CN116760479B - 一种薄膜铌酸锂相位解码光子芯片及量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信技术领域，公开了一种量子密钥分发系统及薄膜铌酸锂相位解码光子芯片，发射端包括光功率监控模块、脉冲光激光器、强度调制器、薄膜铌酸锂相位编码光子芯片、可调衰减器，光功率监控模块连接薄膜铌酸锂相位编码光子芯片；接收端包括环形器、薄膜铌酸锂相位解码光子芯片以及两路单光子探测器，环形器一端口通过量子信道连接发射端，二端口通过薄膜铌酸锂相位解码光子芯片连接一路单光子探测器，三端口连接另一路单光子探测器。与现有技术相比，本发明解决了传统相位编码QKD光纤系统中相位编解码模块工艺一致性差，致使QKD系统成码率低的技术问题，且实现产品的小型化；同时解决硅基/PLC波导相位编码QKD系统复杂度过高、衰减过大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种薄膜铌酸锂相位解码光子芯片及量子密钥分发系统。
背景技术
量子密钥分发（QKD）作为安全性极高且产业化程度较高的量子保密通信设备，应用越来越广泛。量子密钥分发技术的前提是制备量子比特。一个量子比特利用的编码空间为 2维希尔伯特空间，其常用的编码方式主要有偏振编码以及相位编码。量子密钥分发常用的编码方式主要为偏振编码和相位编码，现在常用的相位编码的量子密钥分发方案，多采用传统分立的光纤器件通过光纤熔接等技术搭建而成，其中相位编解码模块为不等臂马赫曾德尔干涉仪（AMZI），有光纤耦合器、相位调制器、光纤延时线熔接而成，如图1所示，但是该系统量子信号在通信光纤中容易因环境干扰而发生双折射效应等作用，到达接收端时其偏振态会有较大变化及波动，最终影响信号的干涉效果，从而造成整体密钥的丢失；因此提出了在发射端加入消偏器（DOP），在接收端加入偏振分束器（PBS）进行偏振控制的方案，如图2所示，这种方案虽然可以有效消除偏振影响，但由于其接收端PBS的加入，使得一半的量子信号损失，接收端损耗大，影响系统性能；因此又提出了在接收端使用萨格纳克-马赫曾德不等臂干涉环（SMZI）的方案，SMZI由两个偏振分束器、和与发射端相同的AMZI干涉仪组成，从而使得系统在抗偏振扰动的基础上全部偏振态的光均被利用，有效地保证了成码率，如图3所示，发射端（Alice）的相位编码模块和接收端（Bob）的相位解码模块理论要求具有完全一致的臂长延时差。因此在实际生产中，通常要求光纤切割的工艺精度达到百微米级甚至更低，对于SMZI方案，由于收端干涉环制作过程中需要更多次的熔接，所以对光纤切割和熔接的精度要求更严格，这一点往往很难保证，从而制约QKD的成码率；而且分立光纤器件体积大，且光纤延时线往往需要几米的长度，导致相位编解码模块体积大，不利于集成化小型化。
在此之前已提出可用硅基或者PLC波导制作相位编解码模块。但是，硅基或PLC波导制作的不等臂马赫曾德干涉仪，若使用热光调制，无法实现高速的相位调制，在QKD系统中相位编码需要进行被动调制，大大增加了系统复杂度，若使用电光调制，虽然可以解决高速调制的问题，但是QKD接收端的相位解码模块衰减依旧过大，会大大降低系统的成码率。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种薄膜铌酸锂相位解码光子芯片及量子密钥分发系统。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种薄膜铌酸锂相位解码光子芯片，包括由薄膜铌酸锂波导制成第一多模干涉器MMI、波导延迟线、高速相位调制器、第二多模干涉器MMI、第一偏振分束旋转器PSR、第二偏振分束旋转器PSR，所述第一多模干涉器MMI的两输出端分别连接高速相位调制器的两输入端，高速相位调制器的输出端通过波导延时线连接第二多模干涉器MMI的一输入端，高速相位调制器的另一输出端连接第二多模干涉器MMI的另一输入端，第一偏振分束旋转器PSR的两个输出端分别连接第一多模干涉器MMI和第二多模干涉器的一个输入端，第二偏振分束旋转器PSR的两个输入端分别连接第一多模干涉器MMI和第二多模干涉器的另一个输入端，所述第一偏振分束旋转器PSR用于使TE模和TM模发生模式耦合实现TE/TM模的分离，并在一端将TM模转换为TE模，所述第二偏振分束旋转器PSR用于将TE模转换为TM模并实现TE/TM模的耦合。
优选地，所述第一偏振分束旋转器PSR为在薄膜铌酸锂波导上刻蚀的上支波导以及下支波导，所述上支波导的分支脊波导的宽度通过线性变化从w4=1um逐渐增大到w5=2.2um；所述下支波导的分支脊波导的宽度通过线性变化从w1=1.6um逐渐增大到w2=3.5um再逐渐缩小到w3=2.4um。
