CN116418406A - 一种衰减均衡的片上编码器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种衰减均衡的片上编码器及方法，其在偏振编码单元之外设置了相位调制器，用于通过对光信号进行相位调制使其产生一定的预衰减，并且根据偏振编码单元在光信号上产生的衰减值变化，通过调节调制相位相匹配地改变预衰减值，从而保证片上编码器在输出偏振光信号时，对光信号的总衰减值为一固定值，因此实现衰减均衡的片上编码器及方法。
Description
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，具体涉及一种衰减均衡的片上编码器及其编码方法。
背景技术
量子密钥分发(QKD)基于量子力学原理，由于量子不可克隆和测不准原理，其为一种理论可证明无条件安全的密钥分发体系。
量子密钥分发往往涉及复杂的光信号编码和解码过程，目前往往是基于传统光纤器件的组合来实现所需要的编码器和解码器，其体积较大且成本较高。
偏振编码方案是主流的量子密钥分发方案之一，其主要是借助基于相位调制的偏振编码过程来实现，即：对于偏振态分别为|H>和|V>的两个分量光，通过相位调制在两个分量光之间形成相位差
则两个分量经矢量合成后将会形成偏振态为/>
的偏振光信号。由此可见，可以通过相位调制器调节输入光信号的两个分量之间的相位差/>
在光信号上实现所需要的偏振编码。
目前，主流的偏振编码器是借助光纤器件和保偏相位调制器的组合实现的，其体积一般较大，成本较高。为此，现有技术中提出了在光学芯片上实现光信号编码和解码的解决方案，由此提供了一种实现小体积、低成本和高稳定量子密钥分发设备的重要解决思路。
图1示出了现有技术的一种硅基集成的偏振调制装置，其通过偏振分束器、偏振合束器和硅基移相器来实现，其中，硅基移相器通常是基于热光效应原理或基于等离子色散效应原理实现的。
在这种片上编码方案中，基于等离子色散效应原理的硅基相位调制器普遍存在调制相关损耗问题，即，在调制出不同相位时，其衰减也相应不同。因此，这种片上编码器在调制不同偏振态时，对输入光信号产生的衰减也将存在差异，最终导致输出的偏振光信号功率不均衡。然而，在这种量子密钥分发中，理论上需要除偏振态之外的其余维度均不可区分。
因此，现有技术提出了通过牺牲一定安全成码率来解决该问题的方案，但这种成码率的降低对于量子密钥分发而言也是不利的。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种衰减均衡的片上编码器及方法，其在偏振编码单元之外设置了相位调制器，用于通过对光信号进行相位调制使其产生一定的预衰减，并且根据偏振编码单元在光信号上产生的衰减值变化，通过调节调制相位相匹配地改变预衰减值，从而保证片上编码器在输出偏振光信号时，对光信号的总衰减值为一固定值，因此实现衰减均衡的片上编码器及方法。
本发明的第一方面涉及一种衰减均衡的片上编码方法，其包括预补偿步骤和编码步骤；
在所述预补偿步骤中，利用第一硅基相位调制器为输入光信号提供第一调制相位
j＝1、...、M；
在所述编码步骤中，利用光分束器将经相位调制的输入光信号分成第一和第二分量，利用第二硅基相位调制器为所述第一或第二分量提供第二调制相位
并利用偏振合束器使所述第一和第二分量合束，形成偏振光信号；
其中，所述第一调制相位
被设置成使所述偏振光信号相对于输入光信号的总衰减值IL为固定值，所述第二调制相位/>
选自第一相位集合。
进一步地，本发明的片上编码方法还包括固定值设置步骤，其中，使所述第一调制相位
为零，在第一相位范围内选取N个第二调制相位扫描点/>
i＝1、...、N，记录所述第二调制相位扫描点/>
下的总衰减值IL(i)，根据所述总衰减值IL(i)获得最大总衰减值，并将其设为所述固定值。
更进一步地，本发明的片上编码方法，其还包括事先针对所述第一相位集合中的每个第二调制相位
确定使所述总衰减值IL为所述固定值的第一调制相位/>
