CN116633541B - 一种基于气室频率参考的双场光源锁频方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于气室频率参考的双场光源锁频方法及系统，涉及量子密钥分发技术领域，双场光源通过各自的气室频率参考锁定系统将光源锁定在气室频率参考上，激光信号一束耦合到分子吸收池中，被第二光电探测器探测，另一束激光信号被第一光电探测器探测，得到频率失谐信息，产生误差信号，最终将激光锁定在气室的频率参考上；双场光源的第一光源发射锁定在气室频率参考上连续激光，锁定在气室频率参考上第二光源发射连续激光；探测端接收经过编码后的第一激光和第二激光，两束激光通过合束器合束干涉后分别被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测。
Description
技术领域
本申请涉及量子密钥分发技术领域，尤其涉及一种基于气室频率参考的双场光源锁频方法及系统。
背景技术
量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以使用户之间实现信息理论安全的共享密钥，结合“一次一密”的加密方式，可以实现无条件安全的保密通信。因为其重要的现实意义，QKD一直是过去几十年来国际学术界竞相研究的热点。
2018年提出的双场量子密钥分发（TF-QKD）协议，将无中继QKD密钥率和信道透过率的线性关系提升至平方根相关，能够突破无中继QKD的密钥率-距离限制，极大提升了QKD的传输距离，同样也提高了远距离下的密钥率，因此被认为是未来实现大规模光纤量子通信网络的完美解决方案。然而，TF-QKD技术要求相当苛刻，需要两个远程独立激光器的单光子干涉，任何由激光波长/频率差或链路光纤振动引起的相位抖动都会降低单光子的干涉对比度，这使得基于光纤的TF-QKD系统本身对温度波动、声音、振动等外界环境变化的扰动非常敏感，因此成为TF-QKD实用化的主要障碍。
通常数百公里光纤的相位漂移速率大约在rad/ms水平，如果不对其进行抑制，则无法实现稳定的单光子干涉。通过简单的时分或者波分复用编码方式，引入附加强相位参考光，并根据参考光脉冲的单光子干涉结果进行实时补偿或数据后处理补偿，即可消除光纤链路波动的影响。
而针对独立激光的快速频率漂移，目前的TF-QKD实验中通常会采用比较复杂的技术手段实现两边光源的频率/相位同步。主要分为三类方式，第一类是通过在两个发送端本地利用超稳光学F-P腔进行PDH锁频，锁频后输出的超稳激光经电光调制器产生调制边带后发送到测量端进行干涉，根据调制边带的单光子干涉结果实时补偿两边光源的频率偏差，或者是利用附加光纤进行时频传输，将一个发送端的超稳激光传输到另一个发送端进行频率偏差补偿，最终实现两个发送端的超稳激光频率/相位同步。由于PDH锁频技术昂贵且非常复杂，对环境依赖程度很高，因此并不易于TF-QKD的实用化。第二类方式是通过附加光纤在测量端发送两束激光到两个发送端作为光学频率参考，之后利用光学锁相环或注入锁定方式，分别在两个发送端实现种子激光的相位/频率同步。但考虑到实际系统中，附加光纤会增加TF-QKD的成本，并且注入锁定技术会存在一定的安全性隐患。最后一类方式是发送端光源不采用主动锁相，但在测量端通过超高计数率单光子探测器快速探测两边光源的频率偏差及漂移速率，并通过数据后处理补偿两边光源的频率快速漂移。由于超导纳米线单光子探测器芯片工艺复杂，且需在极端低温条件下运行，对振动、静电、温度等极其敏感，也不易做到真正的实用化。
由于TF-QKD技术要求相当苛刻，需要两个远程独立激光器的单光子干涉，为实现两个独立激光器的高对比度干涉，现有方法需要复杂的PDH锁频及时频传输技术，或是采用复杂的高计数率单光子探测器系统，或是通过光学锁相环和注入锁定的方式，使系统复杂度非常高，且成本高昂，不易于TF-QKD的实用化。
目前为实现TF-QKD系统中两个独立激光器的高对比度干涉，一种方式是通过使用高计数率的单光子探测器，以此实现较高的成码率，由于单光子探测器芯片工艺复杂，导致其成本高昂；另外通过注入锁定的方式实现两个独立激光器的高对比度干涉，现有方法需要复杂的PDH锁频及时频传输技术，或是通过光学锁相环和注入锁定的方式，使TF-QKD系统的复杂度较高，外界光对量子光源的注入引入了安全性风险，且成本高昂，不易于TF-QKD的实用化。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于气室频率参考的双场光源锁频方法，包括：