优选地，所述薄膜铌酸锂波导采用半刻蚀的铌酸锂脊形波导结构，外包层为二氧化硅材料，其中铌酸锂层为在x切，铌酸锂波导有X切和Z切两种形式，Z切之后XY平面是各向同性的，X切YZ平面各向异性，厚度为500nm，脊高Hrib为250 nm。
优选地，所述高速相位调制器包括行波电极、波导和低速BIAS电极，通过行波电极改变薄膜铌酸锂波导的折射率，用于相位的高速调制，通过低速BIAS电极改变薄膜铌酸锂波导的折射率，用于相位的补偿。
本发明还公开了一种量子密钥分发系统，包括发射端与接收端，所述发射端包括光功率监控模块以及依次连接的脉冲光激光器、强度调制器、薄膜铌酸锂相位编码光子芯片、可调衰减器，所述光功率监控模块连接薄膜铌酸锂相位编码光子芯片；所述接收端包括环形器、薄膜铌酸锂相位解码光子芯片以及两路单光子探测器，所述环形器一端口通过量子信道连接发射端，二端口通过薄膜铌酸锂相位解码光子芯片连接一路单光子探测器，三端口连接另一路单光子探测器。
优选地，所述薄膜铌酸锂相位编码光子芯片包括集成在绝缘体薄膜铌酸锂基上的第一模斑转换器、第二模斑转换器、第三模斑转换器、第四模斑转换器、第三多模干涉器、第四多模干涉器、电调高速相移器以及延时环，所述第一模斑转换器、第二模斑转换器分别通过不同的S波导连接第三多模干涉器输入端口，所述第三多模干涉器分别通过长臂以及短臂连接第四多模干涉器，所述长臂上连接有延时环，所述长臂以及短臂上均通过电调高速相移器并与其上行波电极连接，所述第四多模干涉器分别通过不同的S波导连接第三模斑转换器、第四模斑转换器。
优选地，所述行波电极包括连接在长臂上的第一行波电极组以及连接短臂上的第二行波电极组，所述第一行波电极组包括第一电极、第二电极、第三电极，三个电极设置在包含有两条平行脊线的薄膜铌酸锂脊波导上，所述第一电极、第三电极为接地电极且分别设置在两条脊线的外侧，所述第二电极为阳极电极且设置在两条脊线的内侧，三个电极高度h相等，且水平方向上距离相邻脊线的距离G也相等，两条所述脊线的宽度W相同，且两条所述脊线的高度H也相同，所述W=1.6um，H=0.5un，h=0.25um，G为1.7 um。
优选地，所述延时环的波导长度通过公式L=C/neff*t得到，其中L为延时环波导长度，neff为薄膜铌酸锂有效折射率，c为光速，t为延时时间，所述neff=2.2，c=3*10^8 m/s，t取390ps，得L设计长度为5.318 cm。
优选地，所述电调高速相移器的电光响应 3 dB 带宽在 12 GHz 以上。
优选地，所述第三多模干涉器、第四多模干涉器均采用多模干涉器MMI2*2，所述第三多模干涉器、第四多模干涉器与延时环通过波导构成一个不等臂的马赫曾德尔调制器，其中第三多模干涉器与延时环之间设有外部金属制成的高速调制行波电极。
优选地，所述延时环中的弯道绕制采用90°欧拉曲线。
优选地，所述90°欧拉曲线的有效半径大于150um。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明的量子密钥分发系统解决传统相位编码QKD光纤系统中相位编解码模块工艺一致性差，致使QKD系统成码率低的技术问题，且实现产品的小型化；同时解决硅基/PLC波导相位编码QKD系统复杂度过高、衰减过大的问题；
2、本发明的编码光子芯片，将3dB耦合器与相位调制器利用光波导器件设计并集成在同一片光子芯片上，系统具有成本低、体积小、集成度高、稳定性好等优点，另外，利用多模干涉器MMI、波导+行波电极构成的高速相位调制器、波导延时线实现的AMZI干涉环，实现了QKD系统的相位编码，具有系统简单，编码速度高、可靠性高等优点；
3、本发明提供的一种编码光子芯片，利用半导体工艺保证了AMZI臂长差的一致性，解决了传统相位编码QKD系统光纤切割精度难以保证的问题。
4、本发明提供的一种编码光子芯片，可作为量子密钥分发（QKD）发射端器件，其发射端Alice，只需要1个单光子源，相比PLC波导的被动调制相位编码QKD系统的4或8个单光子源及4个AMZI干涉环；大大降低了成本和系统复杂度。
5、本发明提供的一种编码光子芯片，其编码AMZI的高速相位调制器可以通过数字调制的方式组合实现0，π/2，π，3π/2，4种相位编码，实现高速的相位编码。
附图说明
图1为现有技术光纤相位编码QKD系统示意图；
图2为现有技术基于DOP的相位编解码方案QKD系统示意图；
图3为现有技术基于SMZI的相位编解码方案QKD系统示意图；
图4为本发明量子密钥分发系统原理框图；
图5为本发明薄膜铌酸锂相位编码光子芯片结构图；
图6为本发明薄膜铌酸锂相位解码光子芯片电极应用图；
图7为本发明薄膜铌酸锂偏振旋转器结构示意图；
图8为本发明薄膜铌酸锂偏振旋转器侧视剖视图；
图9为薄膜铌酸锂偏振旋转器中沿PSR传播方向不同位置模场剖面仿真图；
