CN1424826A - 光纤单光子路由操控装置 - Google Patents

Abstract

一种光纤单光子路由操控装置，包括单光子入射端口1、环形器2、光纤耦合器3、光纤4、偏振控制器5和7、相位调制器6、延迟信号发生器8、电信号输入端9、单光子出射端口23和34，光纤耦合器3的分束比为50％：50％，光纤4的最大长度为30km，单光子入射端口1、环形器2、光纤耦合器3、光纤4、偏振控制器5和7、相位调制器6组成光路，相位调制器6和延迟信号发生器8组成电路，能实现光纤单光子路由操控，即操控从单光子入射端口1入射的单光子经单光子出射端口23和34出射，路由操控成功率超过92％，特别适于在量子保密通讯中作光纤单光子路由操控。

Description

光纤单光子路由操控装置

                      技术领域

本发明涉及一种光纤单光子路由操控装置，实现在光纤中对单光子路由操控，属于量子保密通讯技术领域。

                      背景技术

量子保密通讯是基于光量子的通讯，信息加载于单光子上，并由单光子进行传输，未知量子态是不可克隆的，测量量子会改变量子态，这样窃听者就不可能得到通讯信息而不被发现，因此，量子保密通讯可以实现通讯的绝对保密。这将在军事机密传送和商业信息认证等方面得到广泛的应用。与现有的光通讯相似，量子保密通讯同样存在对量子信息，即单光子的路由操控问题。现有的光通讯技术中，路由器件及技术发展较为成熟，并且有各种路由方法和技术。量子保密通讯要求对单光子进行路由操控，目前，这方面研究较少。单光子路由操控装置可分为空间和光纤两类。专利号为02111395.5的中国专利涉及一种空间单光子路由操控装置，该装置由空间Mach-Zehnder干涉仪和相位调制器来完成。至于光纤单光子路由操控装置，目前尚无专利涉及。在光纤中通过单光子干涉可实现长距离的单光子路由操控，最简单的光纤中的单光子干涉可由光纤Mach-Zehnder干涉仪和相位调制器来完成。但是，由于光纤受环境的影响很大，当光纤长度达到几米时，光纤中的单光子干涉就不能保持稳定。

                      发明内容

从量子理论来看，光子是否携带“哪条路径”的信息是能否发生干涉的关键条件。一般的干涉仪中存在两条光路，在某一时刻，干涉仪中的光子只会选择一个路径，但同时存在的另一条路径也会对其产生影响。实际上是两条可能路径的光程差，或者说相位差决定了每个单光子的干涉情况。由于受到环境的影响，光纤长度的微小涨落都会引起相位差的变动，这种涨落随光纤长度的增加而加剧，给稳定的长距离单光子路由操控的实现带来很大的困难。

本发明旨在推出一种光纤单光子路由操控装置，该装置能解决光纤中单光子干涉距离短、干涉不稳定的问题，实现单光子长距离稳定的干涉，从而实现光纤单光子路由操控并最终用于量子保密通讯。

本发明的装置采用以下结构使上述目的得以实现。现结合附图详细说明本发明的装置的结构：一种光纤单光子路由操控装置，包括单光子入射端口1、环形器2、光纤耦合器3、光纤4、偏振控制器5和7、相位调制器6、延迟信号发生器8、电信号输入端9、单光子出射端口23和34，环形器2有三个端口，入射端口20、出射端口21、返回出射端口22，光纤耦合器3有四个端口，双向端口30、31、32和33，光纤耦合器3的分束比为50％∶50％，光纤4有两个端口，双向端口40和41，偏振控制器5和7各有两个端口，双向端口50、51和70、71，相位调制器6有三个端口，双向端口60和61，和电信号输入端62，延迟信号发生器8有两个端口，电信号输入端80和电信号输出端81，其特征在于，光纤4的最大长度为30km，环形器2、光纤耦合器3、光纤4、偏振控制器5和7、相位调制器6是工作波长与单光子脉冲10的波长相等的光学元器件，单光子入射端口1、环形器2、光纤耦合器3、光纤4、偏振控制器5和7、相位调制器6组成光路，相位调制器6和延迟信号发生器8组成电路，光路和电路内部的连接分别由光纤和电缆完成，光路内部连接：单光子入射端口1与入射端口20连接，出射端口21与双向端口30连接，双向端口33与双向端口40连接，双向端口41与双向端口50连接，双向端口51与双向端口60连接，双向端口61与双向端口70连接，双向端口71与双向端口32连接，返回出射端口22和双向端口31分别与单光子出射端口23和34连接，电路内部连接：电信号输入端9与电信号输入端80连接，电信号输出端81与电信号输入端62连接。

