CN115296748A - 一种偏振调制器和量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种偏振调制器和量子密钥分发系统，其中，所述偏振调制器，集成于硅基板上，包括：依次连接的至少三级分束结构；第一级分束结构包括第一分束器以及与所述第一分束器的两输出端分别连接的第一背光探测器和强度调制器；第二级分束结构包括与所述强度调制器连接的第二分束器以及与所述第二分束器的两输出端分别连接的第二背光探测器和相位调制器；第三级分束结构包括与所述相位调制器的两输出端分别连接的第一耦合器和第二耦合器；所述第一耦合器和所述第二耦合器分别连接有至少一个背光探测器。
Description
技术领域
本申请涉及偏振调制技术领域，尤其涉及一种偏振调制器和量子密钥分发系统。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的基本原理保证传输过程的不可窃听、不可破译性，而提供的一种安全的密钥体系。在众多QKD方案当中，以BB84协议为代表的离散变量量子密钥分发(DV-QKD)技术使用最为广泛，而其中又涉及到基于相位调制的偏振态编码方案。
然而，当前的偏振态编码方案大都使用分立器件搭成，这将占用巨大的体积，同时对光路的对准提出了较高的要求，此外功能较为单一，难以有效预测调制设备的各种调制参数是否达到预期要求，在QKD技术大规模部署及使用时存在极大的不便，不利于QKD技术的推广应用。
发明内容
本申请实施例期望提供一种偏振调制器和量子密钥分发系统。
本申请的技术方案是这样实现的：
本申请第一方面的实施例提供一种偏振调制器，集成于硅基板上，包括：依次连接的至少三级分束结构；
第一级分束结构包括第一分束器以及与所述第一分束器的两输出端分别连接的第一背光探测器和强度调制器；第二级分束结构包括与所述强度调制器连接的第二分束器以及与所述第二分束器的两输出端分别连接的第二背光探测器和相位调制器；第三级分束结构包括与所述相位调制器的两输出端分别连接的第一耦合器和第二耦合器；所述第一耦合器和所述第二耦合器分别连接有至少一个背光探测器。
可选地，所述第一分束器和所述第二分束器的分束比相同。
可选地，所述强度调制器包括热光调制器和电光调制器。
可选地，所述相位调制器包括第一相位调制器和第二相位调制器；所述第一相位调制器为热调相移器，所述第二相位调制器为载流子耗尽型调制器。
可选地，所述第一耦合器连接有第三背光探测器；所述第三背光探测器用于监测所述第一耦合器输出的第一光功率。
可选地，所述第一耦合器连接有第四背光探测器；所述第四背光探测器用于监测所述第一耦合器的反向注入光功率。
可选地，所述第二耦合器连接有第五背光探测器，所述第五背光探测器用于监测所述第二耦合器输出的第二光功率。
可选地，所述第二耦合器连接有第六背光探测器，所述第六背光探测器用于监测所述第二耦合器的反向注入光功率。
可选地，还包括合束器，所述合束器的输入端与所述第一耦合器的输出端、所述第二耦合器的输出端连接，所述合束器的输出端与保偏光纤连接。
本申请的第二方面的实施例提供一种量子密钥分发系统，包括第一方面所述的偏振调制器。
本申请实施例提供的一种偏振调制器和量子密钥分发系统，所述偏振调制器集成于硅基板上，包括：依次连接的至少三级分束结构；第一级分束结构包括第一分束器以及与所述第一分束器的两输出端分别连接的第一背光探测器和强度调制器；第二级分束结构包括与所述强度调制器连接的第二分束器以及与所述第二分束器的两输出端分别连接的第二背光探测器和相位调制器；第三级分束结构包括与所述相位调制器的两输出端分别连接的第一耦合器和第二耦合器；所述第一耦合器和所述第二耦合器分别连接有至少一个背光探测器。采用本申请的技术方案，一方面通过将第一级分束结构、第二级分束结构和第三级分束结构集成于硅基板上，减小了大量分立器件形成的冗余空间，从而减小调制设备的体积，降低制造成本；另一方面，通过在第一分束器、第二分束器、第一耦合器和第二耦合器的输出端设置背光探测器，可以获取光信号的输出功率以及反向注入的光功率，便于了解芯片的耦合损耗等信息，进而保证了各种光强度及偏振态制备的准确性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的基于相位调制的偏振态制备原理示意图；
图2为本申请实施例提供的一种偏振调制器的结构示意图一；
图3为本申请实施例提供的一种偏振调制器的结构示意图二。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
