CN1469558A

CN1469558A - 按输出口光子数分配获得单光子输出的方法及其装置

Info

Publication number: CN1469558A
Application number: CNA031269206A
Authority: CN
Inventors: 刘伟平; 杜戈; 廖常俊; 刘颂豪
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2004-01-21
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: CN1232054C

Abstract

本发明涉及按输出口光子数分配获得单光子输出的方法及其装置，所述方法是输入端保持恒定的光输入的情况下，用分束的方法形成固定的光场分布，对每个出口输出光子数再分配，各出口之间光子数的比例有确定的值；所述装置包括作为输入端、5∶95分束耦合器(C1)、50∶50分束耦合器(C2)、末级偏振分束耦合器(C3)，光探测器(D)，所述的输入端采用锁模半导体激光器(ML－LD)或调Q输出的半导体激光器(LD)，所述的分束耦合器(C1、C2、C3)之间用光纤熔焊连接，所述的末级偏振分束耦合器(C3)作为单光子输出端口；本发明能实时监控的有稳定的单光子输出，输出的单光子可用作量子保密通信发射机的单光子源。

Description

按输出口光子数分配获得单光子输出的方法及其装置

技术领域

本发明涉及光量子保密通信技术领域，具体地是按输出口光子数分配获得单光子输出方法及其装置。

背景技术

光量子保密通信使用单光子传输信息，量子码是由单光子的量子态来表示的。这样，首先就要得到单光子。然后制备单光子的量子态，进行编码。

对于特定光波长，单光子是能测量的最小的能量了。例如在通信波段1550纳米，一个光子的能量是1.28×10^-19焦耳，通信波段1310纳米，一个光子的能量是1.518×10^-19焦耳。调制输出10G比特的1毫瓦的半导体激光器，每个脉冲也有大约十万光子。

理想的单光子源是一次只发射一个光子的体系，它是这样的量子体系：非简并的单量子态，只能容纳一个电子发光。形成这种量子态的可能是一个量子点，固体中的一个缺陷或一个色心，目前正在研究获得这种状态和控制它的规律，还处于基础研究阶段。Z.Yuan et al.在Science2002，102，P295，报道了电注入的发光二极管，同时Smart Material Bulletin也在2002年元月公报的第6页以题名为“Single Photon Generator”作了报道。据说是东芝欧洲研究部的Andrew Shields和剑桥大学的同事们在普通的发光二极管上加了一层量子点得到了世界第一个电注入的单光子发生器，仍属于基础研究阶段。目前世界上所有量子保密通信用单光子都是由精密控制的强衰减技术得到的。

光衰减是一种重要的光学技术，可以用于很多技术领域。但要衰减到仅有一个光子，而且一个光脉冲中出现双光子或多光子的概率可以忽略却不容易。多余的光子被视为不安全因数。目前采用的光衰减技术都是时序的衰减技术，即从输入到输出光的强度发生了衰减。这种衰减可能是材料吸收、散射，损耗耦合，滤波，反射等各种机制。

市售的可变衰减器可以达到0.01dB的控制精度，这还是很不够的。通常是理论计算，根据衰减的累加性质，得到70到100dB的衰减，并由理论计算估计输出的是单光子。然后用单光子探测器测量输出光子的统计性质，确认输出的是单光子。这里有很多不确定因数：除激光器输出有波动外，衰减过程受环境因素，例如温度、应力、震动的影响而变化。单光子探测器本身也是一个在研究中的项目，即它的响应度，它的测量值是否代表单光子是需要标定的。探测器的测量还受环境温度湿度等的影响。而且，从光纤的出口到探测器的入口还有一个连接损耗。毕竟单光子的能量是太小了。

分光也是一种衰减的方式。改变两光纤之间的分光耦合实现一种可变的分束比形成可变衰减器。目前点到多点的量子通信，在用了分束器之后，还要有多套精密衰减控制结构。

以上多种衰减方式的多种组合构成了各种各样的光衰减技术，但是受探测器灵敏度(能探测到的最低能量)和分辨率的限制，再考虑到环境诸多因素的影响，要得到精确的单光子发射仍有很多不确定因素。所以，国外称这种获得单光子的技术叫精密控制的强衰减技术。目前开发的最好的功率/能量计，例如EXFO-1100功率能量计能测量到-100dBm，若调制频率为2M，每脉冲仍有近万光子。进一步衰减，测量和控制就很困难了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种按输出口光子数分配获得单光子输出的方法，实时监控的有稳定的单光子输出，输出的单光子可用作量子保密通信发射机的单光子源。

