CN114745108A - 一种硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片 - Google Patents

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CN114745108A CN202210328479.6A CN202210328479A CN114745108A CN 114745108 A CN114745108 A CN 114745108A CN 202210328479 A CN202210328479 A CN 202210328479A CN 114745108 A CN114745108 A CN 114745108A
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韦克金
赵震庚
杜永强
张振荣
余宇
刘巍
石洋
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Abstract

本发明涉及一种硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，包括第一强度调制模块、第二强度调制模块、相位调制模块、衰减监控模块、同步光路和复用器，所述第一强度调制模块与所述第二强度调制模块连接，所述第二强度调制模块与所述相位调制模块连接，所述相位调制模块和所述衰减监控模块连接，所述衰减监控模块与所述复用器连接。本发明的双场量子密钥分发编码芯片在编码速率和设备调试上有很大的优势，可以实现稳定的、高速的、安全的、多协议编码的双场量子密钥分发编码。

Description

一种硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及一种硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片。
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。量子通信是量子信息时代保证信息安全的重要手段，在过去的几十年里，量子密钥分发(Quantum key distribution，QKD)技术已经从简单的演示实验逐步成熟，并且是最早的商业量子技术之一，也是保护未来通信系统免受量子计算机攻击的重要手段。目前量子通信的常用方法和思路是量子密钥分发(Quantum key distribution，QKD)技术，其主要部分包括信号编码、传输、解码等过程。
为提高QKD现实安全性，科学家提出了可以免疫探测端攻击测量设备无关(Measurement Device Independent，MDI)QKD协议，在此基础上演化而来的双场(Twin-field，TF)QKD协议在远距离通信上有很大优势。目前，研究人员实现了830km光纤的TF-QKD实验。可见TF-QKD在安全性和远距离密钥分发上具有非常大的优势，将是未来QKD的一个重要发展方向。然而，现有的TF-QKD设备依然存在着成本高和体积大等问题，导致其在复杂信道和网络化部署等方面的表现不尽人意。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。所以，本发明本开的一种硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片意在实现一个稳定的、集成的、低成本的TF-QKD编码端。
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，本发明提供了一种硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，可以进行稳定的、高速的、安全的、多协议操作的编码。
本发明提供的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片包括第一强度调制模块、第二强度调制模块、相位调制模块、衰减监控模块、同步光路和复用器。
所述第一强度调制模块与所述第二强度调制模块连接，所述第二强度调制模块与所述相位调制模块连接，所述相位调制模块与所述衰减监控模块连接，所述衰减监控模块和所述同步光路都与所述复用器连接。
所述第一强度调制模块包括第一分束器和第二分束器，在所述第一分束器和所述第二分束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分束器连接，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分束器连接；在所述第二分束器上还连接有第一光功率检测器；所述第一分束器与第一光纤耦合器连接。
所述第二强度调制模块包括第三分束器和第四分束器，在所述第三分束器和所述第四分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第三热调谐型相移器和第三载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第四热调谐型相移器和第四载流子色散型相移器；所述第三热调谐型相移器和所述第四热调谐型相移器都与所述第三分束器连接，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四分束器连接；在所述第四分束器上还连接有第二光功率检测器；所述第二分束器与所述第三分束器连接。
所述相位调制模块包括第五分束器、第六分束器，第一相位调制模块和第二相位调制模块；在所述第五分束器和所述第六分束器之间设有二条光臂，在这两条光臂上分别设有第一相位调制模块和第二相位调制模块；所述第四分束器和所述第五分束器连接，所述第五分束器还与第二光纤耦合器连接。