图10为STE1中不同模式有效折射率随波导宽度变化仿真图；
图11为STE2中不同模式有效折射率随波导宽度变化仿真图；
图12为本发明薄膜铌酸锂相位编码光子芯片的结构示意图；
图13为本发明编码延时环臂长差实际测试结果图；
图14为本发明薄膜铌酸锂相位编码光子芯片中行波电极结构示意图；
图15为本发明波导模式损耗随电极与波导间距及电极厚度变化示意图；
图16为本发明薄膜铌酸锂相位编码光子芯片电光S21 的测试结果示意图；
图17为本发明薄膜铌酸锂相位编码光子芯片中多模干涉器MMI2*2损耗随波长变化示意图；
图18为本发明编码延时环欧拉弯道损耗随不同有效半径变化示意图。
图中：光功率监控模块1，脉冲光激光器2，强度调制器3，薄膜铌酸锂相位编码光子芯片4，可调衰减器5，环形器6，薄膜铌酸锂相位解码光子芯片7，单光子探测器8，第一多模干涉器MMI9，波导延迟线10，高速相位调制器11，第二多模干涉器MMI12，第一偏振分束旋转器PSR13，第二偏振分束旋转器PSR14，第一模斑转换器15，第二模斑转换器16，第三模斑转换器17，第四模斑转换器18，第三多模干涉器19，第四多模干涉器20，电调高速相移器21，编码延时环22，第一行波电极组23，第一电极23-1，第二电极23-2，第三电极23-3，第二行波电极组24。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图4所示，一种量子密钥分发系统，包括发射端与接收端，所述发射端包括光功率监控模块1以及依次连接的脉冲光激光器2、强度调制器3、薄膜铌酸锂相位编码光子芯片4、可调衰减器5，所述光功率监控模块1连接薄膜铌酸锂相位编码光子芯片4；所述接收端包括环形器6、薄膜铌酸锂相位解码光子芯片7以及两路单光子探测器8，所述环形器6一端口通过量子信道连接发射端，二端口通过薄膜铌酸锂相位解码光子芯片7连接一路单光子探测器8，三端口连接另一路单光子探测器8。
如图5所示，本发明的薄膜铌酸锂相位解码光子芯片，由第一多模干涉器MMI9、波导延迟线10、高速相位调制器11、第二多模干涉器MMI12、第一偏振分束旋转器PSR13、第二偏振分束旋转器PSR14组成，全部为薄膜铌酸锂波导（LNOI）；第一多模干涉器MMI9的两端分别连接高速相位调制器11的输入端，高速相位调制器11的一端输出端通过波导延时线连接第二多模干涉器MMI12的一端输入端，高速相位调制器11的另一端输出端连接第二多模干涉器MMI12的另一端输入端，第一偏振分束旋转器PSR13的两个输出端分别连接第一多模干涉器MMI9和第二多模干涉器MMI12的一个输入端，第二偏振分束旋转器PSR14的两个输入端分别连接第一多模干涉器MMI9和第二多模干涉器MMI12的另一个输入端，其中为保证探测器有效门宽内可探测到全部携带编码信息的干涉脉冲，设计时使第一偏振分束器PSR13到两个多模干涉器MMI的光脉冲延时相等，第二偏振分束器PSR14到两个多模干涉器MMI的光脉冲延时相等。
第一多模干涉器MMI9、第二多模干涉器MMI12利用粒子群算法优化得到透过率为99.3%，两个输出端失衡比约为1:1；
高速相位调制器11由行波电极、波导和低速BIAS电极组成，通过行波电极改变薄膜铌酸锂波导的折射率，实现相位的高速调制，通过低速BIAS电极改变薄膜铌酸锂波导的折射率，可以实现相位的补偿，以减轻环境等因素对相位调制的影响，电极应用如图6所示，在行波电极上施加RF高频信号，BIAS电极上施加DC电压信号来实现相位的调制和跟踪补偿；
波导延迟线10为减小损耗弯道绕制采用90°欧拉曲线设计，波导延迟线10的长度决定了臂长延时差；
第一偏振分束旋转器PSR13、第二偏振分束旋转器PSR14通过扫描上下波导宽度，找到合理的宽度使TE和TM在上下波导的有效折射率相等，发生模式耦合实现TE/TM模的分离，在较细波导一端将TM模转换为TE模；该光子器件为可逆器件，也可反向使用，将TE模转换为TM模并实现TE/TM模的耦合；
如图7、图8所示为偏振分束旋转器PSR的原理图。偏振分束旋转器PSR将TE0 和TM0两个输入模式分别沿着下支波导和上支波导分开。其中图7为偏振分束旋转器PSR结构俯视图， w1,w2,w3表示下支波导中不同位置的波导宽度，w4,w5表示上支波导上不同位置的波导宽度。可以将偏振分束旋转器PSR模式演化过程分为两步：偏振旋转器( Step I )和模式分离器( Step II )，其中Step I过程经历波导长度为L1，其中Step 2过程经历波导长度为L2，波导间距为Gap。整个芯片采用半刻蚀的铌酸锂脊形波导结构，外包层为二氧化硅材料，其中铌酸锂层为在x切，厚度为500nm，脊高Hrib为250 nm，如图 8所示。
