CN201550128U - 实时补偿相位差分干涉装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实时补偿相位差分干涉装置，包括用于并行传输相干光脉冲信号的两路光纤和两个分别接在两路光纤中的压电陶瓷光纤相位调制器，两路光纤的前后端部间分别通过一光纤耦合器连接；压电陶瓷光纤相位调制器包括压电陶瓷环和两个分别焊接在压电陶瓷环内外电极面上的电极，两路光纤分别缠绕在两个压电陶瓷环上，其中一压电陶瓷光纤相位调制器由受控电压源控制；两路光纤的光纤长度差为Δl且n·Δl＝c·Δt，式中n为光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传播速度，Δt为连续两个脉冲的时间间隔。本实用新型结构简单、易于制作、操作简便且插入损耗低、干涉稳定性好，能有效解决现有相位差分干涉仪所存在的插入损耗高和干涉不稳定等实际问题。

Description

实时补偿相位差分干涉装置

技术领域

本实用新型属于量子密钥分配技术领域，尤其是涉及一种量子密钥分配系统中的实时补偿相位差分干涉装置。

背景技术

由于相位差分量子密钥分配方案具有结构简单、密钥传输距离长、生成速率高、易于利用现有技术实现等优点，因而得到了广泛的实验研究，并取得了极大地进展。相位差分量子密钥分配方案尚存在的主要问题之一是其干涉装置的干涉稳定度问题。由于传统的非等臂Mach-Zehnde r(马赫-曾德尔，简称M-Z)相位差分干涉仪存在较严重的干涉不稳定性，不稳定性来源主要是外界环境温度变化及其两臂的光纤随机双折射效应。干涉不稳定会直接导致量子密钥的误码率增加，误码率的增加不仅降低了量子密钥分发的速率，而且还容易导致安全隐患。

现有的两种方案能够克服传统干涉仪的干涉不稳定问题，但是在克服干涉不稳定问题的同时，还分别存在一些缺点，以下进行详细说明：

第一种方案：日本NTT公司利用集成平面波导技术，制作出了稳定性较好的集成非等臂M-Z相位差分干涉仪，而且利用该干涉仪完成了100km以上的光纤量子密钥分配。这种干涉仪在精密的温度控制下，干涉稳定度较好。但是，尚存在的缺点是：第1、这种集成干涉仪制作工艺较复杂、价格昂贵；第2、插入损耗较大，而且损耗与偏振相关；第3、在量子密钥分配过程中需要精密的温度控制来消除相位漂移。

第二种方案：基于Faraday-Michelson(法拉第-迈克尔逊，简称F-M)的相位差分干涉仪。这种干涉仪能够有效地克服偏振相关带来的干涉不稳定问题，具有干涉对比度高和稳定性好等特点。但是存在的缺点是：第1、F-M相位差分干涉仪无法自动消除温度变化引起的干涉稳定度，因此温度变化也会引起相位的漂移，在使用过程中需要进行温度控制；第2、由于该干涉仪使用了两个Faraday旋转镜，插入损耗较大；第3、该干涉仪必须与光纤环形器配合使用，这不但会引入一定的插入损耗，而且发生干涉的光子从两个输出端口出射时，所经历的损耗也不相同，这不仅降低了密钥生成效率，还带来了一定的安全隐患。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种实时补偿相位差分干涉装置，其结构简单、易于制作、使用操作简便且插入损耗低、干涉稳定性好，能有效解决现有相位差分干涉仪所存在的插入损耗高和干涉不稳定等实际问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种实时补偿相位差分干涉装置，其特征在于：包括用于并行传输相干光脉冲信号的两路光纤和两个分别接在所述两路光纤中的压电陶瓷光纤相位调制器，所述两路光纤的前后端部间分别通过一个光纤耦合器进行连接；所述压电陶瓷光纤相位调制器包括压电陶瓷环和两个分别焊接在所述压电陶瓷环内外电极面上的电极，所述两路光纤分别缠绕在两个压电陶瓷光纤相位调制器的压电陶瓷环上，其中一个压电陶瓷光纤相位调制器由受控电压源进行控制且其上所焊接的两个电极分别与受控电压源相接；所述两路光纤的光纤长度差为Δl且n·Δl＝c·Δt，式中n为所述两路光纤中所采用光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传播速度，Δt为所述相干光脉冲信号中连续两个脉冲的时间间隔；其中，接在所述两路光纤后端部间的光纤耦合器为2×2光纤耦合器二，2×2光纤耦合器二的两个输入端分别与所述两路光纤的后端部相接；接在所述两路光纤前端部间的光纤耦合器为2×2光纤耦合器一或1×2光纤耦合器，2×2光纤耦合器一或1×2光纤耦合器的两个输出端分别与所述两路光纤的前端部相接，2×2光纤耦合器一的一个输入端悬空且另一个输入端通过光纤与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接，所述1×2光纤耦合器的输入端通过光纤与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接。