所述第一相位调制模块包括第七分束器、第八分束器、第九分束器、第十分束器、第十一分束器、第十二分束器、第十三分束器、第十四分束器、第十五分束器、第十六分束器、第十七分束器、第十八分束器、第十九分束器和第二十分束器；
在所述第十一分束器和所述第十二分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第五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六热调谐型相移器和第六载流子色散型相移器；所述第五热调谐型相移器和所述第六热调谐型相移器都与所述第十一分束器连接，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十二分束器连接；
在所述第十三分束器和所述第十四分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第七热调谐型相移器和第七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八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十三分束器连接，所述第七载流子色散型相移器和所述第八载流子色散型相移器都与所述第十四分束器连接；
在所述第十七分束器和所述第十八分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第九热调谐型相移器和第九载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十热调谐型相移器和第十载流子色散型相移器；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十七分束器连接，所述第九载流子色散型相移器和所述第十载流子色散型相移器都与所述第十八分束器连接；
在所述第十九分束器和所述第二十分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十一热调谐型相移器和第十一载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十二热调谐型相移器和第十二载流子色散型相移器；所述第十一热调谐型相移器和所述第十二热调谐型相移器都与所述第十九分束器连接，所述第十一载流子色散型相移器和所述第十二载流子色散型相移器都与所述第二十分束器连接；
所述第九分束器分别与所述第十一分束器和所述第十三分束器连接，所述第十分束器经第二十一热调谐型相移器与所述第十二分束器连接，所述第十分束器还经第二十二热调谐型相移器与所述第十四分束器连接，所述第十五分束器分别与所述第十七分束器和所述第十九分束器连接，所述第十六分束器经第二十三热调谐型相移器与所述第十八分束器连接，所述第十六分束器还经第二十四热调谐型相移器与所述第二十分束器连接；
所述第七分束器分别与所述第九分束器和所述第十五分束器连接，所述第八分束器分别与第十分束器和第十六分束器连接，第八分束器40302还与第三光纤耦合器10连接；
所述第二相位调制模块包括第二十一分束器、第二十二分束器、第二十三分束器、第二十四分束器、第二十五分束器、第二十六分束器、第二十七分束器、第二十八四分束器、第二十九分束器、第三十分束器、第三十一分束器、第三十二分束器、第三十三分束器和第三十四分束器；
在所述第二十五分束器和所述第二十六分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十三热调谐型相移器和第十三载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十四热调谐型相移器和第十四载流子色散型相移器；所述第十三热调谐型相移器和所述第十四热调谐型相移器都与所述第二十五分束器连接，所述第十三载流子色散型相移器和所述第十四载流子色散型相移器都与所述第二十六分束器连接；
在所述第二十七分束器和所述第二十八分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十五热调谐型相移器和第十五载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十六热调谐型相移器和第十六载流子色散型相移器；所述第十五热调谐型相移器和所述第十六热调谐型相移器都与所述第二十七分束器连接，所述第十五载流子色散型相移器和所述第十六载流子色散型相移器都与所述第二十八分束器连接；
在所述第三十一分束器和所述第三十二分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十七热调谐型相移器和第十七载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十八热调谐型相移器和第十八载流子色散型相移器；所述第十七热调谐型相移器和所述第十八热调谐型相移器都与所述第三十一分束器连接，所述第十七载流子色散型相移器和所述第十八载流子色散型相移器都与所述第三十二分束器连接；
在所述第三十三分束器和所述第三十四分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十九热调谐型相移器和第十九载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第二十热调谐型相移器和第二十载流子色散型相移器；所述第十九热调谐型相移器和所述第二十热调谐型相移器都与所述第三十三分束器连接，所述第十九载流子色散型相移器和所述第二十载流子色散型相移器都与所述第三十四分束器连接；