S1、双场光源的第一光源和第二光源通过各自的气室频率参考锁定系统将光源锁定在气室频率参考上，包括：
气室频率参考锁定系统中的种子激光器发出连续激光，声光调制器对激光光场进行频率调制，经频率调制后的激光信号通过分束器一端进入偏振分束器，经频率调制后的激光信号经偏振分束器后分成两束激光信号，一束耦合到分子吸收池中，经过反射镜反射后被第二光电探测器探测；另一束激光信号被第一光电探测器探测，得到频率失谐信息，产生误差信号，通过伺服控制电路处理后，反馈到声光调制器及种子激光器的压电陶瓷进行频率补偿，最终将激光锁定在气室的频率参考上，从分束器的另一端射出；
S2、所述第一光源发射频率锁定后的连续激光，连续激光通过第一相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第一强度调制器实现强度编码后形成第一激光进入第一被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
所述第二光源同时发射频率锁定后的连续激光，连续激光通过第二相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第二强度调制器实现强度编码后形成第二激光进入第二被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
S3、探测端接收经过光纤发送的第一激光和第二激光，两束激光通过合束器合束干涉后分别被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测。
进一步地，所述气室的频率参考为分子吸收池的吸收谱线对应的频率。
进一步地，所述分子吸收池的长期波长稳定性优于1E-11。
进一步地，所述第一相位调制器和第二相位调制器将激光的相位调制成不同的随机相位切片来实现相位编码。
进一步地，所述第一光源发射的频率锁定后的连续激光通过第一偏振控制器进行偏振优化后进入第一相位调制器进行相位编码，所述第二光源发射的频率锁定后的连续激光通过第三偏振控制器进行偏振优化后进入第二相位调制器进行相位编码。
进一步地，第一激光和第二激光通过各自的光纤分别进入第二偏振控制器和第四偏振控制器进行偏振优化后发送到探测端。
本发明还提出了一种基于气室频率参考的双场光源锁频系统，包括：双场光源、编码部分、探测端；
双场光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源通过各自的气室频率参考锁定系统将光源锁定在气室频率参考上；
所述气室频率参考锁定系统包括：种子激光器、声光调制器、偏振分束器、分子吸收池、反射镜、第一光电探测器和第二光电探测器；
种子激光器发出连续激光，声光调制器对激光光场进行频率调制，经频率调制后的激光信号通过分束器一端进入偏振分束器，经频率调制后的激光信号经偏振分束器后分成两束激光信号，一束激光信号耦合到分子吸收池中，经过反射镜反射后被第二光电探测器探测；另一束激光信号被第一光电探测器探测，得到频率失谐信息，产生误差信号，反馈到声光调制器及种子激光器的压电陶瓷进行频率补偿，最终将激光锁定在气室的频率参考上，从分束器的另一端射出；
所述编码部分包括：第一相位调制器、第二相位调制器，第一强度调制器、第二强度调制器、第一被动衰减器和第二被动衰减器；
所述第一光源发射的频率锁定后的连续激光通过第一相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第一强度调制器实现强度编码后形成第一激光进入第一被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
所述第二光源发射的频率锁定后的连续激光通过第二相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第二强度调制器实现强度编码后形成第二激光进入第二被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
所述探测端包括：合束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；
