CN202617124U - 具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，包括2×2光纤耦合器、连接在光纤耦合器一端的第一光纤和第二光纤、以及连接在光纤耦合器另一端第三光纤和第四光纤，第一光纤通过光环形器与相干光脉冲产生及发射装置相接，第三光纤和第四光纤的末端均连接有啁啾光纤光栅，第三光纤或第四光纤上连接有压电陶瓷光纤相位调制器，第三光纤与第四光纤的长度差为△l且n·△l=c·△t，式中n为光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传播速度，△t为相邻两个脉冲的时间间隔。本实用新型结构简单，设计合理，易于制作，成本低廉，干涉稳定性好，提高了探测效率，降低了暗计数概率，功能完备，适用范围广。

Description

具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置

技术领域

本实用新型属于量子密钥分配技术领域，涉及一种干涉装置，尤其是涉及一种具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置。

背景技术

基于相位编码的量子密钥分配系统具有量子信号调制稳定性好、传输距离长、抗噪声性能高等优点，在量子密码领域有着广泛的应用。目前，基于相位编码的量子密钥分配系统，其干涉装置主要由以下两种方式实现：

（1）非等臂Mach-Zehnder（简称M-Z）干涉仪

基于相位编码的量子密钥分配系统，由于存在外界的干扰（例如温度、压力、噪声等），M-Z干涉仪的两个干涉臂的光纤折射率、光纤长度会发生轻微的变化，从而引起两个臂之间的相位差不固定，并随着外界干扰而随机漂移，从而使得M-Z干涉仪的干涉对比度发生随机变化。这种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，而且还导致安全隐患。

为了克服M-Z干涉仪的干涉不稳定问题，目前主要利用被动相位补偿技术。例如，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：①这种集成干涉仪制作工艺较复杂、价格昂贵；②插入损耗较大，而且损耗与偏振相关；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。④无法补偿由光纤传输过程引入的光信号色散。单模传输光纤的色散会影响光信号在时间上的展宽，从而使得光子到达时间分布范围较大。为了提高探测效率，不得不将APD的接收时间门宽增大，但是，暗计数概率也会随之升高，从而误码率增加。

（2）Faraday-Michelson（简称F-M）干涉仪

F-M干涉仪能够有效地克服振动和噪声引起的干涉不稳定问题，干涉对比度较高。但是存在的缺点是：①F-M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，在实用过程中需要进行温度控制；②无法补偿由光纤传输过程引入的光信号色散。单模传输光纤的色散会影响光信号在时间上的展宽，从而使得光子到达时间分布范围较大。为了提高探测效率，不得不将APD的接收时间门宽增大，但是，暗计数概率也会随之升高，从而误码率增加。

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，提供一种具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其结构简单，设计新颖合理，易于制作，成本低廉，干涉稳定性好，提高了探测效率，降低了暗计数概率，功能完备，适用范围广。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：包括2×2光纤耦合器、连接在2×2光纤耦合器一端且用于并行传输相干光脉冲信号的第一光纤和第二光纤，以及连接在2×2光纤耦合器另一端且用于并行传输相干光脉冲信号的第三光纤和第四光纤，所述第一光纤上连接有光环形器，所述第一光纤通过光环形器与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接，所述第三光纤的末端和所述第四光纤的末端均连接有啁啾光纤光栅，所述第三光纤或第四光纤上连接有压电陶瓷光纤相位调制器，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，所述第三光纤或第四光纤缠绕在压电陶瓷光纤相位调制器的压电陶瓷环上，所述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的正极电压输出端和负极电压输出端相接，所述第三光纤与所述第四光纤的长度差为△l且n·△l=c·△t，式中n为所述第三光纤和第四光纤所采用光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传播速度，△t为所述相干光脉冲信号中相邻两个脉冲的时间间隔。

上述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述光环形器为具有单向输入端口、双向传输端口和单向输出端口的三端口光环形器，所述三端口光环形器的单向输入端口与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接，所述三端口光环形器的双向传输端口与第一光纤相接。

上述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述第四光纤上连接有压电陶瓷光纤相位调制器，所述第四光纤缠绕在压电陶瓷光纤相位调制器的压电陶瓷环上，所述第四光纤的光纤长度大于所述第三光纤的光纤长度。