的步骤。
优选地，所述第一相位集合包括0、π/2、π和3π/2；以及/或者，所述光分束器为多模干涉仪或者定向耦合器；以及/或者，所述偏振合束器为二维光栅；以及/或者，所述硅基相位调制器是基于等离子色散效应原理形成的。
可选地，所述第一相位范围为0-2π。
本发明的第二方面涉及一种衰减均衡的片上编码器，其包括通过波导连接的第一相位调制器、光分束器、第二相位调制器和偏振合束器；
所述第一相位调制器被设置用于为输入光信号提供第一调制相位
所述光分束器被设置用于将经相位调制的输入光信号分成第一和第二分量；
所述第二相位调制器被设置用于为所述第一或第二分量提供第二调制相位
其选自第一相位集合；
所述偏振合束器被设置用于将所述第一和第二分量合束，形成偏振光信号；
其中，所述第一调制相位
被设置成使所述偏振光信号相对于输入光信号的总衰减值IL为固定值。
进一步地，所述固定值为在所述第一调制相位
为零时，借助第一相位范围内的第二调制相位/>
得到的总衰减值IL中的最大值。
可选地，所述第一相位集合包括0、π/2、π和3π/2。
可选地，所述第一相位范围为0-2π。
优选地，所述第一相位调制器与光分束器之间还设有其他器件或功能单元；以及/或者，所述光分束器为多模干涉仪或定向耦合器；以及/或者，所述偏振合束器为二维光栅；以及/或者，所述相位调制器为载流子沉积型、载流子注入型或载流子耗尽型；以及/或者，所述第一相位调制器、光分束器、第二相位调制器、偏振合束器和波导为硅材质。
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示出了现有技术中的一种硅基集成的偏振调制装置；
图2示出了根据本发明的衰减均衡的片上编码器的一个示例；
图3示出了根据本发明的衰减均衡的片上编码器的另一示例。
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。
考虑到现有片上编码器的衰减不均衡原因是其在进行不同偏振编码时，会在光信号上引入不同的衰减。因此，本发明提出在原有偏振编码过程的基础上，增加对输入光信号进行衰减预补偿的环节，通过在预补偿环节中相应补偿偏振编码过程中的衰减差异，由此保证在编码不同的偏振态时，片上编码器在输入光信号上产生的总衰减值为固定值，即，经其偏振编码输出的不同偏振光信号具有相同的功率(光强)。
更重要地，在实现这种衰减预补偿时，本发明并没有采用例如强度调制器等常规强度调制器件或功能结构，而是针对片上编码器这一特殊的应用场景，提出了借助相位调制器实现的衰减预补偿结构。强度调制器等常规器件虽然具有功率调节功能，但其并不完全适于解决片上编码器的衰减不均衡问题。在现有片上编码器中，相位调制器对应于不同调制相位的衰减值差异相对较小，因此在补偿这种差异时需要高的功率调节精度。相比之下，例如强度调制器等常规功率调节器件具有过大的调节范围，需要借助复杂的控制过程来实现片上编码器所需要的衰减补偿；同时，这类功率调节器件结构相对复杂，会不必要地增加片上编码器制备工艺的复杂度，同时也不利于其小型化。因此，本发明通过对片上编码器结构的分析，创新性地提出同类补偿的概念，利用相位调制器中衰减值与调制相位相关的特性，借助一个相位调制器的主动变化来补偿另一相位调制器中的被动变化，从而克服这种不期望的衰减值变化造成的衰减不均衡问题。此外，本发明中的衰减补偿结构具有与偏振编码单元中的相位调制器相同的特性，允许以非常简单的方式提供所需要的衰减补偿；其补偿精度与偏振编码单元中的衰减变化精度一致，能够非常精确地实现所需要的衰减补偿；并且，两者具有一致的环境稳定性，因此允许提供稳定的补偿效果。同时，借助相位调制器实现的衰减补偿结构需要相对简单的制造工艺且相对小的尺寸，这对于片上编码器而言是非常有利的。
图2示出了根据本发明的衰减均衡的片上编码器的一种示例。