所述探测端接收经过光纤发送后的第一激光和第二激光，两束激光通过合束器合束干涉后分别被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测。
进一步地，所述气室频率参考锁定系统包括伺服控制电路、声光调制器；
第一光电探测器探测得到频率失谐信息，产生误差信号，通过伺服控制电路处理后，反馈到声光调制器及种子激光器的压电陶瓷，进行频率补偿，最终将激光锁定在气室的频率参考上。
进一步地，所述第一光源发射的频率锁定后的连续激光通过第一偏振控制器进行偏振优化后进入第一相位调制器进行相位编码，所述第二光源发射的频率锁定后的连续激光通过第三偏振控制器进行偏振优化后进入第二相位调制器进行相位编码。
进一步地，第一激光和第二激光通过各自的光纤分别进入第二偏振控制器和第四偏振控制器进行偏振优化后发送到探测端。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
本发明可应用于实现长距离开放式架构双场量子密钥分发（TF-QKD）系统中双场光源的频率/相位锁定，在无需精密复杂的PDH锁频技术，以及额外的锁相光纤链路，仅采用气体吸收池作为光学频率参考，实现全开放式架构的双场量子密钥分发（TF-QKD）。
利用气室作为光学频率参考的双场量子密钥分发（TF-QKD）光源实现方式；基于气室频率参考实现全开放式的双场量子密钥分发（TF-QKD）架构；通过简单装置即可实现系统稳定的双场量子密钥分发（TF-QKD）系统，不需要高计数率的单光子探测器，降低实施成本，且系统稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于气室频率参考的双场光源锁频系统示意图；
图2为本发明的气室频率参考锁定系统示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
本发明提出一种通过采用长期稳定度优于1E-11的气室，例如乙炔分子气室作为光学频率参考，将两边百赫兹线宽的种子激光器锁定在各自的气室吸收谱线上，利用分子吸收谱线的长期稳定性，使两边光源同时具有较好的短期稳定度和长期稳定度。
由于分子吸收谱相对于光学F-P腔是一个绝对的光学频率参考，因此两边锁定后的光源输出频率基本保持一致。仅由种子激光器自身线宽产生较小的频率偏差，当频率偏差不超过1 kHz时，由两边光源频率偏差引起的相位变化会远低于数百公里光纤产生的相位抖动，通过简单的时分或者波分复用编码方式，引入附加强相位参考光，并根据参考光脉冲的单光子干涉结果进行实时补偿或数据后处理补偿，即可消除锁定后光源微小频率偏差的影响。
如图1所示，为本发明的一种基于气室频率参考的双场光源锁频系统结构示意图，包括：双场光源、编码部分、探测端。
双场光源包括锁定在气室频率参考上的第一光源及第二光源。
编码部分包括：第一偏振控制器、第三偏振控制器、第一相位调制器、第二相位调制器，第一强度调制器、第二强度调制器、及将光源衰减至单光子水平的第一被动衰减器、第二被动衰减器。
探测端包括：Charlie端（即图1中的C端）的合束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器。
Alice端和Bob端（即图1中的A端和B端）利用锁定在气室频率参考上的连续激光作为各自的光源，锁定后的独立激光相对频率偏差不超过1kHz。Alice端和Bob端的光源先各自经过第一偏振控制器和第三偏振控制器进行偏振优化之后，然后各自采用第一相位调制器和第二相位调制器将激光的相位调制成不同的随机相位切片来实现相位编码，在相位调制器之后，由各自的第一强度调制器和第二强度调制器实现强度编码，从而实现光源输出的相位随机化、编码和诱骗态强度调制。然后经过各自的第一被动衰减器和第二衰减并通过光纤发送至Charlie端。在探测端，Alice端和Bob端编码后的脉冲经各自的光纤到达各自的第二偏振控制和第四偏振控制器进行偏振优化，最后在合束器上合束干涉，最终分别被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测。
Alice端和Bob端使用锁定在气室频率参考上的连续激光作为各自的光源，第一光源和第二光源通过各自的气室频率参考锁定系统将光源锁定在气室频率参考上；气室频率参考锁定系统如图2所示，所述气室频率参考锁定系统包括：种子激光器、声光调制器、分束器、偏振分束器、分子吸收池、反射镜、第一光电探测器和第二光电探测器；