此外，附图仅为本申请的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的步骤。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
量子密钥分配(QKD)协议是利用单量子态进行编码，实现具有无条件安全性的密钥分配。在实际的QKD系统中，通常采用相位编码和偏振编码两种编码方式。在光纤传输的偏振编码QKD系统中，由于光纤在拉制过程中的非均匀性所产生的双折射等效应，会使光子的偏振态随机地发生改变，从而使传送的偏振态与接收到的偏振态不一致，引起误码。此外，光纤的弯曲、环境温度的改变以及应力等因素也容易引起光子偏振态的改变，从而破坏了光子原来编码的信息，使通信系统的误码率升高，导致密钥传送失败。因此，在偏振态制备的过程中，准确了解芯片的耦合损耗等信息，进而保证各种光强度及偏振态制备的准确性就显得非常重要。
基于相位调制的偏振态制备主要原理为：通过将光脉冲分为相互垂直的|0>和|1>两个分量，再调节两个分量光脉冲的相位差，可获得特定的偏振态，如相位差分别取为0，π/2，π和3π/2时，对应获得P、R、N和L偏振态；其中P偏振态为45°线偏振态，N偏振态为135°线偏振态，R为右旋圆偏振态，L为左旋圆偏振态。P和N为相互正交的偏振态；R和L为相互正交的偏振态，且均满足量子通信BB84协议的要求。
在一些实施例中，请参阅图1，图1为本申请实施例提供的基于相位调制的偏振态制备原理示意图；BB84协议需要QKD发射端，可以准确的产生对应Bloch球面分别和Z轴，X轴，Y轴相交的共6个相交点的量子态。其中Z轴和球面相交的两个点，映射在实际的物理系统里，对应了某个物理自由度上的两个互相正交的状态，例如偏振状态里的TE模式和TM模式，X轴和球面的相交的两个点则对应45°线偏振态和-45°线偏振态，Y轴和球面相交的两个点可以对应左旋圆偏振态和右旋圆偏振态。
在一些实施例中，请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种偏振调制器的结构示意图一，所述偏振调制器集成于硅基板上，包括：依次连接的至少三级分束结构；
第一级分束结构100包括第一分束器110以及与第一分束器110的两输出端分别连接的第一背光探测器120和强度调制器130；第二级分束结构200包括与强度调制器130连接的第二分束器210以及与第二分束器210的两输出端分别连接的第二背光探测器220和相位调制器230；第三级分束结构300包括与相位调制器230的两输出端分别连接的第一耦合器310和第二耦合器320；第一耦合器310和第二耦合器320分别连接有至少一个背光探测器。
在本实施例中，信号光依次通过第一级分束结构100、第二级分束结构200和第三级分束结构300。第一分束器110对输入的信号光进行分束处理，其中一部分光束进入第一背光探测器120，另一部分光束进入强度调制器130。第一背光探测器120可以对输入的光束的功率进行监测，由此基于第一背光探测器120的分束比以及光信号的初始功率，判断光信号是否出现损耗。强度调制器130用于对入射的光信号进行调制，并将调制后的光信号传输至第二分束器210。第二分束器210对输入的信号光进行分束处理，其中一部分光束进入第二背光探测器220，另一部分光束进入相位调制器230。第二背光探测器220可以对输入的光束的功率进行监测，并基于第二背光探测器120的分束比以及输入的光信号的功率，判断光信号是否出现损耗。相位调制器230用于对入射的光信号进行相位调制，并将调制后的光信号传输至第一耦合器310和第二耦合器320；第一耦合器310和第二耦合器320分别将输入的光信号传输至同一合束器，对光信号进行合束。这里，第一耦合器310和第二耦合器320可以分别连接有背光探测器330和背光探测器340，用以对输入的光信号的功率进行检测。
本申请实施例一方面通过将第一级分束结构、第二级分束结构和第三级分束结构集成于硅基板上，减小了大量分立器件形成的冗余空间，从而减小调制设备的体积，降低制造成本；另一方面，通过在第一分束器、第二分束器、第一耦合器和第二耦合器的输出端设置背光探测器，可以获取光信号的输出功率以及反向注入的光功率，便于了解芯片的耦合损耗等信息，进而保证了各种光强度及偏振态制备的准确性。
在一些实施例中，第一分束器和第二分束器的分束比相同。
在本实施例中，优选地，经第一分束器分束后的光信号，大部分传输至强度调制器，少部分传输至第一背光探测器；经第二分束器分束后的光信号，大部分传输至相位调制器，少部分传输至第二背光探测器。
