码方案的量子密钥分发系统，其采用上述解码装置，可以获得改善的系统效率。
更进一步地，本发明还可以提出一种量子保密通信系统，其由于采用上述量子密钥分发系统进行高效的量子密钥分发，同样可以获得改善的系统效率。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种低插入损耗的时分复用单元，其包括第一单模转保偏偏振分束器和第二单模转保偏偏振分束器；
所述第一单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中，所述公共端被设置成为单模传输，所述第一和第二分束端被设置成为保偏传输；
所述第二单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中，所述公共端被设置成为单模传输，所述第一和第二分束端被设置成为保偏传输；
所述第一单模转保偏偏振分束器的第一分束端通过第一保偏光纤光路连接所述第二单模转保偏偏振分束器的第一分束端，所述第一单模转保偏偏振分束器的第二分束端通过第二保偏光纤光路连接所述第二单模转保偏偏振分束器的第二分束端，以使得分别由所述第一单模转保偏偏振分束器的第一和第二分束端输出的信号光均由所述第二单模转保偏偏振分束器的公共端输出；并且，
所述第一保偏光纤光路和所述第二保偏光纤光路具有不同的光程。
2.如权利要求1所述的时分复用单元，其中，在所述第一和/或第二单模转保偏偏振分束器中，所述公共端为单模尾纤，所述第一和第二分束端为保偏尾纤。
3.如权利要求1所述的时分复用单元，其中，所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端同为透射端或者反射端，所述第二分束端对应的同为反射端或者透射端；或者，所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端分别为透射端和反射端，所述第二分束端对应的分别为反射端和透射端。
4.如权利要求1所述的时分复用单元，其中，所述第一和第二保偏光纤光路通过慢轴或快轴对准连接来实现。
5.如权利要求1所述的时分复用单元，其中,所述第一和/或第二保偏光纤光路借助法兰连接或者光纤熔接实现。
6.一种低插入损耗的时分复用方法，其包括以下步骤：
利用第一单模转保偏偏振分束器将信号光分束成偏振态正交的第一分量和第二分量；
使所述第一和第二分量分别经历不同光程的保偏光纤光路输入第二单模转保偏偏振分束器，并从所述第二单模转保偏偏振分束器的公共端输出。
7.如权利要求6所述的时分复用方法，其中，所述信号光承载有偏振编码信息。
8.如权利要求6所述的时分复用方法，其利用如权利要求1-5中任一项所述的时分复用单元来实现。
9.一种基于偏振编码的解码装置，其包括两个如权利要求1-5中任一项所述的时分复用单元，以及两个单光子探测器，其中，
所述两个时分复用单元中的一个被设置成接收第一基矢下的信号光，并向所述两个单光子探测器中的一个提供输出；
所述两个时分复用单元中的另一个被设置成接收第二基矢下的信号光，并向所述两个单光子探测器中的另一个提供输出。
10.一种基于偏振编码的量子密钥分发系统，其包括如权利要求9所述的解码装置。
11.一种量子保密通信系统，其包括如权利要求10所述的量子密钥分发系统。
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