所述第二十三分束器分别与所述第二十五分束器和所述第二十七分束器连接，所述第二十四分束器经第二十五热调谐型相移器与所述第二十六分束器连接，所述第二十四分束器还经第二十六热调谐型相移器与所述第二十八分束器连接，所述第二十九分束器分别与所述第三十一分束器和所述第三十三分束器连接，所述第三十分束器经第二十七热调谐型相移器与所述第三十二分束器连接，所述第三十分束器还经第二十八热调谐型相移器与所述第三十四分束器连接；
所述第二十一分束器分别与所述第二十三分束器和所述第二十九分束器连接，所述第二十二分束器分别与第二十四分束器和第三十分束器连接，所述第二十二分束器还与第七光纤耦合器连接；
所述第五分束器分别与所述第七分束器和所述第二十一分束器连接，所述第六分束器分别与所述第八分束器和所述第二十二分束器连接。
所述衰减监控模块包括第三十五分束器、可变光衰减器和第三光功率检测器，所述第三十五分束器分别与所述可变光衰减器和所述第三光功率检测器连接；所述可变光衰减器与所述第六分束器连接。
所述同步光路为分别与第六光纤耦合器和复用器连接的第三十六分束器，所述第三十六分束器上还连接有第四光功率检测器。
所述衰减监控模块和所述同步光路都与复用器连接，所述复用器与第六光纤耦合器连接。
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、低成本的双场量子密钥分发发射端编码；
(2)本发明不仅支持TF-QKD协议，同时也支持SNS-QKD和PM-QKD等主流远距离通信协议；
(3)本发明在相位编码模块中利用马赫曾德干涉仪结合双臂驱动推挽的调节方式(push-pull)实现{0，π}相位的调节，再配合直流驱动的热光调制方式就可以在[0，2π)的区间范围内调出步长为π/8的16个相位。对于电信号而言，克服了DAC很难输出步长如此之小且种类之多信号的问题，同时也克服了DAC电信号的幅值难以调出接近2π相位值的问题；
(4)本发明在相位编码模块中进行量子态相位的调制时一次调制就可以实现16种相位的调节，避免了传统一个相位两次调制时需要对电信号的延时进行对准的问题，简化了相位调制的难度，这对高速系统来说非常关键；
(5)本发明集成的第一强度调制模块和第二强度调制模块消光比可超过40dB，比相同功能的光纤系统更加稳定；
(6)本发明设置了衰减监控模块和光功率检测器，方便系统的调试，同时增加了必要的光纤耦合器，方便后续测试集成芯片的现实安全性问题。衰减监控模块和同步光路上连接的光功率检测器还可以检测是否存在外部光攻击；
(7)本发明的集成双场量子密钥分发编码芯片，可以工作在大于10GHz的时钟驱动频率下，满足高速调制的要求。
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示出本发明提供的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片的结构图。
图中，1-第一光纤耦合器，2-第一强度调制模块，3-第二强度调制模块，4-相位调制模块，5-衰减监控模块，6-复用器，7-第三十六分束器，8-第四光功率检测器，9-第二光纤耦合器，10-第三光纤耦合器，11-第四光纤耦合器，12-第五光纤耦合器，13-第六光纤耦合器，201-第一分束器，202-第二分束器，203-第一热调谐型相移器，204-第一载流子色散型相移器，205-第二热调谐型相移器，206-第二载流子色散型相移器，207-第一光功率检测器，301-第三分束器，302-第四分束器，303-第三热调谐型相移器，304-第三载流子色散型相移器，305-第四热调谐型相移器，306-第四载流子色散型相移器，307-第二光功率检测器，401-第五分束器，402-第六分束器，403-相位调制器一，404-相位调制器二，501-第三十五分束器，502-可变光衰减器，503-第三光功率检测器，40301-第七分束器，40302-第八分束器，40303-第九分束器，40304-第十分束器，40305-第十一分束器，40306-第十二分束器，40307-第十三分束器，40308-第十四分束器，40309-第五热调谐型相移器，40310-第五载流子色散型相移器，40311-第六热调谐型相移器，40312-第六载流子色散型相移器，40313-第二十一热调谐型相移器，40314-第七热调谐型相移器，40315-第七载流子色散型相移器，40316-第八热调谐型相移器，40317-第八载流子色散型相移器，40318-第二十二热调谐型相移器，40319第十五分束器，40320-第十六分束器，40321-第十七分束器，40322-第十八分束器，40323-第十九分束器，40324-第二十分束器，40325-第九热调谐型相移器，40326-第九载流子色散型相移器，40327-第十热调谐型相移器，40328-第十载流子色散型相移器，40329-第二十三热调谐型相移器，40330-第十一热调谐型相移器，40331-第十一载流子色散型相移器，40332-第十二热调谐型相移器，40333-第十三载流子色散型相移器，40334-第二十四热调谐型相移器，40401-第二十一分束器，40402-第二十二分束器，40403-第二十三分束器，40404-第二十四分束器，40405-第二十五分束器，40406-第二十六分束器，40407-第二十七分束器，40408-第二十八分束器，40409-第十三热调谐型相移器，40410-第十三载流子色散型相移器，40411-第十四热调谐型相移器，40412-第十四载流子色散型相移器，40413-第二十五热调谐型相移器，40414-第十五热调谐型相移器，40415-第十五载流子色散型相移器，40416-第十六热调谐型相移器，40417-第十六载流子色散型相移器，40418-第二十六热调谐型相移器，40419第二十九分束器，40420-第三十分束器，40421-第三十一分束器，40422-第三十二分束器，40423-第三十三分束器，40424-第三十四分束器，40425-第十七热调谐型相移器，40426-第十七载流子色散型相移器，40427-第十八热调谐型相移器，40428-第十八载流子色散型相移器，40429-第二十七热调谐型相移器，40430-第十九热调谐型相移器，40431-第十九载流子色散型相移器，40432-第二十热调谐型相移器，40433-第二十载流子色散型相移器，40434-第二十八热调谐型相移器。