如图9所示为沿偏振分束旋转器PSR传播方向不同位置模场剖面仿真图，其中StepI中LN脊波导的宽度通过线性变化，从w1=1.6um逐渐增大到w2=3.5um，该过程中TM模式逐渐转化为TE1模式且 TE模式不发生转变。其中Step 2中通过合理的设置上支波导、下支波导宽度，使Step I输出端宽度对应的TE1有效折射率接近双波导对应的模式TE1有效折射率，可以使TE1模式顺利通过而不发生模式损耗。通过将上支波导的脊波导宽度通过线性变化从w4=1um逐渐增大到w5=2.2um，下支波导的脊波导宽度通过线性变化从w2=3.5um逐渐减小到w3=2.4um，使TE0仍保持原有模式从下支波导输出，TE1转化为TE0从上支波导输出。
如图10所示为偏振分束旋转器PSR Step 1中不同模式有效折射率随波导宽度变化仿真曲线图，得到当下支波导宽度约为2.8um时，TM0模式有效折射率等于TE1模式有效折射率，此时两种模式发生转化。因此w1设置需要小于2.8um，w2大于2.8um。
如图11所示为偏振分束旋转器PSR Step 2中不同模式有效折射率随波导宽度变化仿真曲线图，得到当上支波导宽度约为2.65um，下支波导宽度为1.9um时，下波导TE1模式有效折射率等于上支波导 TE0模式有效折射率，此时两种模式发生转化。因此w4设置需要小于1.9 um，w5大于1.9um。w2设置需要大于2.6 um，w3小于2.6um。
通过合理设置参数，最终通得到低偏振串扰的高性能偏振分束转换器。
如图12所示，薄膜铌酸锂相位编码光子芯片，所述芯片包括集成在绝缘体薄膜铌酸锂基上的第一模斑转换器15、第二模斑转换器16、第三模斑转换器17、第四模斑转换器18、第三多模干涉器19、第四多模干涉器20、电调高速相移器21以及编码延时环22，所述第一模斑转换器15、第二模斑转换器16分别通过不同的S波导连接第三多模干涉器19输入端口，所述第三多模干涉器19分别通过长臂以及短臂连接第四多模干涉器20，所述长臂上连接有编码延时环22，所述长臂以及短臂上均通过电调高速相移器21并与其上行波电极连接，所述第四多模干涉器20分别通过不同的S波导连接第三模斑转换器17、第四模斑转换器18。
如图13所示，所述行波电极包括连接在长臂上的第一行波电极组23以及连接短臂上的第二行波电极组24，所述第一行波电极组23包括第一电极23-1、第二电极23-2、第三电极23-3，三个电极设置在包含有两条平行脊线25的薄膜铌酸锂脊波导12上，所述第一电极23-1、第三电极23-3为接地电极且分别设置在两条脊线25的外侧，所述第二电极23-2为阳极电极且设置在两条脊线25的内侧，三个电极高度h相等，且水平方向上距离相邻脊线25的距离G也相等，两条所述脊线25的宽度W相同，且两条所述脊线25的高度H也相同，所述W=1.6um，H=0.5un，h=0.25um，G为1.7 um。
所述编码延时环22的波导长度通过公式L=C/neff*t得到，其中L为编码延时环波导长度，neff为薄膜铌酸锂有效折射率，c为光速，t为延时时间，所述neff=2.2，c=3*10^8m/s，t取390ps，得L设计长度为5.318 cm。
所述第三多模干涉器19、第四多模干涉器20均采用多模干涉器MMI2*2，所述第三多模干涉器19、第四多模干涉器20与编码延时环22通过波导构成一个不等臂的马赫曾德尔调制器，其中第三多模干涉器19与编码延时环22之间设有外部金属制成的高速调制行波电极。
其中各个模斑转换器由锥形在行波方向波导宽度上逐渐增大，降低模式耦合损耗；
另外，利用粒子群算法优化设计出低损耗高性能薄膜铌酸锂的多模干涉器MMI2*2，使透过率为99.3%，几乎无损耗，此外器件的两个输出端失衡比约为1:1。
上述设计合理间距的行波电极，使得调制区波导损耗较低；
编码延时环22中的弯道绕制采用90°欧拉曲线设计，当欧拉曲线的有效半径与圆弧半径相同时，通过3D-FDTD计算其弯道损耗约为常规90°圆弧弯道损耗的1/4，然而为满足高速相位调制，系统中的编码延时环22长度往往需达到厘米量级，为了提高芯片集成度，波导绕制时往往存在较多弯道，若有N个弯道，则损耗可相对降低N/4。
芯片的输入端通过水平耦合实现外接脉冲激光器光源与芯片平面波导之间的连接，所述水平耦合通过透镜光纤及设置于芯片上的模斑转换器实现。
所述两个多模干涉器MMI2*2与编码延时环以及波导构成一个不等臂的马赫曾德尔调制器，其中靠近输入端的分束器与编码延时环之间设有外部金属制成的高速调制行波电极。
所述波导由铌酸锂材料制成。
实施例