上述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述2×2光纤耦合器为等分光比2×2光纤耦合器。

上述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述压电陶瓷环为圆柱形。

上述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述第三光纤或第四光纤缠绕且通过环氧树脂胶固定在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、本实用新型通过引入压电陶瓷光纤相位调制器，能够实时扫描、补偿相位，通过引入啁啾光纤光栅，能够对传输线路的光纤色散进行补偿，利用迈克尔逊干涉原理，设计了一种能够实现相位和色散自动补偿的干涉装置，结构简单，设计新颖合理，易于制作，成本低廉。

2、本实用新型的干涉稳定性好，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、本实用新型利用啁啾光纤光栅自动补偿传输线路导致的光信号时间展宽，从而提高了探测效率，降低了暗计数概率。

4、本实用新型完全可以克服温度、压力、振动等引起的干涉不稳定问题，无需进行温度控制。

5、本实用新型的功能完备，能够实现光脉冲信号的色散补偿和相位补偿，适用范围广，尤其能有效适用至基于相位编码的量子密钥分配系统。

综上所述，本实用新型结构简单，设计新颖合理，易于制作，成本低廉，干涉稳定性好，提高了探测效率，降低了暗计数概率，功能完备，适用范围广。

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:

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括2×2光纤耦合器1、连接在2×2光纤耦合器1一端且用于并行传输相干光脉冲信号的第一光纤2-1和第二光纤2-2，以及连接在2×2光纤耦合器1另一端且用于并行传输相干光脉冲信号的第三光纤3-1和第四光纤3-2，所述第一光纤2-1上连接有光环形器4，所述第一光纤2-1通过光环形器4与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接，所述第三光纤3-1的末端和所述第四光纤3-2的末端均连接有啁啾光纤光栅9，所述第三光纤3-1或第四光纤3-2上连接有压电陶瓷光纤相位调制器5，所述压电陶瓷光纤相位调制器5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，所述第三光纤3-1或第四光纤3-2缠绕在压电陶瓷光纤相位调制器5的压电陶瓷环上，所述压电陶瓷光纤相位调制器5由受控电压源6进行控制且其上所焊接的两个电极分别与受控电压源6的正极电压输出端和负极电压输出端相接，所述第三光纤3-1与所述第四光纤3-2的长度差为△l且n·△l=c·△t，式中n为所述第三光纤3-1和第四光纤3-2所采用光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传播速度，△t为所述相干光脉冲信号中相邻两个脉冲的时间间隔。

本实施例中，所述光环形器4为具有单向输入端口、双向传输端口和单向输出端口的三端口光环形器4，所述三端口光环形器4的单向输入端口与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接，所述三端口光环形器4的双向传输端口与第一光纤2-1相接。所述第四光纤3-2上连接有压电陶瓷光纤相位调制器5，所述第四光纤3-2缠绕在压电陶瓷光纤相位调制器5的压电陶瓷环上，所述第四光纤3-2的光纤长度大于所述第三光纤3-1的光纤长度。所述2×2光纤耦合器1为等分光比2×2光纤耦合器。所述压电陶瓷环为圆柱形。所述第三光纤3-1或第四光纤3-2缠绕且通过环氧树脂胶固定在压电陶瓷光纤相位调制器5的压电陶瓷环上。

本实施例中，所述三端口光环形器4的单向输出端口为干涉装置的第一输出端口且与第一单光子探测器7-1相接，所述第二光纤2-2为干涉装置的第二输出端口且与第二单光子探测器7-2相接。

结合图2，将本实用新型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处连续相干光的相干光源8-1、对相干光源8-1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8-2、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8-3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受同的衰减器8-4。所述衰减器8-4通过光纤与本实用新型相接，具体是与所述三端口光环形器4的单向输入端口相接。

实际加工制作压电陶瓷光纤相位调制器5时，具体是首先将所述第四光纤3-2精密地环绕在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的第四光纤3-2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。这种压电陶瓷相位调制器具有插入损耗低，相位调制偏振无关的特点。实际使用时，即可通过所述压电陶瓷相位调制器对干涉装置的相位进行实时补偿。