示例性的，第一分束器和第二分束器的分束比为90:10。输入至第一分束器的光信号，在通过第一分束器后，10％输出至第一背光探测器，进行功率检测，90％输出至强度调制器进行强度调制。若第一背光探测器实际测得的光功率与理论值的差值在预设误差范围内，则表明当前环节的各器件工作状态正常。同样的，输入至第二分束器的光信号，在通过第二分束器后，10％输出至第二背光探测器，进行功率检测，90％输出至相位调制器进行相位调制。若第二背光探测器实际测得的光功率与理论值的差值在预设误差范围内，则表明当前环节的各器件工作状态正常。
需要说明的，这里的第一分束器和第二分束器的分束比仅为示例，例如，第一分束器和第二分束器的分束比还可以是95:5，85:15，这个可以根据实际需求调整元器件，对此不进行限制。
在一些实施例中，强度调制器包括热光调制器和电光调制器。
热光调制器是利用温度对谐振波长的影响对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态进行调制；电光调制器是利用电光晶体的电光效应对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态进行调制。需要说明的是，相位调制器也可以包括热光调制器和电光调制器。
在一些实施例中，相位调制器包括第一相位调制器和第二相位调制器；第一相位调制器为热调相移器，第二相位调制器为载流子耗尽型调制器。
热调相移器是用于消除热相位噪声影响的一种调制器。光信号传输过程中，光路中的元器件或元器件的一部分在温度高于绝对零度时，光纤的折射率与密度均存在热涨落，这种涨落引起干涉信号相位的变化，产生了噪声，即热相位噪声。热相位噪声会随着温度的升高而增大，在光纤中随光纤长度增加而增大，因此需要通过设置热调相移器消除热相位噪声影响，确保光强度及偏振态的准确性。
载流子耗尽型调制器(carrier-depletion silicon modulator)的电学结构为一个工作在反偏模式的PN结，零偏压时，波导区域有一定浓度的P和N型掺杂，当施加反向偏压时，耗尽区扩大，波导区域的载流子浓度变低，对应光波导的有效折射率变大，损耗变小。载流子耗尽型调制器可以在实现对光信号相位调制的同时，尽可能的减小光损耗。
在一个示例中，光信号依次通过热调相移器和载流子耗尽型调制器。
在另一个示例中，光信号依次通过载流子耗尽型调制器和热调相移器。
优选地，在本实施例中，光信号依次通过热调相移器和载流子耗尽型调制器，即光信号经过热调相移器进行相位调制后，再进入载流子耗尽型调制器进行相位调制。
在一些实施例中，第一耦合器连接有第三背光探测器；第三背光探测器用于监测第一耦合器输出的第一光功率。
这里，第三背光探测器用于监测第一耦合器输出的第一光功率，第一光功率对应于第一耦合器输出至合束器的光功率。
在一些实施例中，第二耦合器连接有第五背光探测器，所述第五背光探测器用于监测所述第二耦合器输出的第二光功率。
这里，第五背光探测器用于监测第二耦合器输出的第二光功率，第二光功率对应于第二耦合器输出至合束器的光功率。
通过比较第一光功率和第二光功率，可以判断用于进行偏振合成的两个分量是否功率均衡。
在一些实施例中，第一耦合器连接有第四背光探测器；第四背光探测器用于监测第一耦合器的反向注入光功率。
这里，反向注入光为可能存在的不经过正常光路或输入方向异常的干扰光束，会对由第一耦合器输入至合束器的进行偏振合成的光束造成影响，因此，需要通过第四背光探测器检测，确保光强度及偏振态的准确性。
在一些实施例中，第二耦合器连接有第六背光探测器，第六背光探测器用于监测第二耦合器的反向注入光功率。
这里，第六背光探测器与上述第四背光探测器的作用相同。
在一些实施例中，偏振调制器还包括合束器，合束器的输入端与第一耦合器的输出端、第二耦合器的输出端连接，合束器的输出端与保偏光纤连接。
在本实施例中，合束器用于对第一耦合器输入的光束和第二耦合器输入的光束进行合束处理。进一步地，采用保偏光纤导出合束后的光束，能够保证光束的线偏振方向不变，提高相干信噪比，确保光强度及偏振态的准确性。
在一具体实施例中，请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种偏振调制器的结构示意图二。
