CN117318827A - 一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法 - Google Patents

一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法，其借助两种相位驱动电平和最大Vπ/2的相位驱动电平值，实现量子密钥分发所需的4种时间相位态，无需复杂的四电平驱动和复杂的监测和补偿；借助功率均衡步骤，可以更方便地在编码不同时间相位态时实现功率均衡，无需采用额外的算法修正；同时，借助延时差配置步骤，可以有效解决量子密钥分发中发送方和接收方的干涉仪臂长差不一致问题，改善量子密钥分发效率和误码率。

Description

一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，特别涉及一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法。
背景技术
量子保密通信是不同于经典通信的一种保密通信方式，能够在通信双方之间产生完全一致的无条件安全密钥，支持通过“一次一密”的方式加密经典信息，能够保证信息传递的高度安全性，因而受到广泛关注。现有的量子保密通信系统主要是基于量子密钥分发(QKD)技术实现的。QKD系统包括发送方和接收方，发送方采用编码器实现量子态的编码和发送，接收方采用解码器对量子态进行解码和探测。
时间相位编码方案是量子密钥分发中主流的方案之一，目前时间相位编码的主要方式是通过一级等臂干涉仪和一级不等臂干涉仪级联的方式实现时间相位编码，前后两个干涉仪的位置可以互换。基于BB84协议的时间相位编码方案中，基矢包括相位基矢和时间基矢，相位基矢对应一对特定相位差的前后脉冲光子对，时间基矢对应在时域上前后分布的脉冲光子。可将不等臂干涉仪作为第一级，将激光器发出的光脉冲分为具有固定延时差的前后脉冲光子对，且在第一级不等臂干涉仪内部调节该脉冲光子对的相对相位差为0或π，制备相位基矢量子态；或者通过第二级等臂干涉仪使得在输出端口的前一个或后一个光脉冲发生干涉相涨或相消，制备时间基矢量子态。
也可将等臂干涉仪作为第一级，通过控制第一级等臂干涉仪上下两臂的相位差，使其输出的光脉冲全部从下一级不等臂干涉仪的上臂或下臂走，从而制备时间基矢量子态；或者使其输出至下一级不等臂干涉仪上下两臂的光脉冲各占一半，制备相位基矢量子态。
图1示出了一种用于时间相位编码的发射端编码模块。如图1所示，编码模块利用光分束器一、光分束器二、相位调制模块一和相位调制模块二组成等臂干涉仪，利用光分束器二、光波导延时模块和合束器组成不等臂干涉仪。通过调制等臂干涉仪中的相位差，可以动态调制光信号的输出端口，以使光信号在不等臂干涉仪中仅沿长臂或短臂行进，或者同时沿长短臂行进，由此制备出符合BB84协议的4个态。
图2示出了一种高速硅基芯片化QKD编码系统，其在编码时，先通过热相移器将待调制干涉仪其中一臂的相位静态预偏置在π/2并保持不变，然后通过载流子耗尽型调制器(CDM)随机在上臂或下臂加载π/2相移，如此，上下两臂总的相位差为0(π/2-π/2)或π(π/2+π/2)，原先需要通过CDM方式调制到π电压，通过这种组合调制方式只需要CDM调制到π/2即可实现同样的相位差调制效果，减小了相位调制相关损耗现象。
外部激光器通过强度调制产生弱相干脉冲，耦合进入硅光芯片，该芯片包含一个非对称的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，将一个光脉冲分为在时域上前后分布的两个光脉冲。当只有前一个光脉冲时，编码为|0>；当只有后一个光脉冲时，编码为|1>；前后两个光脉冲都有且相位差为0时，编码为|+>，前后两个光脉冲都有且相位差为π时，编码为|->。
非对称MZI的上臂中包含一组MZI，MZI中有热相移器，以此来平衡上下两臂的损耗及出射光强。非对称MZI中的热相移器用于调节分离光脉冲前后直流相对相位差，CDM用于快速在|+>和|->态之间切换，非对称MZI后面的分束器(BS)用一个MZI进行代替，其中热相移器作为偏置，使前后两个光脉冲均衡叠加，两个CDM用于选择第一个或第二个光脉冲耦合进入光纤。
现有的片上时间相位编码器是通过高速相位调节来实现的，输出光的编码态与所调制干涉仪的上下两臂间的相位差相关。目前硅基相位调制器的半波电压(实现π相移所需的驱动电压)一般较大。对基于BB84时间相位编码协议的量子密钥分发而言，一般至少需要使用4个态进行编码，相位差φ＝0时制备其中一个时间态，相位差为π时制备另一个时间态。当φ＝π/2时，制备一个相位态；φ＝3π/2时，制备另一个相位态。为此，最大调制电压往往需要达到1.5倍的半波电压，并且还需要随机实现4个不同电平(0、0.5倍的半波电压、半波电压和1.5倍的半波电压)间高速切换。