本实用新型相位补偿的工作原理是：

本实用新型所述干涉装置的两个干涉臂的末端均连接了一个啁啾光纤光栅9，在其中的一个干涉臂上连接了一个压电陶瓷光纤相位调制器5，即PZT；两个干涉臂的光纤长度差为△l且其与所述相干光脉冲信号中连续两个脉冲的时间间隔△t满足下列对应关系：n·△l=c·△t；即由第三光纤3-1和连接在其末端的啁啾光纤光栅9构成了第一干涉臂L1，由第四光纤3-2、连接在第四光纤3-2上的压电陶瓷光纤相位调制器5和连接在第四光纤3-2末端的啁啾光纤光栅9构成了第二干涉臂L2。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△t一般约为纳秒数量级，架设到达干涉装置接收端（Bob）的两个相邻微弱激光脉冲分别为：

$\begin{array}{c}{E}_1=A_1{e}^{{\mathrm{i\φ}}_1}\\ E_2=A_2{e}^{{\mathrm{i\φ}}_2}\end{array}---\left(1\right)$

式（1）中，到达干涉装置接收端（Bob）的两个相邻微弱激光脉冲的归一化幅值，φ₁，φ₂分别为到达干涉装置接收端（Bob）的两个相邻微弱激光脉冲的位相。由于相邻两个脉冲从发射端（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，并且上述两个相邻脉冲在传输线路（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|恒定，依然等于0或π，因此光信号到达干涉装置前，相位差不会受到外界环境对光纤的干扰。

当上述两个相邻脉冲到达干涉装置时，第一个脉冲记为p₁，第二个脉冲记为p₂；这两个脉冲经过2×2光纤耦合器1后，每个脉冲分别被一分为二，此时四个脉冲分别记为p₁₁，p₁₂，p₂₁，p₂₂，其中p₁₁和p₂₁两个脉冲经过第一干涉臂L1，p₁₂和p₂₂两个脉冲经过第二干涉臂L2，第一干涉臂L1末端和第二干涉臂L2末端的啁啾光纤光栅9对脉冲进行反射。根据两干涉臂的光纤长度差为△l与相邻两个脉冲的时间差关系式n·△l=c·△t可知，p₁₂和p₂₁两个脉冲将同时到达2×2光纤耦合器1而发生干涉，干涉结果根据相位差Δφ=|φ₁-φ₂|决定，干涉后从其中一个输出端口输出的光强可表示为：

式（2）中，θ是发生干涉的两个脉冲分别经过第一干涉臂L1和第二干涉臂L2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为前后两个脉冲被发射端（Alice）调制的相位差，为通过压电陶瓷光纤相位调制器5补偿的相位。根据式（2），就可以调节压电陶瓷光纤相位调制器5的电压，即改变

的大小进行实时补偿，当时，n为整数，即：

$I=\frac{1}{4}{A}^2{[\cos \left(\mathrm{\Δ\φ}\right)+1]}^2---\left(3\right)$

因此，相邻两个脉冲干涉结果完全依赖于发射时调制的相位差Δφ，此时发射端（Alice）和接收端（Bob）根据量子密钥分配协议，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。在实验中观测发现：温度、压力、噪声等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15o,由此引起的误码率与漂移的相位的关系为：

。因此，15o相位漂移带来的误码不超过2％。若利用压电陶瓷光纤相位调制器5进行一次相位补偿的时间只需要数秒钟就能够完成。再结合式（3）可以看出，利用压电陶瓷光纤相位调制器5进行相位实时补偿，完全可以克服温度、压力、振动等引起的干涉不稳定问题。

本实用新型色散补偿的工作原理是：

在单模光纤中，色度色散是脉冲展宽的主要原因。例如，标准单模光纤在1550nm处的色散系数约为17ps/nm.km，典型的窄线宽激光器光谱线宽约为10nm。对于脉冲时间宽度为50ps的准高斯脉冲，当传输距离为100km时，脉冲时间宽度为17ns。