如图12所示，一种低损耗高集成相位编码光子集成芯片，在第一模斑转换器15中通过光纤透镜输入一束脉冲，通过S波导依次经过第三多模干涉器19分成上下两束功率减半的脉冲信号，上束脉冲信号经过第一行波电极组23，再依次通过390ps编码延时环22，到达第四多模干涉器20又分成上下两束功率减半的脉冲信号，上下束脉冲信号分别通过S波导分别从第三模斑转换器17、第四模斑转换器18输出到单光子探测器。同理从第三多模干涉器19输出的下束脉冲通过直波导进入第四多模干涉器20后也分成上下两束功率减半的脉冲信号，上下述脉冲信号分别通过S波导分别从第三模斑转换器17、第四模斑转换器18输出到单光子探测器中。单光子探测器取平均功率，依次得到幅度不同的两束延时为390ps的脉冲光，其中经过编码延时环22的脉冲光幅度相对较低，未经过编码延时环22的脉冲幅度较高。上述脉冲经过第一行波电极组23相位调制区时，通过改变施加在第一电极23-1、第二电极23-2、第三电极23-3上的电压，改变相位调制区波导的折射率，从而改变光的传输特性，将加载的RF电信号转化为相位信息，使脉冲信号转换为携带编码后的相位信息，从而实现相位编码调制。上述第二电极23-2上接阳极，第一电极23-1、第三电极23-3分别接地，可以形成推挽电极，使半波电压减少一半，从而降低功耗。在第二行波电极组24处外接50Ω终端匹配可以有效减少带宽的衰减。
所述的第一行波电极组23加电通过行波电极改变薄膜铌酸锂波导折射率，实现0，π/2，π，3π/2相位调制。
所述的第二行波电极组24通过BIAS电极实现相位跟踪补偿，对环境造成的相位偏差进行实时补偿所述编码延时环22波导长度根据L=C/neff*t获得，其中L为编码延时环波导长度，neff为薄膜铌酸锂有效折射率，c为光速，t为延时时间。已知neff=2.2，c=3*10^8m/s,t=390ps，L设计长度为5.318 cm。
如图13所示，为芯片编码延时环臂长差实际测试图，其中横轴坐标为时间，纵轴坐标为单光子探测器计数，由第二个峰值对应的横坐标时间值减去第一个峰值对应的横坐标时间值，得到实际测得臂长延时差为390ps，与理论设计值相一致。
如图14所示，所述行波电极包括连接在长臂上的第一行波电极组23以及连接短臂上的第二行波电极组24，所述第一行波电极组23包括第一电极23-1、第二电极23-2、第三电极23-3，三个电极设置在包含有两条平行脊线25的薄膜铌酸锂脊波导12上，所述第一电极23-1、第三电极23-3为接地电极且分别设置在两条脊线25的外侧，所述第二电极23-2为阳极电极且设置在两条脊线25的内侧，三个电极高度h相等，且水平方向上距离相邻脊线25的距离G也相等，两条所述脊线25的宽度W相同，且两条所述脊线25的高度H也相同，所述W=1.6um，H=0.5un，h=0.25um，G为1.7 um。
如图15所示，为在铌酸锂波导宽度W=1.6um，H=0.5un，h=0.25um条件下，波导模式损耗随电极与波导间距及电极厚度变化示意图，发现电极厚度变化对波导损耗影响不大，电极与波导间距G的变化对中心波导损耗影响较大，综合考虑取电极与波导间距G为1.7um。
如图16所示，为电光S21 的测试结果，根据结果可知，所述电调高速相移器的电光响应 3 dB 带宽在 12 GHz 以上。
如图17所示，为优化后薄膜铌酸锂MMI2*2插损随波长变化示意图，得到1550nm波长时，器件插损几乎为0。
如图18所示，为编码延时环中90°欧拉弯道损耗随不同有效半径Reff变化示意图，当有效半径Reff大于150um时，损耗几乎为0。
综合本发明结构与实施例可知，本发明的量子密钥分发系统解决传统相位编码QKD光纤系统中相位编解码模块工艺一致性差，致使QKD系统成码率低的技术问题，且实现产品的小型化；同时解决硅基/PLC波导相位编码QKD系统复杂度过高、衰减过大的问题；另外本发明的相位编码光子集成芯片利用多模干涉器MMI、波导+行波电极构成的高速相位调制器、波导延时线实现的AMZI干涉环，实现了QKD系统的相位编码，具有系统简单，编码速度高、可靠性高等优点；利用半导体工艺保证了AMZI臂长差的一致性，解决了传统相位编码QKD系统光纤切割精度难以保证的问题。
本发明的相位编码光子集成芯片可作为量子密钥分发（QKD）发射端器件，其发射端Alice，只需要1个单光子源，相比PLC波导的被动调制相位编码QKD系统的4或8个单光子源及4个AMZI干涉环；大大降低了成本和系统复杂度。其编码AMZI的高速相位调制器11可以通过数字调制的方式组合实现0，π/2，π，3π/2，4种相位编码，实现高速的相位编码。可以同时应用在量子密钥分发接收端解码设计中，实现器件的统一性，节省研发和制造成本。
Claims (11)