另外，在硅基材料中实现高速相位调制，是基于等离子色散效应的原理，典型的调制类型有载流子沉积型、载流子注入型和载流子耗尽型等，普遍存在调制相关损耗的问题，即调制出不同相位时，其产生的衰减也不同。为此，存在编码器在调制不同时间相位态时，对光的衰减也存在差异，产生功率不均衡的编码态。虽然图2中系统采用热相移器和载流子耗尽型调制器组合调制的方式，可以适当减小CDM所需的调制相位，但并未完全消除此效应的影响，所制备的四种态仍旧存在功率不一致的现象。
由于量子密钥分发中，理论上除了编码态，其余维度需要不可区分。即理论上，编码器不应该引入功率的不均衡。虽然，已有研究报道可以通过后期算法修正等方式，牺牲一定的安全成码率解决该问题。但研究衰减一致的编码器，可以从硬件上提升安全成码率，降低对算法的要求。
此外，现有时间相位编码器方案中，普遍采用不等臂干涉仪产生前后脉冲光子对，干涉仪的长短臂光程之差依赖于所刻蚀的波导长度。波导实际长度受工艺影响较大，尤其是长波导受影响更大，容易出现不同批次间的延时长度差异大，甚至同批次间延时长度不相等，进而影响到发送端和接收端干涉仪臂长差匹配。如此，大大的阻碍了时间相位编码量子密钥分发芯片的产品化。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法，其借助两种相位驱动电平和最大Vπ/2的相位驱动电平值，实现量子密钥分发所需的4种时间相位态，无需复杂的四电平驱动和复杂的监测和补偿；借助功率均衡步骤，可以更方便地在编码不同时间相位态时实现功率均衡，无需采用额外的算法修正；同时，借助延时差配置步骤，可以有效解决量子密钥分发中发送方和接收方的干涉仪臂长差不一致问题，改善量子密钥分发效率和误码率。
具体而言，本发明涉及一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法，所述时间相位编码芯片包括诱骗态制备模块和时间相位编码模块；
所述时间相位编码模块包括等臂干涉仪芯片模块和不等臂干涉仪芯片模块；
所述不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂中的至少一个上设置有可调光延迟模块，其包括一个或级联的多个延迟切换单元；
延迟切换单元基于干涉仪结构实现，用于为光信号提供延迟量的切换；
其中，所述时间相位编码方法包括延时差配置步骤、诱骗态制备步骤和时间相位态编码步骤；
所述延时差配置步骤用于，通过改变干涉仪结构的参数以切换光信号的传输路径，将不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂之间的延时差设为目标延迟量；
所述诱骗态制备步骤用于，利用诱骗态制备模块在光信号上制备诱骗态或信号态；
所述时间相位态编码步骤用于，利用时间相位编码模块在光信号上制备时间相位态。
进一步地，所述时间相位编码模块包括第一光分束器、第二光分束器和第三光分束器；
所述第一光分束器的两个输出端分别通过第一波导和第二波导连接第二光分束器的两个输入端，所述第一波导和第二波导中的至少一个上设有用于对光信号进行相位调制的相位调节单元，从而构成所述等臂干涉仪芯片模块；
所述第二光分束器的两个输出端分别通过第三波导和第四波导连接第三光分束器的两个输入端，所述可调光延迟模块设置在第三波导和第四波导中的至少一个上，从而构成所述不等臂干涉仪芯片模块。
更进一步地，所述延迟切换单元包括光路选择组件、第六波导、第七波导和第四光分束器；
所述光路选择组件包括等臂MZ干涉仪，其两臂相位差可调且具有输入端和两个输出端，其中，所述两个输出端分别通过第六波导和第七波导连接第四光分束器的两个输入端，以允许选择使光信号进入第六波导或第七波导；
所述第四光分束器被设置用于将沿第六波导和第七波导传播的光信号耦合输出；
同一延迟切换单元中的第六波导和第七波导具有不同的光程；
在所述延时差配置步骤中，通过调节光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差，从等臂MZ干涉仪的两个输出端中择一用于输出光信号，以切换光信号的传输路径。
进一步地，本发明的时间相位编码方法还可以包括预设步骤，用于设立不等臂干涉仪芯片模块的延时差与光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差之间的查询表；
所述延时差配置步骤还包括根据目标延迟量，利用查询表确定光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差的步骤。
进一步地，，所述第六波导和第七波导上分别设有可调光衰减器；所述延时差配置步骤还包括调节所述可调光衰减器的衰减值，以将与光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两个输出端中未被选中的输出端连接的波导上的光信号消光的步骤。