所述压电陶瓷环为圆柱形。

所述两路光纤分别为光纤一和光纤二，光纤二的光纤长度大于光纤一的光纤长度，且接在光纤一和光纤二中的压电陶瓷光纤相位调制器分别为压电陶瓷光纤相位调制器一和压电陶瓷光纤相位调制器二，压电陶瓷光纤相位调制器一上所焊接的两个电极分别与受控电压源相接。

所述两路光纤分别缠绕且通过环氧树脂胶固定在两个压电陶瓷光纤相位调制器的压电陶瓷环上。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、设计新颖、合理，连接布设方便且成本低，同时具有稳定性高、结构简单、易于制作、使用操作简便、插入损耗低等优点。

2、干涉稳定性好，实时相位补偿能够自动消除温度变化及偏振引起的相位漂移。

3、插入损耗低。

4、使用效果好，无需进行温度控制，引入压电陶瓷光纤相位调制器后对传统的Mach-Zehnder型相位差分干涉仪的结构进行了实质性地改进，能够实时进行扫描和相位补偿，并且相应提出了实现稳定量子密钥分发的方法。同时，上述压电陶瓷光纤相位调制器的相位调制过程与偏振无关。经实验证明：温度变化及光纤双折射引起相位漂移速度相对比较缓慢，一般在3分钟左右相位漂移不超过15°，由此引起的误码率与漂移相位的关系为：

因此，15°相位漂移带来的误码不超过2％。若利用本实用新型进行一次相位补偿的时间只需要数秒钟就能够完成。综上，利用压电陶瓷光纤相位调制器进行实时补偿，完全可以克服温度和偏振引起的干涉不稳定问题。

5、适用面广，尤其能有效适用至相位差分调制的量子密钥分配系统。

综上所述，本实用新型结构简单、易于制作、使用操作简便且插入损耗低、干涉稳定性好，利用压电陶瓷光纤相位调制器进行实时补偿后能完全可以克服温度和偏振引起的干涉不稳定问题，最终有效解决了现有相位差分干涉仪所存在的插入损耗高和干涉不稳定等实际问题。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的工作原理图。