1.一种薄膜铌酸锂相位解码光子芯片，其特征在于，包括由薄膜铌酸锂波导制成第一多模干涉器MMI、波导延迟线、高速相位调制器、第二多模干涉器MMI、第一偏振分束旋转器PSR、第二偏振分束旋转器PSR，所述第一多模干涉器MMI的两输出端分别连接高速相位调相器的两输入端，高速相位调相器的一输出端通过波导延时线连接第二多模干涉器MMI的一输入端，高速相位调相器的另一输出端连接第二多模干涉器MMI的另一输入端，第一偏振分束旋转器PSR的两个输出端分别连接第一多模干涉器MMI和第二多模干涉器的一个输入端，第二偏振分束旋转器PSR的两个输入端分别连接第一多模干涉器MMI和第二多模干涉器的另一个输入端，所述第一偏振分束旋转器PSR用于使TE模和TM模发生模式耦合实现TE/TM模的分离，并在一端将TM模转换为TE模，所述第二偏振分束旋转器PSR用于将TE模转换为TM模并实现TE/TM模的耦合，所述高速相位调制器包括行波电极、波导和低速BIAS电极，通过行波电极改变薄膜铌酸锂波导的折射率，用于相位的高速调制，通过低速BIAS电极改变薄膜铌酸锂波导的折射率，用于相位的补偿。
2.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂相位解码光子芯片，其特征在于，所述第一偏振分束旋转器PSR为在薄膜铌酸锂波导上刻蚀的上支波导以及下支波导，所述上支波导的分支脊波导的宽度通过线性变化从w4=1um逐渐增大到w5=2.2um；所述下支波导的分支脊波导的宽度通过线性变化从w1=1.6um逐渐增大到w2=3.5um再逐渐缩小到w3=2.4um。
3.根据权利要求2所述的薄膜铌酸锂相位解码光子芯片，其特征在于，所述薄膜铌酸锂波导采用半刻蚀的铌酸锂脊形波导结构，外包层为二氧化硅材料，其中铌酸锂层为在x切，厚度为500nm，脊高Hrib为250 nm。
4.一种量子密钥分发系统，包括发射端与接收端，其特征在于，所述发射端包括光功率监控模块以及依次连接的脉冲光激光器、强度调制器、薄膜铌酸锂相位编码光子芯片、可调衰减器，所述光功率监控模块连接薄膜铌酸锂相位编码光子芯片；所述接收端包括环形器、薄膜铌酸锂相位解码光子芯片以及两路单光子探测器，所述环形器一端口通过量子信道连接发射端，二端口通过薄膜铌酸锂相位解码光子芯片连接一路单光子探测器，三端口连接另一路单光子探测器，所述薄膜铌酸锂相位解码光子芯片为权利要求1-3中的任一种。
5.如权利要求4所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述薄膜铌酸锂相位编码光子芯片包括集成在绝缘体薄膜铌酸锂基上的第一模斑转换器、第二模斑转换器、第三模斑转换器、第四模斑转换器、第三多模干涉器、第四多模干涉器、电调高速相移器以及延时环，所述第一模斑转换器、第二模斑转换器分别通过不同的S波导连接第三多模干涉器输入端口，所述第三多模干涉器分别通过长臂以及短臂连接第四多模干涉器，所述长臂上连接有延时环，所述长臂以及短臂上均通过电调高速相移器并与其上行波电极连接，所述第四多模干涉器分别通过不同的S波导连接第三模斑转换器、第四模斑转换器。
6.如权利要求5所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述行波电极包括连接在长臂上的第一行波电极组以及连接短臂上的第二行波电极组，所述第一行波电极组包括第一电极、第二电极、第三电极，三个电极设置在包含有两条平行脊线的薄膜铌酸锂脊波导上，所述第一电极、第三电极为接地电极且分别设置在两条脊线的外侧，所述第二电极为阳极电极且设置在两条脊线的内侧，三个电极高度h相等，且水平方向上距离相邻脊线的距离G也相等，两条所述脊线的宽度W相同，且两条所述脊线的高度H也相同，所述W=1.6um，H=0.5un，h=0.25um，G为1.7 um。
7.如权利要求5所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述延时环的波导长度通过公式L=C/neff*t得到，其中L为延时环波导长度，neff为薄膜铌酸锂有效折射率，c为光速，t为延时时间，所述neff=2.2，c=3*10^8 m/s，t取390ps，得L设计长度为5.318 cm。
8.如权利要求7所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述电调高速相移器的电光响应 3 dB 带宽在 12 GHz 以上。
9.如权利要求5或6或7或8所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述第三多模干涉器、第四多模干涉器均采用多模干涉器MMI2*2，所述第三多模干涉器、第四多模干涉器与延时环通过波导构成一个不等臂的马赫曾德尔调制器，其中第三多模干涉器与延时环之间设有外部金属制成的高速调制行波电极。
10.如权利要求5或6或7或8所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述延时环中的弯道绕制采用90°欧拉曲线。