进一步地，所述延迟切换单元包括第五光分束器和第六光分束器，所述第五光分束器的两个输出端分别通过第八波导和第九波导连接第六光分束器的两个输入端，所述第八波导和第九波导上分别设置有可调光衰减器，且所述第八波导和第九波导具有不同的光程；
在所述延时差配置步骤中，通过调节可调光衰减器的衰减值，将第八波导或第九波导上的光信号消光，以切换光信号的传输路径。
进一步地，所述不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂中的至少一个上设有衰减控制模块，用于为沿光臂传播的光信号提供可控的衰减；
所述时间相位编码方法还包括功率控制步骤，用于根据可调光延迟模块的时间延迟，调节衰减控制模块的衰减量，使光信号在不等臂干涉仪芯片模块中具有相同的衰减。
可选地，所述衰减控制模块包括载流子注入型衰减器。
进一步地，所述第一波导上设有第一高速相位调制器和第二高速相位调制器，所述第二波导上设有第三高速相位调制器；
在所述时间相位编码步骤中，利用所述第一、第二和第三高速相位调制器对光信号进行相位调制，所述第一高速相位调制器的调制相位α1、第二高速相位调制器的调制相位α2和第三高速相位调制器的调制相位α3，随机选自调制相位组合[(0、0、0)，(π/2、0、0)，(π/2、π/2、0)，(0、0、π/2)]。
进一步地，所述诱骗态制备模块包括MZ干涉仪，其具有第七光分束器和第八光分束器；
所述第七光分束器的两个输出端分别通过第十波导和第十一波导连接第八光分束器的两个输入端；
所述第十波导上设置有第五高速相位调制器；
所述第十一波导上设置有相位调制器；
在所述诱骗态制备步骤中，先利用所述相位调制器配置诱骗态制备模块的MZ干涉仪的工作点，再利用所述第五高速相位调制器对光信号进行相位调制以制备诱骗态或信号态。
可选地，所述相位调制器为高速相位调制器或基于热光效应的低速相位调制器。
进一步地，所述诱骗态制备模块的第一输出端通过第五波导连接时间相位编码模块，并在所述第五波导上设有第四高速相位调制器；
所述时间相位编码方法还包括功率均衡步骤，用于根据要制备的时间相位态，调节第四高速相位调制器的调制相位，以使所制备的不同时间相位态的光信号具有相同的衰减。
优选地，所述诱骗态制备模块的第一和第二输出端处分别设有可调光衰减器和光电探测器；
所述时间相位编码方法还包括输入功率监控步骤，用于利用所述光电探测器对输入光信号的功率进行监测。
可选地，高速相位调制器基于等离子色散效应原理实现，或者为载流子注入型、载流子沉积型或载流子耗尽型。
可选地，所述可调光衰减器基于载流子注入原理实现或者基于MZ干涉仪实现。
优选地，光分束器为多模干涉仪或定向耦合器，以及/或者，所述时间相位编码芯片由硅材料形成。
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用于时间相位编码的发射端编码模块；
图2示出了现有技术中的一种高速硅基芯片化QKD编码系统；
图3示出了本发明的时间相位编码芯片的一种示例；
图4示出了本发明的可调光延迟模块的一种示例；
图5示出了图4所示可调光延迟模块的进一步示例；
图6示出了本发明的可调光延迟模块的另一种示例。
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。
用于本发明的时间相位编码芯片可以包括诱骗态制备模块和时间相位编码模块，其中，诱骗态制备模块用于在光信号上制备诱骗态或信号态，时间相位编码模块则用于在光信号上制备时间相位态。
图3示出了本发明的时间相位编码芯片的一种示例。
在本发明中，诱骗态制备模块可以借助MZ干涉仪来实现。
在图3的示例中，该MZ干涉仪可以包括第七光分束器201和第八光分束器202，其中：第七光分束器201的输入端作为诱骗态制备模块的输入端，连接输入波导100；第七光分束器201的两个输出端分别通过第十波导和第十一波导连接第八光分束器202的两个输入端，构成两个光臂；第八光分束器202的输出端作为诱骗态制备模块的输出端。
在该MZ干涉仪中，可以在第十波导上设置第五高速相位调制器301，用于调制MZ干涉仪的两臂相位差，以实现信号态和诱骗态的高速制备。
此外，还可以在第十一波导上设置相位调制器400，用于调制使MZ干涉仪的工作点满足要求。由于相位调制器400不直接参与信号态和诱骗态的高速制备，因此其可以采用基于热光效应的低速相位调制器。当然，相位调制器400也可以采用高速相位调制器。
可选地，高速相位调制器可以基于等离子色散效应原理实现，也可以是载流子注入型、载流子沉积型或者载流子耗尽型。