工作原理。单光子脉冲10从光子入射端口1入射，经环形器2至双向端口30，因为光纤耦合器3的分束比为50％∶50％，所以单光子以相同概率经双向端口32或33进入由光纤4、偏振控制器5和7、相位调制器6组成的环形光路：

1.顺时针路径单光子a3从双向端口33进入环形光路，先后经过光纤4，偏振控制器5，相位调制器6，偏振控制器7，经双向端口32回到光纤耦合器3；

2.逆时针路径单光子a2从双向端口32进入环形光路，先后经过偏振控制器7，相位调制器6，偏振控制器5，光纤4，经双向端口33回到光纤耦合器3。

如图2，逆时针路径单光子a2到达相位调制器6的时刻为t₁，而顺时针路径单光子a3到达相位调制器6的时刻为t₂，有t₁+t₂≈T_{环 形光路}(单光子绕环形光路一周所需时间， 其中V_光纤是光在光纤中的传播速度)，且t₁＜＜t₂，t₂≈T_环形光路。单光子脉冲宽度为τ，延迟信号发生器8加至相位调制器6的调制脉冲的上升沿时刻为t_m，Δt是调制脉冲脉宽，V_m是调制脉冲电压幅度，t₀是延迟时间，T_光脉冲是单光子脉冲的重复周期。

单光子脉冲10入射同时，同步电信号11由电信号输入端9传向电信号输入端80，经延迟时间t₀后，延迟信号发生器8产生电压幅度为V_m的调制脉冲，经电信号输出端81和电信号输入端62，抵达和驱动相位调制器6，与此同时，光路中顺时针路径单光子a3或逆时针路径单光子a2恰好通过相位调制器6，从而受到调制脉冲的相位调制。

调节延迟时间t₀和调制脉冲脉宽Δt，可选择对顺时针路径单光子a3或逆时针路径单光子a2进行调制：

当t₀＝t₁且τ＜Δt＜t₂时，对逆时针路径单光子a2进行调制；

当(t₁+τ)＜t₀＜t₂且(t₂-t₀+τ)＜Δt＜(T_光脉冲-t₂)时，对顺时针路径单光子a3进行调制。

调节调制脉冲电压幅度V_m，在Δt时间内加上不同的电压幅度V_m的调制脉冲，可得到相应两路光子的相位差Δ： $\mathrm{\Δ\φ}=\frac{V_m}{\mathrm{V\π}}\mathrm{\π},$ 其中Vπ是相位调制器6的半波电压，即对应相位差π的电压绝对值，这是相位调制器6在相应波长下固有的。

当V_m＝2nVπ时，相位差Δ＝2nπ，n＝0，1，2，...；

当V_m＝(2n+1)Vπ时，相位差Δ＝(2n+1)π，n＝0，1，2，...；

当 $V_m=(2n+1)\frac{\mathrm{V\π}}{2}$ 时，相位差 $\mathrm{\Δ\φ}=(2n+1)\frac{\mathrm{\π}}{2},$ n＝0，1，2，...。顺时针路径单光子a3与逆时针路径单光子a2在光纤耦合器3处发生单光子干涉：