11.如权利要求10所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述90°欧拉曲线的有效半径大于150um。
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117490676B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-04-02 | 广东奥斯诺工业有限公司 | 单片集成薄膜铌酸锂光子驱动芯片及光纤陀螺 |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001086849A2 (en) * | 2000-05-08 | 2001-11-15 | Axe, Inc. | Optical polarization division multiplexer |
| US8463081B1 (en) * | 2011-12-09 | 2013-06-11 | Jds Uniphase Corporation | Optical phase modulator |
| CN206497266U (zh) * | 2016-10-31 | 2017-09-15 | 天津领芯科技发展有限公司 | 一种铌酸锂薄膜qpsk光调制器 |
| CN207752267U (zh) * | 2018-01-02 | 2018-08-21 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种铌酸锂电光调制器芯片 |
| CN110351070A (zh) * | 2018-04-02 | 2019-10-18 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于y波导的量子密钥分发系统及方法 |
| KR102116287B1 (ko) * | 2019-01-21 | 2020-06-05 | 광운대학교 산학협력단 | 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관 및 이를 이용한 초미세 광위상변조기 |
| CN112558221A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-26 | 北京量子信息科学研究院 | 一种提高偏振消光比的方法、装置及系统 |
| CN114389126A (zh) * | 2020-10-16 | 2022-04-22 | 华为技术有限公司 | 一种激光器芯片、注入锁定激光器和网络设备 |
| CN115729011A (zh) * | 2022-11-24 | 2023-03-03 | 北京工业大学 | 一种基于薄膜铌酸锂的多路不等臂马赫-曾德尔干涉仪 |
| CN116009292A (zh) * | 2022-12-20 | 2023-04-25 | 华南师范大学 | 一种基于薄膜铌酸锂多模波导的偏振无关电光调制器 |
| CN116149108A (zh) * | 2022-12-01 | 2023-05-23 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 量子纠缠光源解析结构和解析系统 |
| CN116520493A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-08-01 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于薄膜铌酸锂的te模和tm模分离的偏振分束器芯片 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9134231B2 (en) * | 2003-06-04 | 2015-09-15 | Tomophase, Inc. | Optical measurements of properties in substances using propagation modes of light |
| WO2016191679A1 (en) * | 2015-05-28 | 2016-12-01 | Massachusetts Institute Of Technology | Apparatus and methods for quantum key distribution |