继续参见图3，由诱骗态制备模块制备的光信号可以经第八光分束器202的两个输出端向外输出。因此，可以在第八光分束器202的第一输出端连接第五波导，用于允许光信号传输至时间相位编码模块。
如前所提及的那样，在硅基材料中借助高速相位调制进行时间相位编码时，所制备的不同时间相位态存在功率不均衡的问题。为此，本发明的时间相位编码芯片还设有功率均衡单元，用于使时间相位编码芯片输出的不同时间相位态具有均衡的功率。
考虑到时间相位态上的功率不均衡源于高速相位调制器在不同调制相位下产生的衰减不同，因此，在图3所示的优选示例中，功率均衡单元可以利用第四高速相位调制器302来实现。
具体而言，可以计算或测试获得在利用时间相位编码模块编码不同时间相位态i(i＝1，2，3，...，N’)时，光信号上的衰减IL(i)，并确定IL(i)的最大值M’。
然后，确定对应于编码不同时间相位态i，使得光信号上的衰减为最大值M’的第四高速相位调制器302的调制相位φPM4(i)。
因此，可以在编码时间相位态i时，将第四高速相位调制器302(功率均衡单元)的调制相位调节为φPM4(i)，保证时间相位态i的光信号上的衰减为固定值M’，由此实现功率的均衡。
可选地，还可以在第五波导上设置可调光衰减器501，用于允许将光信号形成为单光子信号。
在本发明中，可调光衰减器可以基于载流子注入原理实现，也可以基于MZ干涉仪实现。
可选地，还可以在诱骗态制备模块的第二输出端(例如第八光分束器202的第二输出端)处连接光电探测器600，用于对输入光功率进行监测。
优选地，光电探测器600采用在硅材料上外延生长的锗光电探测器。
时间相位编码模块可以包括等臂干涉仪芯片模块和不等臂干涉仪芯片模块。
在本发明中，可以在不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂中的至少一个上设置可调光延迟模块700，用于允许调节两个光臂之间的延时差，由此在不等臂干涉仪芯片模块中提供可调的臂长差，使得允许降低芯片加工环节对不等臂干涉仪臂长差的精确度要求，降低设计环节对不等臂干涉仪抗环境扰动性的要求，同时能够满足基于时间相位编码方案的量子密钥分发过程中发送方和接收方中不等臂干涉仪臂长差的一致性要求。
根据本发明，可调光延迟模块700可以由一个或者级联的多个延迟切换单元构成，其中，每个延迟切换单元基于干涉仪结构来实现，允许通过改变干涉仪结构的参数，为光信号切换提供不同的时间延迟量，由此实现对光信号所在光臂的臂长的调节，即实现不等臂干涉仪的臂长差(延时差)的调节。
本领域技术人员能够理解，在级联方式下，可调光延迟模块700理论上可以具有任何期望的调节精度和延时差调节范围。
例如，当可调光延迟模块700采用级联结构时，假设级联结构由N个延迟切换单元通过波导依次连接形成，且单个延迟切换单元具有M种工作状态(即允许在M种时间延迟量之间进行切换)，则可调光延迟模块700总计可以为光信号提供MN种不同的时间延迟量。
例如，如果第i个延迟切换单元具有分别为Li1和Li2的最长和最短时间延迟量，则可调光延迟模块700可以具有分别为(L11+L21+...+LN1)和(L12+L22+...+LN2)的最长和最短时间延迟量，且介于最长和最短时间延迟量之间还具有多个可选的时间延迟量。
图4示出了本发明的可调光延迟模块的一种示例，其由多个(例如三个)延迟切换单元级联形成。
在图4的示例中，延迟切换单元包括由等臂MZ干涉仪实现的光路选择组件。
用作光路选择组件的等臂MZ干涉仪的输入端连接输入波导以接收光信号，两个输出端(即第一和第二输出端)分别通过第六波导和第七波导连接第四光分束器的两个输入端。
第四光分束器用于将沿第六波导和第七波导传输的光信号耦合输出。
第六波导和第七波导具有不同的光程(长度)。例如图4所示，第六波导的长度可以比第七波导长dT1或dT2或dT3...。
在这种延迟切换单元结构下，可以简单地通过改变等臂MZ干涉仪中两臂相位差，控制光信号从等臂MZ干涉仪的第一或第二输出端输出，从而进入第六或第七波导，即实现光信号的路径选择。由于第六和第七波导具有不同的光程，由此通过这种路径选择，可以实现时间延迟量的选择。
作为示例，如图4所示，用作光路选择组件的等臂MZ干涉仪可以包括两个光分束器和借助波导形成于两者之间的第一和第二臂，其中，第一和第二臂中的至少一个上设有相移器PM，用于调节两臂之间的相位差，以允许进行路径选择。
优选地，用于等臂MZ干涉仪中的相移器PM可以采用热调谐型相移器。
假设可调光延迟模块700采用图4示出的三级延迟切换单元级联结构，其中：第一级延迟切换单元具有最大3ps的延时差和最小1ps的延时差；第二级延迟切换单元具有最大5ps的延时差和最小1ps的延时差；第三级延迟切换单元具有最大9ps的延时差和最小1ps的延时差。
此时，可以借助相移器PM在各级延迟切换单元调制出不同的两臂相位差，相应使可调光延迟模块700为光信号提供不同的时间延迟量。两臂相位差与时间延迟量的对应关系可以参见表一。