图2为本实用新型适用于量子密钥分配系统的工作原理图。

附图标记说明：

1-1-2×2光纤耦合器一；  1-2-2×2光纤耦合  2-1-压电陶瓷光纤相

                        器二；            位调制器一；

2-2-压电陶瓷光纤相位    3-1-光纤一；      3-2-光纤二；

调制器二；

4-受控电压源；          5-1-相干光源；    5-2-强度调制器；

5-3-相位调制器；        5-4-衰减器；      6-1-单光子探测器一；

6-2-单光子探测器。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括用于并行传输相干光脉冲信号的两路光纤和两个分别接在所述两路光纤中的压电陶瓷光纤相位调制器，所述两路光纤的前后端部间分别通过一个光纤耦合器进行连接。所述压电陶瓷光纤相位调制器包括压电陶瓷环和两个分别焊接在所述压电陶瓷环内外电极面上的电极，所述两路光纤分别缠绕在两个压电陶瓷光纤相位调制器的压电陶瓷环上，其中一个压电陶瓷光纤相位调制器由受控电压源4进行控制且其上所焊接的两个电极分别与受控电压源4相接。所述两路光纤的光纤长度差为Δl且n·Δl＝c·Δt，式中n为所述两路光纤中所采用光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传播速度，Δt为所述相干光脉冲信号中连续两个脉冲的时间间隔。其中，接在所述两路光纤后端部间的光纤耦合器为2×2光纤耦合器二1-2，2×2光纤耦合器二1-2的两个输入端分别与所述两路光纤的后端部相接；接在所述两路光纤前端部间的光纤耦合器为2×2光纤耦合器一1-1或1×2光纤耦合器，2×2光纤耦合器一1-1或1×2光纤耦合器的两个输出端分别与所述两路光纤的前端部相接，2×2光纤耦合器一1-1的一个输入端悬空且另一个输入端通过光纤与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接，所述1×2光纤耦合器的输入端通过光纤与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接。并且，所述两路光纤分别缠绕且通过环氧树脂胶固定在两个压电陶瓷光纤相位调制器的压电陶瓷环上。

本实施例中，所述压电陶瓷环为圆柱形。所述两路光纤分别为光纤一3-1和光纤二3-2，光纤二3-2的光纤长度大于光纤一3-1的光纤长度，且接在光纤一3-1和光纤二3-2中的压电陶瓷光纤相位调制器分别为压电陶瓷光纤相位调制器一2-1和压电陶瓷光纤相位调制器二2-2，压电陶瓷光纤相位调制器一2-1上所焊接的两个电极分别与受控电压源4相接。所述2×2光纤耦合器二1-2的两路输出端分别与两个单光子探测器相接。所述两个单光子探测器分别为单光子探测器一6-1和单光子探测器6-2。

结合图2，将本实用新型适用于量子密钥分配系统中，所采用的相干光脉冲产生及发射装置包括能制备出连续相干光的相干光源5-1、对相干光源5-1所发出连续相干光进行强度调制并转换为相干光脉冲的强度调制器5-2、对经强度调制所获得相干光脉冲的相位进行调制的相位调制器5-3和对经相位调制后的相干光脉冲进行衰减并通过光纤对应发送至接收端的衰减器5-4。所述衰减器5-4通过光纤与本实用新型相接，具体是与2×2光纤耦合器一1-1或1×2光纤耦合器的输入端相接。

实际加工制作压电陶瓷光纤相位调制器时，具体是先将所述两路光纤分别精密地环绕在两个圆柱形压电陶瓷环上，并用环氧树脂胶进行固定，然后在压电陶瓷环的内外电极面上焊接电极。所述压电陶瓷环上所焊接的两个电极加上电压后，便使得压电材料能够膨胀或收缩，膨胀或收缩能相应改变缠绕在其上光纤的长度，从而产生相位变化。实际应用中，根据需要产生多少相位选择所加的电压大小。实际使用时，即可通过所述压电陶瓷光纤相位调制器对非等臂相位差分干涉仪的相位进行实时补偿。

由于本实用新型即非等臂相位差分干涉仪的两臂分别连接了一个压电陶瓷光纤相位调制器，调制其中一个压电陶瓷光纤相位调制器就可以实现相位补偿，另外一个压电陶瓷光纤相位调制器能达到平衡一臂插入损耗的目的，从而可以提高干涉对比度。另外，将本实用新型两臂的光纤精密地缠绕在压电陶瓷环上并进行固定再加以封装后，可以消除两臂光纤偏振参量的随机变化。另外，由于两臂的光纤长度差为Δl且其与为所述相干光脉冲信号中连续两个脉冲的时间间隔Δt满足下列对应关系：n·Δl＝c·Δt。由于相位差分量子密钥分发过程中，其连续两个脉冲时间距离Δt一般约为纳秒数量级，假设到达接收端(Bob)的两个连续微弱脉冲分别为： $\begin{array}{c}{E}_1=A_1{e}^{i{\mathrm{\φ}}_1}\\ E_2=A_2{e}^{i{\mathrm{\φ}}_2}\end{array},$ 式中A₁，A₂分别表示到达接收端的两个连续微弱脉冲的幅值，φ₁，φ₂分别为到达接收端的两个连续微弱脉冲的位相。由于连续两个脉冲从发射端(Alice)出射时，具有相同的幅值、不同的相位，即其相位差Δφ＝|φ₁-φ₂|＝0或π，并且上述两个连续脉冲在传输线路(光纤)中经历了相同的路径，即经历了相同的损耗与相位，因此到达接收端时幅值A₁＝A₂＝A，相位差Δφ＝|φ₁-φ₂|依然等于0或π，因此两个连续脉冲的相位差不会受到外界环境对光纤的干扰而受影响。在接收端，本实用新型的两个2×2光纤耦合器等分比，并且两臂光纤的损耗一致，因此，在本实用新型的输出端口，连续两个脉冲会重叠而发生干涉，干涉后从其中一个端口输出的光强可表示为：