| RU2671620C1 (ru) * | 2016-12-29 | 2018-11-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" (ООО "МЦКТ") | Высокоскоростная автокомпенсационная схема квантового распределения ключа |
| US11204535B2 (en) * | 2019-05-17 | 2021-12-21 | Shanghai Jiao Tong University | Silicon-based lithium niobate film electro-optic modulator array and integration method thereof |
| CN114280820A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-04-05 | 华中科技大学 | 一种薄膜铌酸锂调制器 |
-
2023
- 2023-08-14 CN CN202311014227.7A patent/CN116760479B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001086849A2 (en) * | 2000-05-08 | 2001-11-15 | Axe, Inc. | Optical polarization division multiplexer |
| US8463081B1 (en) * | 2011-12-09 | 2013-06-11 | Jds Uniphase Corporation | Optical phase modulator |
| CN206497266U (zh) * | 2016-10-31 | 2017-09-15 | 天津领芯科技发展有限公司 | 一种铌酸锂薄膜qpsk光调制器 |
| CN207752267U (zh) * | 2018-01-02 | 2018-08-21 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种铌酸锂电光调制器芯片 |
| CN110351070A (zh) * | 2018-04-02 | 2019-10-18 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于y波导的量子密钥分发系统及方法 |
| KR102116287B1 (ko) * | 2019-01-21 | 2020-06-05 | 광운대학교 산학협력단 | 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관 및 이를 이용한 초미세 광위상변조기 |
| CN114389126A (zh) * | 2020-10-16 | 2022-04-22 | 华为技术有限公司 | 一种激光器芯片、注入锁定激光器和网络设备 |
| CN112558221A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-26 | 北京量子信息科学研究院 | 一种提高偏振消光比的方法、装置及系统 |
| CN115729011A (zh) * | 2022-11-24 | 2023-03-03 | 北京工业大学 | 一种基于薄膜铌酸锂的多路不等臂马赫-曾德尔干涉仪 |
| CN116149108A (zh) * | 2022-12-01 | 2023-05-23 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 量子纠缠光源解析结构和解析系统 |
| CN116009292A (zh) * | 2022-12-20 | 2023-04-25 | 华南师范大学 | 一种基于薄膜铌酸锂多模波导的偏振无关电光调制器 |
| CN116520493A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-08-01 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种基于薄膜铌酸锂的te模和tm模分离的偏振分束器芯片 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于硅-铌酸锂复合波导的偏振复用器设计;公姿苏;季伟;尹锐;胡卉;蔡璐彤;张世成;李江月;王军宝;;南京大学学报(自然科学)(第03期);全文 * |
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