(表一)
由上表可见，借助这种3级级联结构，可调光延迟模块700可以具有2ps的步进值，以及最小3ps、最大17ps的时间延迟量调节能力。
进一步地，尤其对于级联结构的可调光延迟模块700而言，可以事先建立各级延迟切换单元中干涉仪两臂相位差与目标延迟量之间的查询表，因此能够方便地通过查询查询表，得到用于实现目标延迟量所需要的各级延迟切换单元的两臂相位差。
进一步地，在级联结构的可调光延迟模块700中，不同延迟切换单元中的第六波导可以具有相同的长度，也可以具有不同的长度；不同延迟切换单元中的第七波导可以具有相同的长度，也可以具有不同的长度。由此允许提供丰富的时间延迟调节能力。
本领域技术人员能够理解，在图4所示的可调光延迟模块700结构中，仅依赖于用作光路选择组件的等臂MZ干涉仪实现路径选择，这会要求等臂MZ干涉仪中的相移器(或相位调制器)能够很好地实现某一输出端处的消光。为降低这一消光要求，本发明在图4所示延迟切换单元的基础上还做了进一步的改进。
图5示出了图4的延迟切换单元(可调光延迟模块)的进一步示例。
如图所示，延迟切换单元还包括分别设置在第六波导和第七波导上的可调光衰减器VOA。因此，可以通过控制可调光衰减器VOA的衰减值，使其所在波导上传播的光信号达到消光状态，从而实现路径选择功能。此时，即使等臂MZ干涉仪中的消光比未能完全实现光信号仅从单一输出端输出时，还可以借助可调光衰减器VOA来实现光信号在不期望光臂上消光，实现路径的选择。
图6示出了本发明的延迟切换单元(可调光延迟模块)的另一示例。
如图所示，延迟切换单元可以包括第五光分束器和第六光分束器，其中：第五光分束器的两个输出端分别通过第八波导和第九波导连接第六光分束器的两个输入端构成干涉仪结构，第五光分束器的输入端用作延迟切换单元的输入端，第六光分束器的输出端用作延迟切换单元的输出端。
在图6示出的延迟切换单元中，第八波导和第九波导上分别设置有可调光衰减器VOA，且第八波导和第九波导具有不同的光程(长度)。因此，在延迟切换单元中，可以简单地通过控制可调光衰减器VOA的衰减值，使其所在波导上传播的光信号达到消光状态，从而实现路径选择功能。
继续参见图3，在不等臂干涉仪芯片模块中，光信号在获得不同时间延迟时会得到不同的衰减，因此，还可以在本发明的不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂中的至少一个上设置衰减控制模块502，用于为沿其所在的波导传播的光信号提供可控的衰减，补偿光信号沿不同光臂传播时的功率差，使光信号在不等臂干涉仪芯片模块中得到相同的衰减。
作为示例，可以在完成不等臂干涉仪芯片模块中两臂之间延时差的标定之后，调节衰减控制模块502使光信号在经过两臂后得到的衰减一致，由此保证制备得到延迟符合预期的量子态。
作为优选示例，衰减控制模块502可以采用载流子注入型衰减器。
继续参见图3，在该示例中，时间相位编码模块可以包括第一光分束器203、第二光分束器204和第三光分束器205。
第一光分束器203的两个输出端分别通过第一波导和第二波导连接第二光分束器204的两个输入端，其中，第一波导和第二波导中的至少一个上设有用于对光信号进行相位调制的相位调节单元，由此构成等臂干涉仪芯片模块。
第二光分束器204的两个输出端分别通过第三波导和第四波导连接第三光分束器205的两个输入端，由此构成不等臂干涉仪芯片模块。
其中，可调光延迟模块700设置在第三波导和第四波导中的至少一个(例如第三波导)上；同时，衰减控制模块502设置在第三波导和第四波导中的至少一个(例如第四波导)上。
等臂干涉仪芯片模块的输入端(例如第一光分束器203的输入端)可以作为时间相位编码模块的输入端，连接第五波导以接收光信号。不等臂干涉仪芯片模块的输出端(例如第三光分束器205的输出端)可以作为时间相位编码模块的输出端，连接输出波导800以输出经编码的光信号。
因此，当光信号(其例如由诱骗态制备模块输出)经波导(例如第五波导)进入时间相位编码模块时，可以借助等臂干涉仪芯片模块中的相位调节单元，将等臂干涉仪芯片模块中两臂相位差调节为0，使光信号全部从等臂干涉仪芯片模块的第一输出端输出进入不等臂干涉仪芯片模块的长臂，由此在光信号上制备|Z1>态；将等臂干涉仪芯片模块中两臂相位差调节为π，使光信号全部从等臂干涉仪芯片模块的第二输出端输出进入不等臂干涉仪芯片模块的短臂，制备|Z0>态；将等臂干涉仪芯片模块中两臂相位差调节为π/2，使光信号等分地同时从等臂干涉仪芯片模块的两个输出端输出并分别进入不等臂干涉仪芯片模块的长臂和短臂，制备|X0>态；将等臂干涉仪芯片模块中两臂相位差调节为3π/2，使光信号等分地同时从等臂干涉仪芯片模块的两个输出端输出并分别进入不等臂干涉仪芯片模块的长臂和短臂，制备|X1>态。