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硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片的结构图，如图1所示，本发明的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片包括第一强度调制模块2、第二强度调制模块3、相位调制模块4、衰减监控模块5、复用器6和同步光路。
第一强度调制模块2与第二强度调制模块3连接，第二强度调制模块3与相位调制模块4连接，相位调制模块4与衰减监控模块5连接，衰减监控模块5和同步光路都与复用器6连接。
第一强度调制模块2包括第一分束器201和第二分束器202，在第一分束器201和第二分束器202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203和第一载流子色散型相移器204，在第二条光臂上串联有第二热调谐型相移器205和第二载流子色散型相移器206；第一热调谐型相移器203和第二热调谐型相移器205都与第一分束器201连接，第一载流子色散型相移器204和第二载流子色散型相移器206都与第二分束器202连接；在第二分束器202上还连接有第一光功率检测器207；第一分束器201与第一光纤耦合器1连接。
第二强度调制模块3包括第三分束器301和第四分束器302，在第三分束器301和第四分束器302之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第三热调谐型相移器303和第三载流子色散型相移器304，在第二条光臂上串联有第四热调谐型相移器305和第四载流子色散型相移器306；第三热调谐型相移器303和第四热调谐型相移器305都与第三分束器连接301，第三载流子色散型相移器304和第四载流子色散型相移器306都与第四分束器302连接；在第四分束器302上还连接有第二光功率检测器307；第二分束器202与第三分束器301连接。
相位调制模块4包括第五分束器401、第六分束器402，第一相位调制模块403和第二相位调制模块404；在第五分束器401和第六分束器402之间设有二条光臂，在这两条光臂上分别设有第一相位调制模块403和第二相位调制模块404；第四分束器302和第五分束器401连接，第五分束器401还与第二光纤耦合器连接9。
第一相位调制模块403包括第七分束器40301、第八分束器40302、第九分束器40303、第十分束器40304、第十一分束器40305、第十二分束器40306、第十三分束器40307、第十四分束器40308、第十五分束器40319、第十六分束器40320、第十七分束器40321、第十八分束器40322、第十九分束器40323和第二十分束器40324；
在第十一分束器40305和第十二分束器40306之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第五热调谐型相移器40309和第五载流子色散型相移器40310，在第二条光臂上串联有第六热调谐型相移器40311和第六载流子色散型相移器40312；第五热调谐型相移器40309和第六热调谐型相移器40311都与第十一分束器40305连接，第五载流子色散型相移器40310和第六载流子色散型相移器40312都与第十二分束器40306连接；
在第十三分束器40307和第十四分束器40308之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第七热调谐型相移器40314和第七载流子色散型相移器40315，在第二条光臂上串联有第八热调谐型相移器40316和第八载流子色散型相移器40317；第七热调谐型相移器40314和第八热调谐型相移器40316都与第十三分束器40307连接，第七载流子色散型相移器40315和第八载流子色散型相移器40317都与第十四分束器40308连接；
在第十七分束器40321和第十八分束器40322之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第九热调谐型相移器40325和第九载流子色散型相移器40326，在第二条光臂上串联有第十热调谐型相移器40327和第十载流子色散型相移器40328；第九热调谐型相移器40325和第十热调谐型相移器40327都与第十七分束器40321连接，第九载流子色散型相移器40326和第十载流子色散型相移器40328都与第十八分束器40322连接；
在第十九分束器40323和第二十分束器40324之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十一热调谐型相移器40330和第十一载流子色散型相移器40331，在第二条光臂上串联有第十二热调谐型相移器40332和第十二载流子色散型相移器40333；第十一热调谐型相移器40330和第十二热调谐型相移器40332都与第十九分束器40323连接，第十一载流子色散型相移器40331和第十二载流子色散型相移器40333都与第二十分束器40324连接；