如图2所示，片上编码器可以包括第一相位调制器200、光分束器300、第二相位调制器400和偏振合束器500。其中，第一相位调制器200用于实现衰减补偿功能，光分束器300、第二相位调制器400和偏振合束器500共同实现偏振编码功能。
第一相位调制器200的输入端连接输入波导100，用于接收输入光信号，并在第一调制相位
下对其进行第一次相位调制，因此在输入光信号上提供与第一调制相位/>
相对应的衰减值，作为预补偿。
光分束器300、第二相位调制器400和偏振合束器500构成一个偏振编码单元。第一相位调制器200的输出端通过波导与光分束器300的输入端进行连接，将经预补偿的输入光信号输入至偏振编码单元中，以对其进行偏振编码，生成偏振光信号。
在偏振编码单元中，光分束器300将输入光信号分成第一分量和第二分量。
第一分量和第二分量各沿一路波导朝向偏振合束器500传输，在此传输过程中，第二相位调制器400在第二调制相位
下对第一分量进行第二次相位调制。因此，当第一分量和第二分量在偏振合束器500合束形成偏振光信号时，偏振光信号的偏振态将与第二调制相位/>
有关。
如图2所示，偏振合束器500的输出端可以连接输出波导600，以向外输出偏振光信号。
在本发明中，可以根据待编码的偏振态设置第二调制相位
同时还根据第二调制相位/>
设置第一调制相位/>
以使偏振光信号相对于输入光信号的衰减值IL(即片上编码器的总衰减值)为预设的一固定值。
下面将结合图2，进一步描述本发明的衰减均衡的片上编码方法，以便例如能够更好地理解第一调制相位
第二调制相位/>
及片上编码器的固定总衰减值IL的设置过程。
根据本发明的衰减均衡的片上编码方法可以包括固定值设置步骤、预补偿步骤和编码步骤。
固定值设置步骤用于为片上编码器设置合适的固定总衰减值IL。
在该固定值设置步骤中，使第一调制相位
为零，在第一相位范围内选取N个第二调制相位扫描点/>
i＝1、...、N，并记录在各个第二调制相位扫描点/>
下，片上编码器的总衰减值IL(i)。最后，借助所获取的N个总衰减值IL(i)，计算得到第一相位范围内的最大总衰减值，将其设为固定值。
在本发明中，可以根据用于偏振编码的第二调制相位
确定第一相位范围。作为示例，可以将第一相位范围设为0-2π。
在设定固定值之后，还可以事先获取多个使片上编码器的总衰减值IL为固定值的第一调制相位
和第二调制相位/>
的相位组合。因此，可以方便地根据用于偏振编码的第二调制相位/>
确定用于提供衰减预补偿的第一调制相位/>
例如，可以针对第一相位集合中的每个第二调制相位
分别计算得到使总衰减值IL为固定值的第一调制相位/>
从而形成相应的相位组合。
作为示例，第一相位集合可以包括0、π/2、π和3π/2等四种调制相位，用于在片上编码器中实现|+>、|R>、|->和|L>等四种偏振态。
因此，在预补偿步骤中，可以根据用于偏振编码的第二调制相位
例如从事先形成的相位组合中得到与之匹配的第一调制相位/>
利用第一相位调制器200为输入光信号提供第一调制相位/>
在输入光信号上提供相应的衰减值，对其进行衰减预补偿。
在编码步骤中，则可以利用光分束器300将经第一次相位调制(衰减预补偿)的输入光信号分成第一和第二分量，并利用第二相位调制器400在第一或第二分量上提供第二调制相位
使两个分量最终经偏振合束器500合束形成的偏振光信号具有所期望的偏振态。并且，偏振光信号相对于输入光信号的总衰减值IL必然为预设的固定值，由此允许片上编码器稳定地输出偏振态不同但功率相同的偏振光信号。
在本发明中，第一相位调制器200、光分束器300、第二相位调制器400和偏振合束器500，以及与这些器件相连接的波导，优选可以借助硅材料来实现。
优选地，第一和第二相位调制器可以是基于等离子色散效应原理形成的。
进一步地，本发明的相位调制器可以为载流子沉积型、载流子注入型或者载流子耗尽型。
优选地，光分束器300可以包括多模干涉仪或者定向耦合器。
优选地，偏振合束器500可以包括偏振旋转合束器，例如二维光栅。