在本发明中，为减少用于时间相位编码的相位驱动电平的数量和最大电平值，第一波导上的相位调节单元可以借助两个高速相位调制器(即，第一高速相位调制器303和第二高速相位调制器304)来实现，第二波导上的相位调节单元可以借助单个高速相位调制器(即，第三高速相位调制器305)来实现。
表二示出了用于实现4种时间相位态时，第一高速相位调制器303的调制相位α1、第二高速相位调制器304的调制相位α2和第三高速相位调制器305的调制相位α3中的相应数值。
(表二)
由此可见，第一高速相位调制器303的调制相位α1、第二高速相位调制器304的调制相位α2和第三高速相位调制器305的调制相位α3选自调制相位组合[(0、0、0)，(π/2、0、0)，(π/2、π/2、0)，(0、0、π/2)]即可实现4种时间相位态的制备。此时，单个高速相位调制器所需调制的最大相位为π/2即可以编码量子密钥分发所需的4种时间相位态，对应仅需加载的电压为半波电压的一半(Vπ/2)，其降低至常规方案(V3π/2)的1/3。同时，每个相位调制器仅需驱动2种电平(0和0.5倍半波电压)，无需复杂的四电平驱动，工程上更容易实现，高低温稳定性好，无需对电压特征进行复杂的监测和补偿。
下面将结合图3的示例，具体描述借助第四高速相位调制器302实现的功率均衡过程。
首先可以将第一至第三高速相位调制器303、304和305的调制相位设为0。
然后，根据计算或者测试获得第一至第三高速相位调制器在不同编码条件下，在第二光分束器204的第一和第二输入端之间相位差为φ(i)时，光信号上的衰减IL(i)，其中i＝1，2，3，…，N’。
求解衰减IL(i)的最大值M’。
然后，通过理论计算或者测试，调节第四高速相位调制器302的相位φPM4(i)，使得第二光分束器204的第一和第二输入端之间的相位差为φ(i)时，光信号上的衰减恒为M’。
因此，在进行时间相位编码时，当第二光分束器204的第一和第二输入端之间的相位差φ(i)对应某时间相位态时，可以将第四高速相位调制器302的调制相位相应调节为φPM4(i)，由此使不同时间相位态下的光信号得到相同的衰减M’。
本发明的时间相位编码芯片可以优选由硅基材料制备而成。相应地，各个光分束器、波导、(高速)相位调制器、相移器、可调光衰减器、光电探测器均由硅材料形成。
优选地，光分束器可以为多模干涉仪或定向耦合器。
基于上文描述的时间相位编码芯片，本发明提出了一种用于量子密钥分发的时间相位编码方法。
该时间相位编码方法可以包括延时差配置步骤、诱骗态制备步骤和时间相位态编码步骤。
延时差配置步骤用于通过改变延迟切换单元(即干涉仪结构)的参数，以切换光信号的传输路径，将不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂之间的延时差设为目标延迟量。因此，可以方便地实现量子密钥分发两端的时间相位编码芯片中的不等臂干涉仪芯片模块的延时差的一致。
进一步地，当采用图4所示延迟切换单元结构时，在本发明的延时差配置步骤中，可以通过调节用作光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差，选择等臂MZ干涉仪的某个输出端输出光信号，以切换光信号的传输路径。通过为光信号切换不同的传输路径，并为不同的传输路径配置不同的光程，可以使光信号获得不同的时间延迟，从而将不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂之间的延时差设为目标延迟量。
当采用图5所示延迟切换单元结构时，延时差配置步骤还可以包括调节可调光衰减器VOA的衰减值，增加在等臂MZ干涉仪上不期望有光信号输出的输出端所连接的波导上的衰减，使进入此波导传输的光信号衰减至消光状态的步骤。由此，可以完全实现传输路径的选择切换，同时还能够减少对等臂MZ干涉仪中相移器(或相位调制器)的消光比的要求。
对于图4和5所示的延迟切换单元结构，本发明的方法还可以包括预设步骤，用于预先建立不等臂干涉仪芯片模块中两臂之间的延时差与光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差之间的查询表。
相应地，在本发明的延时差配置步骤中，可以事先根据目标延迟量，利用查询表确定光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差。因此，可以方便地驱动等臂MZ干涉仪的相移器(或相位调制器)，实现期望的目标延迟量，这对于级联方式实现的可调光延迟模块700而言尤其有利。
当采用图6所示延迟切换单元结构时，在本发明的延时差配置步骤中，可以调节可调光衰减器VOA的衰减值，增加不期望的传输路径上的衰减，使进入该传输路径的光信号消光，以切换光信号的传输路径。