第九分束器40303分别与第十一分束器40305和第十三分束器40307连接，第十分束器40304经第二十一热调谐型相移器40313与第十二分束器40306连接，第十分束器40304还经第二十二热调谐型相移器40318与第十四分束器40308连接，第十五分束器40319分别与第十七分束器40321和第十九分束器40323连接，第十六分束器40320经第二十三热调谐型相移器40329与第十八分束器40322连接，第十六分束器40320还经第二十四热调谐型相移器40334与第二十分束器40324连接；
第七分束器40301分别与第九分束器40303和第十五分束器40319连接，第八分束器40302分别与第十分束器40304和第十六分束器40320连接，第八分束器40302还与第三光纤耦合器10连接；
第二相位调制模块404包括第二十一分束器40401、第二十二分束器40402、第二十三分束器40403、第二十四分束器40404、第二十五分束器40405、第二十六分束器40406、第二十七分束器40407、第二十八分束器40408、第二十九分束器40419、第三十分束器40420、第三十一分束器40421、第三十二分束器40422、第三十三分束器40423和第三十四分束器40424；
在第二十五分束器40405和第二十六分束器40406之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十三热调谐型相移器40409和第十三载流子色散型相移器40410，在第二条光臂上串联有第十四热调谐型相移器40411和第十四载流子色散型相移器40412；第十三热调谐型相移器40409和第十四热调谐型相移器40411都与第二十五分束器40405连接，第十三载流子色散型相移器40410和第十四载流子色散型相移器40412都与第二十六分束器40406连接；
在第二十七分束器40407和第二十八分束器40408之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十五热调谐型相移器40414和第十五载流子色散型相移器40415，在第二条光臂上串联有第十六热调谐型相移器40416和第十六载流子色散型相移器40417；第十五热调谐型相移器40414和第十六热调谐型相移器40416都与第二十七分束器40407连接，第十五载流子色散型相移器40415和第十六载流子色散型相移器40417都与第二十八分束器40408连接；
在第三十一分束器40421和第三十二分束器40422之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十七热调谐型相移器40425和第十七载流子色散型相移器40426，在第二条光臂上串联有第十八热调谐型相移器40427和第十八载流子色散型相移器40428；第十七热调谐型相移器40425和第十八热调谐型相移器40427都与第三十一分束器40421连接，第十七载流子色散型相移器40426和第十八载流子色散型相移器40428都与第三十二分束器40422连接；
在第三十三分束器40423和第三十四分束器40424之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十九热调谐型相移器40430和第十九载流子色散型相移器40431，在第二条光臂上串联有第二十热调谐型相移器40432和第二十载流子色散型相移器40433；第十九热调谐型相移器40430和第二十热调谐型相移器40432都与第三十三分束器40423连接，第十九载流子色散型相移器40431和第二十载流子色散型相移器40433都与第三十四分束器40424连接；
第二十三分束器40403分别与第二十五分束器40405和第二十七分束器40407连接，第二十四分束器40404经第二十五热调谐型相移器40413与第二十六分束器40418连接，第二十四分束器40404还经第二十六热调谐型相移器40418与第二十八分束器40408连接，第二十九分束器40419分别与第三十一分束器40421和第三十三分束器40423连接，第三十分束器40420经第二十七热调谐型相移器40429与第三十二分束器40422连接，第三十分束器40420还经第二十八热调谐型相移器40434与第三十四分束器40424连接；
第二十一分束器40401分别与第二十三分束器40403和第二十九分束器40419连接，第二十二分束器40402分别与第二十四分束器40404和第三十分束器40420连接，第二十二分束器40402还与第七光纤耦合器14连接；
第五分束器401分别与第七分束器40301和第二十一分束器40401连接，第六分束器402分别与第八分束器40302和第二十二分束器40402连接。
衰减监控模块5包括第三十五分束器501、可变光衰减器502和第三光功率检测器503，第三十五分束器501分别与可变光衰减器502和第三光功率检测器503连接；可变光衰减器502与第六分束器402连接。
同步光路为分别与第六光纤耦合器13和复用器6连接的第三十六分束器7，第三十六分束器7上还连接有第四光功率检测器8。
衰减监控模块5和同步光路都与复用器6连接，复用器6与第六光纤耦合器13连接。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硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片可以进行编码，可以实现如实施例二所示的编码流程。
实施例二集成双场量子密钥分发编码端量子态的调制与编码