种子激光器发出的光源通过声光调制器对激光光场进行频率调制，然后将调制后的激光信号通过分束器一端进入偏振分束器，再经偏振分束器后分成两束激光信号，一束激光信号耦合到分子吸收池中，经过反射镜反射后被第二光电探测器探测；另一束激光信号被第一光电探测器探测，得到频率失谐信息，产生误差信号，然后通过伺服控制电路处理后，反馈到声光调制器及种子激光器的压电陶瓷进行频率补偿，最终将种子激光器锁定在气室的吸收谱线上，从分束器的另一端射出。
基于上述的双场光源锁频系统,本发明还提出了一种基于气室频率参考的双场光源锁频方法，包括：
S1、双场光源通过各自的气室频率参考锁定系统将光源锁定在气室频率参考上。
气室频率参考锁定系统中的种子激光器发出的连续激光，声光调制器对激光光场进行频率调制，经频率调制后的激光信号经偏振分束器后分成两束激光信号，一束耦合到分子吸收池中，经过反射镜反射后被第二光电探测器探测，另一束激光信号被第一光电探测器探测，得到频率失谐信息，产生误差信号，通过伺服控制电路处理后，反馈到声光调制器及种子激光器的压电陶瓷进行频率补偿，最终将激光锁定在气室的频率参考上。
S2、双场光源的第一光源发射锁定在气室频率参考上连续激光，锁定在气室频率参考上第二光源发射连续激光。
第一光源发射的锁定在气室频率参考上连续激光通过第一相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第一强度调制器实现强度编码后形成第一激光进入第一被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
第二光源发射的锁定在气室频率参考上连续激光通过第二相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第二强度调制器实现强度编码后形成第二激光进入第二被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
S3、探测端接收经过编码后的第一激光和第二激光，两束激光通过合束器合束干涉后分别被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测。
本发明提出通过采用长期稳定度优于1E-11的分子吸收池（如乙炔分子）作为光学频率参考，将两边数百赫兹线宽的种子激光器锁定在各自的分子吸收谱线对应的频率上，利用分子吸收谱线的长期稳定性，使两边光源同时具有较好的短期稳定度和长期稳定度。并且，由于分子吸收谱相对于光学F-P腔是一个绝对的光学频率参考，因此两边锁定后的光源输出频率基本保持一致。仅由种子激光器自身线宽产生较小的频率偏差，当频率偏差不超过1 kHz时，由两边光源频率偏差引起的相位变化会远低于数百公里光纤产生的相位抖动，通过简单的时分或者波分复用编码方式，引入附加强相位参考光，并根据参考光脉冲的单光子干涉结果进行实时补偿或数据后处理补偿，即可消除锁定后光源微小频率偏差的影响。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(SSD))等。
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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于气室频率参考的双场光源锁频方法，其特征在于，包括：
S1、双场光源的第一光源和第二光源通过各自的气室频率参考锁定系统将光源锁定在气室频率参考上；
每个光源的气室频率参考锁定系统均包括如下过程：
气室频率参考锁定系统中的种子激光器发出连续激光，声光调制器对激光光场进行频率调制，经频率调制后的激光信号通过分束器一端进入偏振分束器，经频率调制后的激光信号经偏振分束器后分成两束激光信号，一束耦合到分子吸收池中，经过反射镜反射后被第二光电探测器探测；另一束被第一光电探测器探测，得到频率失谐信息，产生误差信号，通过伺服控制电路处理后，反馈到声光调制器及种子激光器的压电陶瓷进行频率补偿，最终将激光锁定在气室频率参考上，从分束器的另一端射出；所述气室频率参考为分子吸收池的吸收谱线对应的频率；