在不等臂干涉仪芯片模块中，时间延迟不同的光信号会具有不同的衰减值，因此，本发明的方法还可以包括功率控制步骤，用于根据可调光延迟模块700的时间延迟，调节设于不等臂干涉仪芯片模块中衰减控制模块的衰减值，使光信号在不等臂干涉仪芯片模块中具有相同的衰减。
在借助延时差配置步骤实现不等臂干涉仪芯片模块中两臂延时差的设定之后，则可以在诱骗态制备步骤中利用诱骗态制备模块在光信号上制备诱骗态或信号态，以及在时间相位态编码步骤中利用时间相位编码模块在光信号上制备时间相位态。
由于在诱骗态制备模块的MZ干涉仪的两个臂上分别设有第五高速相位调制器301和相位调制器400，因此，在本发明的诱骗态制备步骤中，可以先利用相位调制器400配置诱骗态制备模块的MZ干涉仪的工作点以满足要求，再利用第五高速相位调制器301对光信号进行相位调制以制备诱骗态或信号态。
由于在时间相位编码模块的等臂干涉仪芯片模块的一个光臂上设有第一和第二高速相位调制器，同时在另一光臂上设有第三高速相位调制器，因此，在本发明的时间相位编码步骤中，可以利用第一、第二和第三高速相位调制器对光信号进行相位调制，其中，第一高速相位调制器303的调制相位α1、第二高速相位调制器304的调制相位α2和第三高速相位调制器305的调制相位α3可以随机选自调制相位组合[(0、0、0)，(π/2、0、0)，(π/2、π/2、0)，(0、0、π/2)]，在时间相位编码模块中制备相应的4种时间相位态。由此可见，借助本发明的方法，可以以更少的相位驱动电压种类和更低的相位驱动电压，实现时间相位态的制备。
进一步地，通过在光信号进入时间相位编码模块之前设置第四高速相位调制器302作用于其上，本发明的方法还可以包括功率均衡步骤，用于根据要制备的时间相位态，调节第四高速相位调制器302的调制相位，以使所制备的不同时间相位态的光信号具有相同的衰减。
本发明的功率均衡步骤的具体实施过程可以参见上文描述的功率均衡过程，因此此处不再赘述。
进一步地，通过在诱骗态制备模块的第二输出端处设置光电探测器600，本发明的方法还可以包括输入功率监控步骤，用于利用该光电探测器600对输入光信号的功率进行监测。
综上，在基于本发明的时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法中，可以借助两种相位驱动电平和最大Vπ/2的相位驱动电平值，实现量子密钥分发所需的4种时间相位态，无需复杂的四电平驱动和复杂的监测和补偿，工程上更容易实施。借助本发明的功率均衡步骤，可以更方便地在编码不同时间相位态时实现功率均衡，无需采用额外的算法修正。同时，借助延时差配置步骤，可以有效解决量子密钥分发中发送方和接收方的干涉仪臂长差不一致问题，改善量子密钥分发效率和误码率。
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 (16)

1.一种基于时间相位编码芯片实现的时间相位编码方法，所述时间相位编码芯片包括诱骗态制备模块和时间相位编码模块；
所述时间相位编码模块包括等臂干涉仪芯片模块和不等臂干涉仪芯片模块；
所述不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂中的至少一个上设置有可调光延迟模块，其包括一个或级联的多个延迟切换单元；
延迟切换单元基于干涉仪结构实现，用于为光信号提供延迟量的切换；
其中，所述时间相位编码方法包括延时差配置步骤、诱骗态制备步骤和时间相位态编码步骤；
所述延时差配置步骤用于，通过改变干涉仪结构的参数以切换光信号的传输路径，将不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂之间的延时差设为目标延迟量；
所述诱骗态制备步骤用于，利用诱骗态制备模块在光信号上制备诱骗态或信号态；
所述时间相位态编码步骤用于，利用时间相位编码模块在光信号上制备时间相位态。
2.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述时间相位编码模块包括第一光分束器、第二光分束器和第三光分束器；
所述第一光分束器的两个输出端分别通过第一波导和第二波导连接第二光分束器的两个输入端，所述第一波导和第二波导中的至少一个上设有用于对光信号进行相位调制的相位调节单元，从而构成所述等臂干涉仪芯片模块；
所述第二光分束器的两个输出端分别通过第三波导和第四波导连接第三光分束器的两个输入端，所述可调光延迟模块设置在第三波导和第四波导中的至少一个上，从而构成所述不等臂干涉仪芯片模块。
3.如权利要求1或2所述的时间相位编码方法，其中，所述延迟切换单元包括光路选择组件、第六波导、第七波导和第四光分束器；
所述光路选择组件包括等臂MZ干涉仪，其两臂相位差可调且具有输入端和两个输出端，其中，所述两个输出端分别通过第六波导和第七波导连接第四光分束器的两个输入端，以允许选择使光信号进入第六波导或第七波导；