其中θ为相互重叠的两个连续脉冲分别经过本实用新型的两臂时，两个偏振分量因光纤双折射而产生的不同相移，κ是单位长度光纤产生的相移，Δφ＝φ₁-φ₂为前后两个连续脉冲被Alice调制的相位差，

为通过压电陶瓷光纤相位调制器补偿的相位。根据公式(1)，可以通过调节压电陶瓷光纤相位调制器的电压，继而改变

的大小并进行实时补偿，当

时，则可得到 $I=\frac{1}{4}{A}^2{[\cos \left(\mathrm{\Δ\φ}\right)+1]}^2---\left(2\right),$ 其中n为整数。由公式(2)可看出，两个连续脉冲干涉结果完全依赖于Alice调制的位相位差Δφ，此时发射端Alice和接收端Bob根据相位差分量子密钥分配协议，就可以实现稳定的量子密钥分发，在量子密钥分发过程中，外界的干扰不再影响密钥分配。由于光纤精密缠绕在压电陶瓷环上，经过封装后，其光纤双折射产生的相移θ近似为一个常数，而温度变化对产生的相移κΔl是一个缓慢的变化量。因而，从公式(2)可得出：利用压电陶瓷光纤相位调制器进行实时补偿，完全可以克服温度和偏振引起的干涉不稳定问题。

综上，在相位差分量子密钥分配过程中，发射端(Alice)的相干光源5-1发出的是连续相干光，连续相干光通过强度调制器5-2后变为相干光脉冲，上述光脉冲再通过相位调制器5-3后，其相位被0或π随机调，最后利用衰减器5-4将上述光脉冲衰减至某一水平，这一过程完成了经典信息的量子编码，编码后的量子态(极其微弱的激光脉冲)经过光纤传输后到达接收端(Bob)。接收端利用本实用新型对连续两个脉冲的相位差进行解码。其中，本实用新型的两臂光程差n·Δl应与连续两个脉冲的时间间隔Δt之间满足n·Δl＝c·Δt。

根据公式(2)，连续两个携带信息的脉冲在接收端发生干涉时，其相位差决定光子选择不同的端口到达单光子探测器一6-1(即D1)或单光子探测器6-2(即D2)。Bob根据协议对两个单光子探测器D1和D2的响应结果进行解码。例如，根据相位差分量子密钥分配协议：若Alice发射的两个连续脉冲的相位差Δφ＝φ₁-φ₂为0时，那么接收端的D1应该响应；若Alice发射的两个连续脉冲的相位差Δφ＝φ₁-φ₂为π时，那么接收端的探测器D2应该响应。接收端根据本实用新型的干涉情况探测光子，当D1响应而D2不响应，记为“0”；当探测器D2响应而D1不响应，记为“1”；当探测器D1和D2同时响应或同时都不响应时不予编码。因此，当密钥分配完毕后，接收端Bob根据单光子探测器的响应情况可以推测出相应连续两个脉冲间的相位差，反过来，若Bob告诉Alice在哪些时隙探测到了光子，那么Alice就知道Bob的探测器响应情况。