本发明的目的还在于提供实现所述方法使用的按输出口光子数分配获得单光子输出的装置。

本发明按输出口光子数分配获得单光子输出的方法，是输入端保持恒定的光输入的情况下，用分束的方法形成固定的光场分布，对每个出口输出光子数再分配，各出口之间光子数的比例有确定的值；

所述的分束的方法是指采用多级分束耦合器对光束进行分配，所述的多级分束耦合器是用光纤熔焊的方法连接的，流向各光纤输出口的光子数及其相互间的比例分配是确定的，根据需要设计各种比例的输出口，分束耦合器采用偏振无关的光纤分光耦合器；

形成的多路分布出口的光强度分布，一个出口的光强处于光电二极管最灵敏区域，测量后得到的信号用于控制输入光强，另一路出口输出较强的光信号则用作同步时钟信号用于单光子探测器的控制；

固定输出的光强经过多级分束，直至达到设计的光子数按每个出口的分配，在确定的输出口，输出的光是单光子序列。

在单光子输出口的分束器采用偏振分束器，对光子状态进行分类，用于单光子的量子编码。

所述的输出端口用于一点到多点的量子密钥分配。

所述的输入端采用锁模半导体激光器或调Q输出的半导体激光器输出皮秒级光脉冲，直接按照光子分布的统计规律，在更高的精度控制每一个输出端口输出的平均光子数，准确控制到每脉冲平均光子数为0.1，或0.01的稳定输出，确保输出是单光子。

实现本发明所述的方法使用的一种按输出口光子数分配获得单光子输出的装置，包括作为输入端、5∶95分束耦合器(C1)、50∶50分束耦合器(C2)、末级偏振分束耦合器(C3)，光探测器(D)，所述的输入端采用锁模半导体激光器(ML-LD)或调Q输出的半导体激光器(LD)，所述的分束耦合器(C1、C2、C3)之间用光纤熔焊连接，所述的末级偏振分束耦合器(C3)作为单光子输出端口。

所述的输入端的半导体激光器产生的光脉冲输入可编程控制可变衰减器(VOA)，所述的可编程控制可变衰减器(VOA)接提取反馈控制信号的光探测器(D)并输出确定光强度的控制信号，所述的可变衰减器依次串接一个50∶50分束耦合器(C2)、三个5∶95分束耦合器(C1)、两个50∶50分束耦合器(C2)和50∶50末级偏振分束耦合器(C3)，其中每级分束耦合器(C1、C2、C3)分出的光子数经备用输出端口输出，每级分束耦合器(C1、C2)分出的光子数输入下一级分束耦合器。

所述的分束耦合器(C1、C2、C3)用于监视光功率分束比变化的高灵敏度光功率计(PM1、PM2)。

所述的半导体激光器(ML-LD)连续串接四级5∶95分束耦合器(C1)；第一级5∶95分束耦合器(C1)分出的95％的信号通过光纤连接器(C4)用于同步控制，第二级5∶95分束耦合器(C1)分出的95％的信号经光探测器反馈控制输入光强度，第四级5∶95分束耦合器(C1)接50∶50分束耦合器(C2)或作为输出端口的末级偏振分束耦合器(C3)；所述的50∶50分束耦合器(C2)按1分2、2分4、4分8、8分16即2ⁿ分2ⁿ⁺¹(n＝1，2，3，4……)接分束耦合器(C2)或末级接偏振分束耦合器(C3)。

所述的半导体激光器(ML-LD)连续串接3级5∶95分束耦合器(C1)；第一级5∶95分束耦合器(C1)接一个5∶95分束耦合器(C1)分出的95％的信号经光探测器反馈控制输入光强度；第二级5∶95分束耦合器(C1)分出的95％的信号接一个50∶50分束耦合器(C2)，该50∶50分束耦合器(C2)连接两个末端偏振分束耦合器(C3)，第三级5∶95分束耦合器(C1)按1分2、2分4、4分8、8分16即2ⁿ分2ⁿ⁺¹(n＝1，2，3，4……)接分束耦合器(C2)或末级接偏振分束耦合器(C3)。

在每一个空闲的输出口或输入端口加防反射端帽。

根据能量守恒定律并根据探索性实验证明，这种光子数的分配比例是不随输入光强度的变化而变化的。而且，这种比例分配在环境变化，例如温度、湿度和震动时，也是不变的。

本发明的分束器之间，是用光纤熔焊的方法连接的，连接损耗很小。流向各光纤输出口的光子数及其相互间的比例分配是确定的，可以根据需要设计各种比例的输出口，分光耦合器采用偏振无关的光纤分光耦合器。本发明形成的多路分布出口的光强度分布，一个出口的光强处于光电二极管最灵敏区域，测量后得到的信号用于控制输入光强，例如反馈控制光导体激光器的注入电流或其他光强控制装置。另一路出口输出较强的光信号则可用作同步时钟信号用于单光子探测器的控制。固定输出的光强经过多级分束，直至达到设计的光子数按每个出口的分配，在确定的输出口，输出的光是单光子序列。在单光子输出口的分束器采用偏振分束器，对光子状态进行分类，有利于单光子的量子编码。