S2、所述第一光源发射频率锁定后的连续激光，连续激光通过第一相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第一强度调制器实现强度编码后形成第一激光进入第一被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
所述第二光源发射频率锁定后的连续激光，连续激光通过第二相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第二强度调制器实现强度编码后形成第二激光进入第二被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
S3、探测端接收经过光纤发送的第一激光和第二激光，两束激光通过合束器合束干涉后分别被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测。
2.根据权利要求1所述的双场光源锁频方法，其特征在于，所述第一相位调制器和第二相位调制器将激光的相位调制成不同的随机相位切片来实现相位编码。
3.根据权利要求1所述的双场光源锁频方法，其特征在于，所述第一光源发射的频率锁定后的连续激光通过第一偏振控制器进行偏振优化后进入第一相位调制器进行相位编码，所述第二光源发射的频率锁定后的连续激光通过第三偏振控制器进行偏振优化后进入第二相位调制器进行相位编码。
4.根据权利要求3所述的双场光源锁频方法，其特征在于，第一激光和第二激光通过各自的光纤分别进入第二偏振控制器和第四偏振控制器进行偏振优化后发送到探测端。
5.一种基于气室频率参考的双场光源锁频系统，其特征在于，包括：双场光源、编码部分、探测端；
双场光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源通过各自的气室频率参考锁定系统将光源锁定在气室频率参考上；
所述气室频率参考锁定系统包括：种子激光器、声光调制器、偏振分束器、分子吸收池、反射镜、第一光电探测器和第二光电探测器；
种子激光器发出连续激光，声光调制器对激光光场进行频率调制，经频率调制后的激光信号通过分束器一端进入偏振分束器，经频率调制后的激光信号经偏振分束器后分成两束激光信号，一束激光信号耦合到分子吸收池中，经过反射镜反射后被第二光电探测器探测；另一束激光信号被第一光电探测器探测，得到频率失谐信息，产生误差信号，反馈到声光调制器及种子激光器的压电陶瓷进行频率补偿，最终将激光锁定在气室的频率参考上，从分束器的另一端射出；所述气室频率参考为分子吸收池的吸收谱线对应的频率；
所述编码部分包括：第一相位调制器、第二相位调制器，第一强度调制器、第二强度调制器、第一被动衰减器和第二被动衰减器；
所述第一光源发射的频率锁定后的连续激光通过第一相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第一强度调制器实现强度编码后形成第一激光进入第一被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
所述第二光源发射的频率锁定后的连续激光通过第二相位调制器进行相位编码，相位编码后的连续激光通过第二强度调制器实现强度编码后形成第二激光进入第二被动衰减器进行衰减，并通过光纤发送至探测端；
所述探测端包括：合束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；
所述探测端接收经过光纤发送后的第一激光和第二激光，两束激光通过合束器合束干涉后分别被第一单光子探测器和第二单光子探测器探测。
6.根据权利要求5所述的双场光源锁频系统，其特征在于，所述气室频率参考锁定系统包括伺服控制电路、声光调制器；
第一光电探测器探测得到频率失谐信息，产生误差信号，通过伺服控制电路处理后反馈到声光调制器及种子激光器的压电陶瓷，进行频率补偿，最终将激光锁定在气室的频率参考上。
7.根据权利要求5所述的双场光源锁频系统，其特征在于，所述第一光源发射的频率锁定后的连续激光通过第一偏振控制器进行偏振优化后进入第一相位调制器进行相位编码，所述第二光源发射的频率锁定后的连续激光通过第三偏振控制器进行偏振优化后进入第二相位调制器进行相位编码。
8.根据权利要求7所述的双场光源锁频系统，其特征在于，第一激光和第二激光通过各自的光纤分别进入第二偏振控制器和第四偏振控制器进行偏振优化后发送到探测端。
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