尽管图2示出的片上编码器仅包括第一相位调制器200和偏振编码单元，但是本领域技术人员能够理解，在根据本发明的片上编码器中，还可以在第一相位调制器200和偏振编码单元之间设置任何需要的光学器件或功能模块，而不会影响片上编码器稳定地输出衰减均衡的偏振光信号。
图3示出了根据本发明的片上编码器的另一示例。
如图3所示，与图2所示片上编码器相比，该片上编码器还在第一相位调制器200和光分束器300(即偏振编码单元)之间设有光分束比调节单元，其包括光分束器700和相位调制器800，用于调节光分束器300的分束比。
本领域技术人员能够理解，在图3所示的片上编码器中，在借助强度调制器增加偏振光信号功率调节功能的同时，仍然允许借助相位调制器200的预补偿，消除因相位调制器的不完美(即，衰减值随调制相位变化)而导致片上编码器中的衰减不均衡。
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 (10)
1.一种衰减均衡的片上编码方法，其包括预补偿步骤和编码步骤；
在所述预补偿步骤中，利用第一硅基相位调制器为输入光信号提供第一调制相位
在所述编码步骤中，利用光分束器将经相位调制的输入光信号分成第一和第二分量，利用第二硅基相位调制器为所述第一或第二分量提供第二调制相位
并利用偏振合束器使所述第一和第二分量合束，形成偏振光信号；
其中，所述第一调制相位
被设置成使所述偏振光信号相对于输入光信号的总衰减值IL为固定值，所述第二调制相位/>
选自第一相位集合。
2.如权利要求1所述的片上编码方法，其还包括固定值设置步骤，其中，使所述第一调制相位
为零，在第一相位范围内选取N个第二调制相位扫描点/>
记录所述第二调制相位扫描点/>
下的总衰减值IL(i)，根据所述总衰减值IL(i)获得最大总衰减值，并将其设为所述固定值。
3.如权利要求2所述的片上编码方法，其还包括事先针对所述第一相位集合中的每个第二调制相位
确定使所述总衰减值IL为所述固定值的第一调制相位/>
的步骤。
4.如权利要求1-3中任一项所述的片上编码方法，其中：
所述第一相位集合包括0、π/2、π和3π/2；以及/或者，
所述光分束器为多模干涉仪或者定向耦合器；以及/或者，
所述偏振合束器为二维光栅；以及/或者，
所述硅基相位调制器是基于等离子色散效应原理形成的。
5.如权利要求2或3所述的片上编码方法，其中，所述第一相位范围为0-2π。
6.一种衰减均衡的片上编码器，其包括通过波导连接的第一相位调制器、光分束器、第二相位调制器和偏振合束器；
所述第一相位调制器被设置用于为输入光信号提供第一调制相位
所述光分束器被设置用于将经相位调制的输入光信号分成第一和第二分量；
所述第二相位调制器被设置用于为所述第一或第二分量提供第二调制相位
其选自第一相位集合；
所述偏振合束器被设置用于将所述第一和第二分量合束，形成偏振光信号；
其中，所述第一调制相位
被设置成使所述偏振光信号相对于输入光信号的总衰减值IL为固定值。
7.如权利要求6所述的片上编码器，其中，所述固定值为在所述第一调制相位
为零时，借助第一相位范围内的第二调制相位/>
2(j)得到的总衰减值IL中的最大值。
8.如权利要求6所述的片上编码器，其中，所述第一相位集合包括0、π/2、π和3π/2。
9.如权利要求7所述的片上编码器，其中，所述第一相位范围为0-2π。
10.如权利要求6-9中任一项所述的片上编码器，其中：
所述第一相位调制器与光分束器之间还设有其他器件或功能单元；以及/或者，
所述光分束器为多模干涉仪或定向耦合器；以及/或者，
所述偏振合束器为二维光栅；以及/或者，
所述相位调制器为载流子沉积型、载流子注入型或载流子耗尽型；以及/或者，
所述第一相位调制器、光分束器、第二相位调制器、偏振合束器和波导为硅材质。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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