总而言之，基于本实用新型的量子密钥分配系统的量子密钥分发过程利用了相位补偿和密钥分发过程固定时段进行时分复用的原理，一次完整的密钥分发需要三个步骤，其过程如下：

第一步，接收端(Bob)扫描本实用新型后进行补偿：发射端(Alice)保持连续两个脉冲的相位差Δφ＝φ₁-φ₂为0或π，发送微弱激光脉冲。与此同时，通过调节压电陶瓷光纤相位调制器的相位

让其从0°到360°每次步进5°，每次步进后相位

持续约200毫秒不变。在此期间，D1和D2记录响应的脉冲个数。因此，完成一次从0°到360°的相位扫描共需要约15秒。扫描结束后，Bob可以计算出D1和D2在不同的相位

时，记录到的最大值N_max和最小值N_mm，以及与之相对应的相位

和

Bob随后立即将压电陶瓷相位调制器的相位

设定在

第二步，根据相位差分量子密钥分配协议，实现稳定的量子密钥分发：这个过程持续时间约为2分钟。发射端(Alice)利用相位调制器5-3，用0或π随机调制每一个微弱激光脉冲的相位，接收端(Bob)根据相位差分量子密钥分配协议对本实用新型和单光子探测器进行解码。

第三步，数据验证：当量子密钥分发进行一个固定时间段后，发射端(Alice)保持连续两个脉冲的相位差为0或π，进行发送微弱激光脉冲，Bob继续接收。在这个时间内，Bob接收到的数据用于评估相位漂移情况。若相位漂移在一定范围内，则表示前一次密钥分配成功。这样就成功完成了一次稳定的密钥分配，随后进行下一轮操作。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种实时补偿相位差分干涉装置，其特征在于：包括用于并行传输相干光脉冲信号的两路光纤和两个分别接在所述两路光纤中的压电陶瓷光纤相位调制器，所述两路光纤的前后端部间分别通过一个光纤耦合器进行连接；所述压电陶瓷光纤相位调制器包括压电陶瓷环和两个分别焊接在所述压电陶瓷环内外电极面上的电极，所述两路光纤分别缠绕在两个压电陶瓷光纤相位调制器的压电陶瓷环上，其中一个压电陶瓷光纤相位调制器由受控电压源(4)进行控制且其上所焊接的两个电极分别与受控电压源(4)相接；所述两路光纤的光纤长度差为Δl且n·Δl＝c·Δt，式中n为所述两路光纤中所采用光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传播速度，Δt为所述相干光脉冲信号中连续两个脉冲的时间间隔；其中，接在所述两路光纤后端部间的光纤耦合器为2×2光纤耦合器二(1-2)，2×2光纤耦合器二(1-2)的两个输入端分别与所述两路光纤的后端部相接；接在所述两路光纤前端部间的光纤耦合器为2×2光纤耦合器一(1-1)或1×2光纤耦合器，2×2光纤耦合器一(1-1)或1×2光纤耦合器的两个输出端分别与所述两路光纤的前端部相接，2×2光纤耦合器一(1-1)的一个输入端悬空且另一个输入端通过光纤与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接，所述1×2光纤耦合器的输入端通过光纤与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接。

2.按照权利要求1所述的实时补偿相位差分干涉装置，其特征在于：所述压电陶瓷环为圆柱形。

3.按照权利要求1或2所述的实时补偿相位差分干涉装置，其特征在于：所述两路光纤分别为光纤一(3-1)和光纤二(3-2)，光纤二(3-2)的光纤长度大于光纤一(3-1)的光纤长度，且接在光纤一(3-1)和光纤二(3-2)中的压电陶瓷光纤相位调制器分别为压电陶瓷光纤相位调制器一(2-1)和压电陶瓷光纤相位调制器二(2-2)，压电陶瓷光纤相位调制器一(2-1)上所焊接的两个电极分别与受控电压源(4)相接。

4.按照权利要求1或2所述的实时补偿相位差分干涉装置，其特征在于：所述两路光纤分别缠绕且通过环氧树脂胶固定在两个压电陶瓷光纤相位调制器的压电陶瓷环上。

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