在每一个空闲输出/输入端口要加端帽。端帽的作用是，当该端口不用作输出口的时候，用于吸收输出的光子，预防光的反射干扰，并防止杂散干扰光的进入。另一个作用是保持光纤端面的清洁。

本发明的输入端采用锁模半导体激光器或调Q输出的半导体激光器输出的皮秒级光脉冲。直接按照光子分布的统计规律，可以在更高的精度控制每一个输出端口输出的平均光子数。因此可以准确控制到每脉冲平均光子数为0.1，或0.01的稳定输出，从而确保输出是单光子，而双光子或多光子出现的概率接近于零。

输出端口的设计是根据实际需要，可以用于一点到多点的量子密钥分配。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明用光分配取代衰减，最大限度地减小损耗，同时最大限度地

利用了光源发射的光子。

2.光子数分配可以设计和精确测量和控制。可以明确地知道发射的是

单光子序列，没有通常衰减过程中出现的多种不确定因数。

3.容易实现一点到多点的网络量子保密通信。

4.输出的单光子具有线偏振量子态；

5.输出平均光子数是稳定的而且是可以控制的；

6.输出平均光子数可以很小，即控制精度可以很高；

7.这是一个封闭系统，因而是一个可靠的系统，因为根据光学可逆性

原理，有光的损耗泄漏，也就可能有杂散光的进入，本系统在尽最

大可能利用了光源发射的光子数的同时，也最大可能地避免了杂散

光进入。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明装置的另一结构示意图；

图3为本发明装置的又一结构示意图；

图4为本发明方法采用不同脉冲平均光子数时，脉冲中出现单光子、双光子、三光子和四光子的概率曲线图。

具体实施方式：

实施例1

如图1所示，光源LD为国产分布反馈1310纳米波长半导体激光器，型号LDM3S735，自制的脉冲电源驱动产生2MHz光脉冲输出，进入可编程控制可变衰减器VOA，所述的可编程控制可变衰减器VOA为进口EXFO IQ-3100型，可编程控制输出确定光强度的信号，光探测器D测量来自第一个50∶50分束耦合器C2的光强度信号，提取反馈控制信号，光强度信号依次经过三个5∶95分束耦合器C1，备用输出口均接消反射端帽D1、D2，所述的消反射端帽分别输出分束耦合器C1的95％光子数，作为备用输出口，可用于检测衰减状态或开辟新单光子信道。从第三个5∶95分束耦合器C1以后开始用连续串接三个50∶50分束耦合器C2，用光子数均分的办法实现单光子输出。高灵敏度光功率计PM1、PM2用于信道输出单光子状态鉴别。

实施例2

如图2所示，光源是德国PicoQuant产PDL-808-SC锁模半导体激光器ML-LD，输出1310纳米波长50ps短光脉冲，脉冲重复频率40MHz时，平均输出功率0.05Mw.对应每脉冲光子数大约8百万，连续串接四级5∶95分束耦合器，在最后一个5∶95分束耦合器的5％输出口得到52dB的衰减，得到每脉冲6个光子，分束耦合器C2为50∶50分束耦合器，根据需要，可按1分2，2分4，4分8即2ⁿ分2ⁿ⁺¹(n＝0，1，2，3，4……)，得到任意的衰减，例如，对于通常量子通信采用的平均光子数为0.1的输出，取5级C2分束，末尾是偏振分束器，得到确定偏振态的光子输出，这个系统会有平均光子数为0.1的64路输出口。第一级分出的95％的信号用于同步控制，第二级输出95％的出口的信号用作反馈控制信号，保持半导体激光器输出的稳定，并用于显示输出的实际功率大小，起实时监控的作用，所有备用端口接消反射端帽，防止端面反射造成的信号干扰并为使用时连接保持清洁的端面。光探测器D，输出电信号分两路，一路用于显示输入功率，一路用于控制输入光强度，C4输出用作单光子控测器需要的同步控制时钟信号。

实施例3

如图3，光源是德国PicoQuant产PDL-808-SC锁模半导体激光器ML-LD，输出1310纳米波长50ps短光脉冲，脉冲重复频率40MHz时，平均输出功率0.05Mw.对应每脉冲光子数大约8百万，连续串接三个5∶95分束耦合器分束耦合器C2为50∶50分束耦合器，根据需要，可按1分2，2分4，4分8即2ⁿ分2ⁿ⁺¹(n＝0，1，2，3，4……)，得到任意的衰减，光纤接头C3为输出端口，光探测器，输出电信号分两路，一路用于显示输入功率，一路用于控制输入光强度。