在这里需要说明的是，双场量子密钥分发协议的实现，需要通信双方各准备单光子级别的光脉冲进行调制然后将调制好的量子态发送给探测端进行探测，由于TF-QKD协议的本质基于单光子干涉，通过匹配两个相干态的相位并将信息编码在整体相位上。本发明重点集成发射端量子态的调制与编码，所以以下步骤仅展示对量子态的调制。
步骤S1，芯片外的激光器通过第二光纤耦合器9将脉冲光耦合进芯片中，然后分别通过第三光纤耦合器10和第七光纤耦合器14外接探测器进行探测，通过调节相位编码中所有的热调谐型相移器平衡由制作工艺问题带来的初始相位差，然后，将第二十一热调谐型相移器40313调至0相位，第二十二热调谐型相移器40318调至π/8相位，第二十三热调谐型相移器40319调至2π/8相位，第二十四热调谐型相移器40334调至3π/8相位，第二十五热调谐型相移器40413调至4π/8相位，第二十六热调谐型相移器40418调至5π/8相位，第二十七热调谐型相移器40429调至6π/8相位，第二十八热调谐型相移器40434调至7π/8相位，完成对相位调制模块4的调试；
步骤S2，芯片外激光器发送的连续光经过第一光纤耦合器1耦合到波导中，随后经过第一强度调制模块2通过调节第一载流子色散型相移器204和第二载流子色散型相移器206之间的相位差为0或者π把连续光调制成脉冲光；
步骤S3，经过第一强度调制模块2调制的脉冲光进入第二强度调制模块3进行诱骗态强度调制，通过调节第三载流子色散型相移器304和第四载流子色散型相移器306之间的相位差，使得信号态和诱骗态的强度满足实验要求的关系；
步骤S4，进行相位调制，通过双臂驱动推挽的调节方式(push-pull)对马赫曾德干涉仪进行调节，进而实现{0，π}相位的调节，结合第二十一热调谐型相移器40313的0相位，第二十二热调谐型相移器40318的π/8相位，第二十三热调谐型相移器40329的2π/8相位，第二十四热调谐型相移器40334的3π/8相位，第二十五热调谐型相移器40413的4π/8相位，第二十六热调谐型相移器40418的5π/8相位，第二十七热调谐型相移器40429的6π/8相位，第二十八热调谐型相移器40434的7π/8相位就可以在[0，2π)的区间范围内调出步长为π/8的16个相位，把这16个相位随机选择一个加载在量子态上；
步骤S7，最后通过衰减监控模块5中的可变光衰减器502将相位调制模块4输出的脉冲光衰减到单光子级别后通过第三十五分束器501输出。同时，同步光由芯片外的激光器经第六光纤耦合器13进入芯片，通过第三十六分束器7后与第三十五分束器501输出的信号光在复用器6处进行复用后经第五光纤耦合器12输出到芯片外的光纤中发送到探测端；
按照实施例二的方法，可以实现TF-QKD协议发射端对量子态的调制与编码。
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 (10)

1.一种硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，其特征在于：包括第一强度调制模块、第二强度调制模块、相位调制模块、衰减监控模块、同步光路和复用器；
所述第一强度调制模块与所述第二强度调制模块连接，所述第二强度调制模块与所述相位调制模块连接，所述相位调制模块与所述衰减监控模块连接，所述衰减监控模块和所述同步光路都与所述复用器连接。
2.按照权利要求1所述的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，其特征在于：所述第一强度调制模块包括第一分束器和第二分束器，在所述第一分束器和所述第二分束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分束器连接，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分束器连接；在所述第二分束器上还连接有第一光功率检测器；所述第一分束器与第一光纤耦合器连接。
3.按照权利要求1所述的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，其特征在于：所述第二强度调制模块包括第三分束器和第四分束器，在所述第三分束器和所述第四分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第三热调谐型相移器和第三载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第四热调谐型相移器和第四载流子色散型相移器；所述第三热调谐型相移器和所述第四热调谐型相移器都与所述第三分束器连接，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四分束器连接；在所述第四分束器上还连接有第二光功率检测器；所述第二分束器与所述第三分束器连接。
4.按照权利要求1所述的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，其特征在于：所述相位调制模块包括第五分束器、第六分束器，第一相位调制模块和第二相位调制模块；在所述第五分束器和所述第六分束器之间设有二条光臂，在这两条光臂上分别设有第一相位调制模块和第二相位调制模块；所述第四分束器和所述第五分束器连接，所述第五分束器还与第二光纤耦合器连接。
5.按照权利要求4所述的相位调制模块，其特征在于：所述第一相位调制模块包括第七分束器、第八分束器、第九分束器、第十分束器、第十一分束器、第十二分束器、第十三分束器、第十四分束器、第十五分束器、第十六分束器、第十七分束器、第十八分束器、第十九分束器和第二十分束器；