脉冲激光器产生周期为T的信号光，经输出端口依次通过第一分束器、强度调制器、第二分束器、相位调制器、耦合器以及合束结构。强度调制器包括2个串联的1×2 50：50MMI耦合器，在两个耦合器之间设有热光调制器1和电光调制器1。强度调制器用于对入射的光信号进行调制，并将调制后的光信号传输至第二分束器。相位调制器包括2个串联的1×2 50：50MMI耦合器，在两个耦合器之间设有热光调制器2和电光调制器2，在两个耦合器之后设有热光调制器3和电光调制器3。相位调制器用于对入射的光信号进行相位调制，并将调制后的光信号分别传输至两个并联的耦合器，由这两个并联的耦合器分别将输入的光信号传输至同一合束结构，对光信号进行合束。这里，与合束结构连接的两个耦合器中的其中之一连接有第三背光探测器MPD3和第五背光探测器MPD5，与合束结构2D GC连接的两个耦合器中的另一个耦合器连接有第四背光探测器MPD4和第六背光探测器MPD6，其中，第三背光探测器MPD3和第四背光探测器MPD4分别用于监测对应连接的耦合器输出的光功率，第五背光探测器MPD5和第六背光探测器MPD6分别用于监测对应连接的耦合器的反向注入光功率。需要说明的是，在本示例中，第一分束器和第二分束器的分束比相同，合束结构可以是偏振旋转合束结构。
在一些实施例中，请再次参阅图1，当强度调制器和相位调制器的彼此调相角度差值0°时，MPD3和MPD4检测到光电流等大，对应偏振态45°线偏振，即
当强度调制器和相位调制器的彼此调相角度差值180°时，MPD3和MPD4检测到光电流等大，对应偏振态-45°线偏振，即
当强度调制器和相位调制器的彼此调相角度差值90°时，MPD3和MPD4检测到光电流等大，对应偏振态右旋圆偏振，即
当强度调制器和相位调制器的彼此调相角度差值270°时，MPD3和MPD4检测到光电流等大，对应偏振态左旋圆偏振，即
本申请实施例提供的偏振调制器，一方面通过将各元器件集成于硅基板上，减小了大量分立器件形成的冗余空间，从而减小调制设备的体积，降低制造成本；另一方面，通过在第一分束器、第二分束器、第一耦合器和第二耦合器的输出端设置背光探测器，可以获取光信号的输出功率以及反向注入的光功率，便于了解芯片的耦合损耗等信息，进而保证了各种光强度及偏振态制备的准确性。
本申请实施例还提供一种量子密钥分发系统，包括上述实施例所述的偏振调制器。
这里需要指出的是：以上量子密钥分发系统实施例的描述，与上述偏振调制器实施例的描述是类似的，具有同偏振调制器实施例相似的有益效果。对于本申请量子密钥分发系统实施例中未披露的技术细节，请参照本申请偏振调制器实施例的描述而理解，在此不再一一赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的偏振调制器和量子密钥分发系统可以通过其他的方式实现。以上所描述的电路和系统实施例仅仅是示意性的。
本申请实施例中记载的一种偏振调制器和量子密钥分发系统只以本申请所述实施例为例，但不仅限于此，只要涉及到该道岔转辙控制电路和量子密钥分发系统均在本申请的保护范围。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种偏振调制器，其特征在于，集成于硅基板上，包括：依次连接的至少三级分束结构；
第一级分束结构包括第一分束器以及与所述第一分束器的两输出端分别连接的第一背光探测器和强度调制器；第二级分束结构包括与所述强度调制器连接的第二分束器以及与所述第二分束器的两输出端分别连接的第二背光探测器和相位调制器；第三级分束结构包括与所述相位调制器的两输出端分别连接的第一耦合器和第二耦合器；所述第一耦合器和所述第二耦合器分别连接有至少一个背光探测器。
2.根据权利要求1所述的偏振调制器，其特征在于，所述第一分束器与所述第二分束器的分束比相同。
3.根据权利要求1所述的偏振调制器，其特征在于，所述强度调制器包括热光调制器和电光调制器。
4.根据权利要求1所述的偏振调制器，其特征在于，所述相位调制器包括第一相位调制器和第二相位调制器；所述第一相位调制器为热调相移器，所述第二相位调制器为载流子耗尽型调制器。
5.根据权利要求1所述的偏振调制器，其特征在于，所述第一耦合器连接有第三背光探测器；所述第三背光探测器用于监测所述第一耦合器输出的第一光功率。
6.根据权利要求1所述的偏振调制器，其特征在于，所述第一耦合器连接有第四背光探测器；所述第四背光探测器用于监测所述第一耦合器的反向注入光功率。
7.根据权利要求1所述的偏振调制器，其特征在于，所述第二耦合器连接有第五背光探测器，所述第五背光探测器用于监测所述第二耦合器输出的第二光功率。
8.根据权利要求1所述的偏振调制器，其特征在于，所述第二耦合器连接有第六背光探测器，所述第六背光探测器用于监测所述第二耦合器的反向注入光功率。
9.根据权利要求1所述的偏振调制器，其特征在于，还包括合束器，所述合束器的输入端与所述第一耦合器的输出端、所述第二耦合器的输出端连接，所述合束器的输出端与保偏光纤连接。
10.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的偏振调制器。
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