如图4所示，不同脉冲平均光子数时，脉冲中出现单光子、双光子、三光子和四光子的概率，可以见到其平均光子数为0.2时，单光子出现的概率最高，但双光子仍有一定的概率.平均光子数小于0.2以后，双光子出现的概率随平均光子数迅速减少，所以，通常取平均光子数为0.1或0.01。

Claims

1.一种按输出口光子数分配获得单光子输出的方法，其特征在于：输入端保持恒定的光输入的情况下，用分束的方法形成固定的光场分布，对每个出口输出光子数再分配，各出口之间光子数的比例有确定的值；

2.根据权利要求1所述的按输出口光子数分配获得单光子输出的方法，其特征在于：在单光子输出口的分束器采用偏振分束器，对光子状态进行分类，用于单光子的量子编码。

3.根据权利要求1或2所述的按输出口光子数分配获得单光子输出的方法，其特征在于：所述的输出端口用于一点到多点的量子密钥分配。

4.根据权利要求1或2所述的按输出口光子数分配获得单光子输出的方法，其特征在于：所述的输入端采用锁模半导体激光器或调Q输出的半导体激光器输出皮秒级光脉冲，直接按照光子分布的统计规律，在更高的精度控制每一个输出端口输出的平均光子数，准确控制到每脉冲平均光子数为0.1，或0.01的稳定输出，确保输出是单光子。

5.实现权利要求1所述的方法使用的一种按输出口光子数分配获得单光子输出的装置，其特征在于：包括作为输入端、5∶95分束耦合器(C1)、50∶50分束耦合器(C2)、末级偏振分束耦合器(C3)，光探测器(D)，所述的输入端采用锁模半导体激光器(ML-LD)或调Q输出的半导体激光器(LD)，所述的分束耦合器(C1、C2、C3)之间用光纤熔焊连接，所述的末级偏振分束耦合器(C3)作为单光子输出端口。

6.根据权利要求5所述按输出口光子数分配获得单光子输出的装置，其特征在于：所述的输入端的半导体激光器产生的光脉冲输入可编程控制可变衰减器(VOA)，所述的可编程控制可变衰减器(VOA)接提取反馈控制信号的光探测器(D)并输出确定光强度的控制信号，所述的可变衰减器依次串接一个50∶50分束耦合器(C2)、三个5∶95分束耦合器(C1)、两个50∶50分束耦合器(C2)和50∶50末级偏振分束耦合器(C3)，其中每级分束耦合器(C1、C2、C3)分出的光子数经备用输出端口输出，每级分束耦合器(C1、C2)分出的光子数输入下一级分束耦合器。

7.根据权利要求6所述的按输出口光子数分配获得单光子输出的装置，其特征在于：所述的分束耦合器(C1、C2、C3)用于监视光功率分束比变化的高灵敏度光功率计(PM1、PM2)。

8.根据权利要求5所述的按输出口光子数分配获得单光子输出的装置，其特征在于：所述的半导体激光器(ML-LD)连续串接四级5∶95分束耦合器(C1)；第1级5∶95分束耦合器(C1)分出的95％的信号通过光纤连接器(C4)用于同步控制，第二级5∶95分束耦合器(C1)分出的95％的信号经光探测器反馈控制输入光强度，第四级5∶95分束耦合器(C1)接50∶50分束耦合器(C2)或作为输出端口的末级偏振分束耦合器(C3)；所述的50∶50分束耦合器(C2)按1分2、2分4、4分8、8分16即2ⁿ分2ⁿ⁺¹接分束耦合器(C2)或末级接偏振分束耦合器(C3)。

9.根据权利要求5所述的按输出口光子数分配获得单光子输出的装置，其特征在于：所述的半导体激光器(ML-LD)连续串接3级5∶95分束耦合器(C1)；第一级5∶95分束耦合器(C1)接一个5∶95分束耦合器(C1)分出的95％的信号经光探测器反馈控制输入光强度；第二级5∶95分束耦合器(C1)分出的95％的信号接一个50∶50分束耦合器(C2)，该50∶50分束耦合器(C2)连接两个末端偏振分束耦合器(C3)，第三级5∶95分束耦合器(C1)按1分2、2分4、4分8、8分16即2ⁿ分2ⁿ⁺¹接分束耦合器(C2)或末级接偏振分束耦合器(C3)。

10.根据权利要求5-9所述的按输出口光子数分配获得单光子输出的装置，其特征在于：在每一个空闲的输出口或输入端口加防反射端帽。