在所述第十一分束器和所述第十二分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第五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六热调谐型相移器和第六载流子色散型相移器；所述第五热调谐型相移器和所述第六热调谐型相移器都与所述第十一分束器连接，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十二分束器连接；
在所述第十三分束器和所述第十四分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第七热调谐型相移器和第七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八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十三分束器连接，所述第七载流子色散型相移器和所述第八载流子色散型相移器都与所述第十四分束器连接；
在所述第十七分束器和所述第十八分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第九热调谐型相移器和第九载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十热调谐型相移器和第十载流子色散型相移器；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十七分束器连接，所述第九载流子色散型相移器和所述第十载流子色散型相移器都与所述第十八分束器连接；
在所述第十九分束器和所述第二十分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十一热调谐型相移器和第十一载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十二热调谐型相移器和第十二载流子色散型相移器；所述第十一热调谐型相移器和所述第十二热调谐型相移器都与所述第十九分束器连接，所述第十一载流子色散型相移器和所述第十二载流子色散型相移器都与所述第二十分束器连接；
所述第九分束器分别与所述第十一分束器和所述第十三分束器连接，所述第十分束器经第二十一热调谐型相移器与所述第十二分束器连接，所述第十分束器还经第二十二热调谐型相移器与所述第十四分束器连接，所述第十五分束器分别与所述第十七分束器和所述第十九分束器连接，所述第十六分束器经第二十三热调谐型相移器与所述第十八分束器连接，所述第十六分束器还经第二十四热调谐型相移器与所述第二十分束器连接；
所述第七分束器分别与所述第九分束器和所述第十五分束器连接，所述第八分束器分别与第十分束器和第十六分束器连接，第八分束器40302还与第三光纤耦合器10连接。
6.按照权利要求4所述的相位调制模块，其特征在于：所述第二相位调制模块包括第二十一分束器、第二十二分束器、第二十三分束器、第二十四分束器、第二十五分束器、第二十六分束器、第二十七分束器、第二十八四分束器、第二十九分束器、第三十分束器、第三十一分束器、第三十二分束器、第三十三分束器和第三十四分束器；
在所述第二十五分束器和所述第二十六分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十三热调谐型相移器和第十三载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十四热调谐型相移器和第十四载流子色散型相移器；所述第十三热调谐型相移器和所述第十四热调谐型相移器都与所述第二十五分束器连接，所述第十三载流子色散型相移器和所述第十四载流子色散型相移器都与所述第二十六分束器连接；
在所述第二十七分束器和所述第二十八分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十五热调谐型相移器和第十五载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十六热调谐型相移器和第十六载流子色散型相移器；所述第十五热调谐型相移器和所述第十六热调谐型相移器都与所述第二十七分束器连接，所述第十五载流子色散型相移器和所述第十六载流子色散型相移器都与所述第二十八分束器连接；
在所述第三十一分束器和所述第三十二分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十七热调谐型相移器和第十七载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第十八热调谐型相移器和第十八载流子色散型相移器；所述第十七热调谐型相移器和所述第十八热调谐型相移器都与所述第三十一分束器连接，所述第十七载流子色散型相移器和所述第十八载流子色散型相移器都与所述第三十二分束器连接；
在所述第三十三分束器和所述第三十四分束器之间设有两条光臂，在第一条光臂上串联有第十九热调谐型相移器和第十九载流子色散型相移器，在第二条光臂上串联有第二十热调谐型相移器和第二十载流子色散型相移器；所述第十九热调谐型相移器和所述第二十热调谐型相移器都与所述第三十三分束器连接，所述第十九载流子色散型相移器和所述第二十载流子色散型相移器都与所述第三十四分束器连接；
所述第二十三分束器分别与所述第二十五分束器和所述第二十七分束器连接，所述第二十四分束器经第二十五热调谐型相移器与所述第二十六分束器连接，所述第二十四分束器还经第二十六热调谐型相移器与所述第二十八分束器连接，所述第二十九分束器分别与所述第三十一分束器和所述第三十三分束器连接，所述第三十分束器经第二十七热调谐型相移器与所述第三十二分束器连接，所述第三十分束器还经第二十八热调谐型相移器与所述第三十四分束器连接；