当两路单光子相位差Δ为π的偶数倍时，干涉相长，单光子经双向端口30和返回出射端口22，最终从单光子出射端口23出射；

当两路单光子相位差Δ为π的奇数倍时，干涉相消，单光子经光纤耦合器端口31，最终从单光子出射端口34出射；

当两路单光子相位差Δ为

的奇数倍时，单光子以相同的概率从单光子出射端口23或34出射。

这便完成了单光子在环形光路中的分时调制。本装置只用一个相位调制器6，根据顺、逆时针路径单光子a3、a2到达相位调制器6的时间不同，通过调节延迟时间t₀、脉冲脉宽Δt和调制脉冲电压幅度V_m，可任意且精确调制顺、逆时针路径单光子a3、a2相位，从而实现在光纤中单光子的长距离路由操控。单光子脉冲源是由激光器发出光脉冲，经衰减至单光子脉冲水平。偏振控制器5、7是对应于入射单光子波长下的，可以调整相位调制器6中单光子的偏振方向，提高单光子干涉的稳定度。

本发明的突出效果在于它能实现单光子长距离稳定的干涉，实现可用于光纤中的稳定的单光子路由操控；相位调制器6与电子线路直接连接，易集成；单光子路由操控成功率超过92％。

                         附图说明

图1是光纤单光子路由操控装置的结构示意图，其中1是单光子入射端口，2是环形器，3是光纤耦合器，4是光纤，5是偏振控制器，6是相位调制器，7是偏振控制器，8是延迟信号发生器，9是电信号输入端口，23和34是光子出射端口，10是单光子脉冲，11是同步电信号。

图2是选取相位调制器6调制脉冲触发时刻和调制脉冲脉宽的时序图，其中四个坐标系在同一个时间轴t下，“单光子脉冲”纵坐标为单光子脉冲幅度A，“同步信号”纵坐标为同步电信号幅度V，“延迟信号”纵坐标为调制电压幅度V。逆时针路径单光子a2到达相位调制器6的时刻为t₁，顺时针路径单光子a3到达相位调制器6的时刻为t₂，有t₁+t₂≈T_环形光路(单光子绕环形光路一周所需时间)，且t₁＜＜t₂，单光子脉冲宽度为τ，t_m是延迟信号发生器8对相位调制器6所加的调制脉冲的上升沿时刻，Δt是调制脉冲脉宽，V_m是调制脉冲电压幅度，t₀是延迟时间，T_光脉冲是单光子脉冲10的重复周期。

                         具体实施方式

实施例1

一种具有上述结构的光纤单光子路由操控装置，其特征在于，入射单光子脉冲10的平均每脉冲光子数≤0.5，波长为1550nm，相位调制器6是Aeroflex 10G型，延时信号发生器8是DG535型，光纤4的长度为5km。

实施例2

一种具有上述结构或实施例1所述结构的光纤单光子路由操控装置，其特征在于，光纤4的长度为28km。

发生单光子的单光子源和探测单光子的仪器：Agilent 33250A型脉冲信号发生器，由它调制New Focus-Vortex 6000系列半导体激光器(LD)产生波长为1550nm的光脉冲，产生的光脉冲经过衰减片衰减至单光子水平，同时输出同步脉冲信号到SR400型光子计数器和DG535型延迟信号发生器，单光子探测器InGaAs雪崩二极管在单光子出射端口23和34探测到单光子，将探测到的信号传给SR400型光子计数器，由后者完成单光子计数。

所述的脉冲信号发生器以10KHz的重复频率对半导体激光器进行调制，此时光功率约为5nW。在衰减为-75dB时，平均光子数<n>＝0.1，即每脉冲平均含有0.1个光子。脉冲信号发生器以3.33KHz的重复频率对半导体激光器进行调制，此时光功率约为7nW。在衰减为-75dB时，平均光子数<n>＝0.5，即每脉冲平均含有0.5个光子