所述第四光分束器被设置用于将沿第六波导和第七波导传播的光信号耦合输出；
同一延迟切换单元中的第六波导和第七波导具有不同的光程；
在所述延时差配置步骤中，通过调节光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差，从等臂MZ干涉仪的两个输出端中择一用于输出光信号，以切换光信号的传输路径。
4.如权利要求3所述的时间相位编码方法，其还包括预设步骤，用于设立不等臂干涉仪芯片模块的延时差与光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差之间的查询表；
所述延时差配置步骤还包括根据目标延迟量，利用查询表确定光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两臂相位差的步骤。
5.如权利要求3所述的时间相位编码方法，其中，所述第六波导和第七波导上分别设有可调光衰减器；
所述延时差配置步骤还包括调节所述可调光衰减器的衰减值，以将与光路选择组件的等臂MZ干涉仪的两个输出端中未被选中的输出端连接的波导上的光信号消光的步骤。
6.如权利要求1或2所述的时间相位编码方法，其中，所述延迟切换单元包括第五光分束器和第六光分束器，所述第五光分束器的两个输出端分别通过第八波导和第九波导连接第六光分束器的两个输入端，所述第八波导和第九波导上分别设置有可调光衰减器，且所述第八波导和第九波导具有不同的光程；
在所述延时差配置步骤中，通过调节可调光衰减器的衰减值，将第八波导或第九波导上的光信号消光，以切换光信号的传输路径。
7.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述不等臂干涉仪芯片模块的两个光臂中的至少一个上设有衰减控制模块，用于为沿光臂传播的光信号提供可控的衰减；
所述时间相位编码方法还包括功率控制步骤，用于根据可调光延迟模块的时间延迟，调节衰减控制模块的衰减量，使光信号在不等臂干涉仪芯片模块中具有相同的衰减。
8.如权利要求7所述的时间相位编码方法，其中，所述衰减控制模块包括载流子注入型衰减器。
9.如权利要求2所述的时间相位编码方法，其中，所述第一波导上设有第一高速相位调制器和第二高速相位调制器，所述第二波导上设有第三高速相位调制器；
在所述时间相位编码步骤中，利用所述第一、第二和第三高速相位调制器对光信号进行相位调制，所述第一高速相位调制器的调制相位α1、第二高速相位调制器的调制相位α2和第三高速相位调制器的调制相位α3，随机选自调制相位组合[(0、0、0)，(π/2、0、0)，(π/2、π/2、0)，(0、0、π/2)]。
10.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述诱骗态制备模块包括MZ干涉仪，其具有第七光分束器和第八光分束器；
所述第七光分束器的两个输出端分别通过第十波导和第十一波导连接第八光分束器的两个输入端；
所述第十波导上设置有第五高速相位调制器；
所述第十一波导上设置有相位调制器；
在所述诱骗态制备步骤中，先利用所述相位调制器配置诱骗态制备模块的MZ干涉仪的工作点，再利用所述第五高速相位调制器对光信号进行相位调制以制备诱骗态或信号态。
11.如权利要求10所述的时间相位编码方法，其中，所述相位调制器为高速相位调制器或基于热光效应的低速相位调制器。
12.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述诱骗态制备模块的第一输出端通过第五波导连接时间相位编码模块，并在所述第五波导上设有第四高速相位调制器；
所述时间相位编码方法还包括功率均衡步骤，用于根据要制备的时间相位态，调节第四高速相位调制器的调制相位，以使所制备的不同时间相位态的光信号具有相同的衰减。
13.如权利要求1所述的时间相位编码方法，其中，所述诱骗态制备模块的第一和第二输出端处分别设有可调光衰减器和光电探测器；
所述时间相位编码方法还包括输入功率监控步骤，用于利用所述光电探测器对输入光信号的功率进行监测。
14.如权利要求9-12中任一项所述的时间相位编码方法，其中，高速相位调制器基于等离子色散效应原理实现，或者为载流子注入型、载流子沉积型或载流子耗尽型。
15.如权利要求5所述的时间相位编码方法，其中，所述可调光衰减器基于载流子注入原理实现或者基于MZ干涉仪实现。
16.如权利要求1-2、7-13中任一项所述的时间相位编码方法，其中，光分束器为多模干涉仪或定向耦合器，以及/或者，所述时间相位编码芯片由硅材料形成。
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