所述第二十一分束器分别与所述第二十三分束器和所述第二十九分束器连接，所述第二十二分束器分别与第二十四分束器和第三十分束器连接，所述第二十二分束器还与第七光纤耦合器连接；
所述第五分束器分别与所述第七分束器和所述第二十一分束器连接，所述第六分束器分别与所述第八分束器和所述第二十二分束器连接。
7.按照权利要求1所述的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，其特征在于：所述衰减监控模块包括第三十五分束器、可变光衰减器和第三光功率检测器，所述第三十五分束器分别与所述可变光衰减器和所述第三光功率检测器连接；所述可变光衰减器与所述第六分束器连接。
8.按照权利要求1所述的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，其特征在于：所述同步光路为分别与第六光纤耦合器和复用器连接的第三十六分束器，所述第三十六分束器上还连接有第四光功率检测器。
9.按照权利要求1所述的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，其特征在于：所述衰减监控模块和所述同步光路都与复用器连接，所述复用器与第六光纤耦合器连接。
10.按照权利要求1-9任一所述的硅基集成的双场量子密钥分发编码芯片，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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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107566043A (zh) * 2017-09-15 2018-01-09 北京中创为量子通信技术有限公司 一种量子密钥发送端、接收端、系统及方法
CN208797959U (zh) * 2018-09-03 2019-04-26 浙江九州量子信息技术股份有限公司 基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统
CN209120198U (zh) * 2018-10-29 2019-07-16 中国电子科技集团公司电子科学研究院 分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置及相应系统
CN112929161A (zh) * 2021-01-22 2021-06-08 西安电子科技大学 即插即用型参考系无关的双场量子密钥分发协议实现方法
CN113300762A (zh) * 2021-05-26 2021-08-24 南京邮电大学 一种适用于双场协议的被动式光源监控方法
CN113794557A (zh) * 2021-09-16 2021-12-14 广西大学 一种多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片
US20220014362A1 (en) * 2020-07-13 2022-01-13 The University Of Arizona, Tech Launch Arizona Joint twin-field quantum key distribution cryptosystem
CN216122449U (zh) * 2021-10-08 2022-03-22 科大国盾量子技术股份有限公司 具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片及系统

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107566043A (zh) * 2017-09-15 2018-01-09 北京中创为量子通信技术有限公司 一种量子密钥发送端、接收端、系统及方法
CN208797959U (zh) * 2018-09-03 2019-04-26 浙江九州量子信息技术股份有限公司 基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统
CN209120198U (zh) * 2018-10-29 2019-07-16 中国电子科技集团公司电子科学研究院 分偏振相差控制的量子密钥分发相位解码装置及相应系统
US20220014362A1 (en) * 2020-07-13 2022-01-13 The University Of Arizona, Tech Launch Arizona Joint twin-field quantum key distribution cryptosystem
CN112929161A (zh) * 2021-01-22 2021-06-08 西安电子科技大学 即插即用型参考系无关的双场量子密钥分发协议实现方法
CN113300762A (zh) * 2021-05-26 2021-08-24 南京邮电大学 一种适用于双场协议的被动式光源监控方法
CN113794557A (zh) * 2021-09-16 2021-12-14 广西大学 一种多自由度量子密钥分发硅基发射端芯片
CN216122449U (zh) * 2021-10-08 2022-03-22 科大国盾量子技术股份有限公司 具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片及系统

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