逆时针路径单光子a2到达相位调制器6的时间t₁≈0，单光子绕形光路一周所需时间T_环形光路≈t₂，单光子脉冲宽度τ≈10ns，相位调制器6在1550nm波长下的半波电压Vπ为5伏。

通过改变顺时针路径单光子a3相位，进行单光子路由操控，光纤4长度和平均光子数<n>分别取5Km，0.1和28Km，0.5各自的延迟时间t₀，调制脉冲脉宽Δt，调制脉冲电压幅度V_m选取情况如表1所示。

                                                  表1

光纤长度(Km)	单光子脉冲宽度τ(μs)	t2≈T环形光路(μs)	单光子脉冲重复周期T光脉冲(μs)	延迟时间t0(μs)	调制脉冲脉宽Δt(μs)	调制脉冲电压幅度Vm(伏)	单光子出射端口	单光子路由操控成功率(％)
									5	0.01	25	100	24.50	1	0	23	＞95
5	34	＞98
			28	0.01	140	333	139.50	1							0	23	＞92
5	34	＞94

通过改变逆时针路径单光子相位，进行单光子路由操控，光纤4长度和平均光子数<n>分别取5Km，0.1和28Km，0.5，各自的延迟时间t₀，调制脉冲脉宽Δt，调制脉冲电压幅度V_m选取情况如表2所示。

                                               表2

光纤长度(Km)	单光子脉冲宽度τ(μs)	t2≈T环形光路(μs)	单光子脉冲重复周期T光脉冲(μs)	延迟时间t0(μs)	调制脉冲脉宽Δt(μs)	调制脉冲电压幅度Vm(伏)	单光子出射端口	单光子路由操控成功率(％)
									5	0.01	25	100	0	1	0	23	＞95
5	34	＞98
			28	0.01	140	333	0	1							0	23	＞92
5	34	＞95

综上所述，本发明在环形光路中通过对单光子分时调制，仅用了一个相位调制器6，实现了长距离稳定的光纤单光子路由操控，干涉对比度即单光子路由操控成功率大于92％。

Claims (3)

1.一种光纤单光子路由操控装置，包括单光子入射端口1、环形器2、光纤耦合器3、光纤4、偏振控制器5和7、相位调制器6、延迟信号发生器8、电信号输入端9、单光子出射端口23和34，环形器2有三个端口，入射端口20、出射端口21、返回出射端口22，光纤耦合器3有四个端口，双向端口30、31、32和33，光纤耦合器3的分束比为50％∶50％，光纤4有两个端口，双向端口40和41，偏振控制器5和7各有两个端口，双向端口50、51和70、71，相位调制器6有三个端口，双向端口60和61，和电信号输入端62，延迟信号发生器8有两个端口，电信号输入端80和电信号输出端81，  其特征在于，光纤4的最大长度为30km，环形器2、光纤耦合器3、光纤4、偏振控制器5和7、相位调制器6是工作波长与单光子脉冲10的波长相等的光学元器件，单光子入射端口1、环形器2、光纤耦合器3、光纤4、偏振控制器5和7、相位调制器6组成光路，相位调制器6和延迟信号发生器8组成电路，光路和电路内部的连接分别由光纤和电缆完成，光路内部连接：单光子入射端口1与入射端口20连接，出射端口21与双向端口30连接，双向端口33与双向端口40连接，双向端口41与双向端口50连接，双向端口51与双向端口60连接，双向端口61与双向端口70连接，双向端口71与双向端口32连接，返回出射端口22和双向端口31分别与单光子出射端口23和34连接，电路内部连接：电信号输入端9与电信号输入端80连接，电信号输出端81与电信号输入端62连接。

2.根据权利要求1所述的光纤单光子路由操控装置，其特征在于，入射单光子脉冲10的平均每脉冲光子数≤0.5，波长为1550nm，相位调制器6是Aeroflex 10G型，延时信号发生器8是DG535型，光纤4的长度为5km。

3.根据权利要求1或2所述的光纤单光子路由操控装置，其特征在于，光纤4的长度为28km。