在量子密钥分配系统中，通常使用微弱激光脉冲作为单光子源，以雪崩光电二极管为单光子探测器。由于光纤色散的存在，光子到达单光子探测器的时间范围较大。然而，雪崩光电二极管通常工作在门控模式下，为了提高探测效率，需要将单光子探测器的时间门宽增大，但是，探测时间门宽的增大会导致暗计数概率的增加，从而使得系统的误码率升高，密钥的安全性降低。

例如，目前单光子探测器的门宽要求小于5ns，在光纤色散的影响下，若传输100km，脉冲时间宽度为50ps时，要求脉冲的线宽小于3nm，从而造成昂贵的成本。因此，为了降低系统成本，降低单光子探测器的暗计数概率、提高探测效率，需要利用色散补偿器对到达单光子探测器的微弱激光脉冲的幅值进行压缩，从而缩小光子的到达时间范围，有效提高探测效率，降低暗计数概率。

假设入射光脉冲为高斯脉冲，脉冲宽度为τ₀，则其归一化振幅为：

$A(0,t)=\exp \{-4\ln [2{\left(\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_0}\right)}^2\left]\right\}---\left(4\right)$

经过长度为l的传输光纤后，脉冲宽度为τ₁为：

${\mathrm{\τ}}_1={\mathrm{\τ}}_0\sqrt{1+{\left[\frac{4\ln \left({2\mathrm{\β}}_{2}l\right)}{{\mathrm{\τ}}_0^2}\right]}^2}---\left(5\right)$

若利用啁啾光纤光栅9对色散进行补偿，其脉冲宽度为：

因此，可以根据实际量子密钥分配的传输性能参数，选用参数匹配的啁啾光纤光栅9进行色散补偿，在理想补偿的情况下，即当

时，τ₂=τ₀，此时，传输线路引入的色散可以得到了完全自动补偿。

综上所述，在相位差分量子密钥分配过程中，发射端（Alice）的相干光源8-1发出的是连续相干光，连续相干光通过强度调制器8-2后变为相干光脉冲，上述光脉冲再通过相位调制器8-3后，其相位被0或π随机调，最后利用衰减器8-4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（Bob）利用本实用新型所述干涉装置对相邻两个脉冲的相位差进行解码。其中，本实用新型所述干涉装置的两臂光程差n·Δl应与连续两个脉冲的时间间隔Δt之间满足n·Δl=c·Δt的关系，n为光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传播速度。

根据式（3），相邻两个携带信息的脉冲在接收端（Bob）发生干涉时，其相位差决定光子选择不同的输出端口到达第一单光子探测器7-1（即D1）或第二单光子探测器7-2（即D2）。接收端（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发射的两个相邻脉冲的相位差Δφ=φ₁-φ₂为0时，那么接收端的D1应该响应；若Alice发射的两个相邻脉冲的相位差Δφ=φ₁-φ₂为π时，那么接收端的D2应该响应。接收端（Bob）根据本实用新型所述干涉装置的干涉情况探测光子，当D1响应而D2不响应，记为为“0”；当D2响应而D1不响应，记为为“1”；当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的单光子探测器响应情况。

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）扫描本实用新型后后进行补偿：发射端（Alice）保持相邻两个脉冲的相位差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5的相位，让其从0o到360o每次步进5o，每次步进后相位

持续一固定时间（例如约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0o到360o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_min，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5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8-3，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所述干涉仪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）保持相邻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 (6)

1.一种具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：包括2×2光纤耦合器（1）、连接在2×2光纤耦合器（1）一端且用于并行传输相干光脉冲信号的第一光纤（2-1）和第二光纤（2-2），以及连接在2×2光纤耦合器（1）另一端且用于并行传输相干光脉冲信号的第三光纤（3-1）和第四光纤（3-2），所述第一光纤（2-1）上连接有光环形器（4），所述第一光纤（2-1）通过光环形器（4）与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接，所述第三光纤（3-1）的末端和所述第四光纤（3-2）的末端均连接有啁啾光纤光栅（9），所述第三光纤（3-1）或第四光纤（3-2）上连接有压电陶瓷光纤相位调制器（5），所述压电陶瓷光纤相位调制器（5）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，所述第三光纤（3-1）或第四光纤（3-2）缠绕在压电陶瓷光纤相位调制器（5）的压电陶瓷环上，所述压电陶瓷光纤相位调制器（5）由受控电压源（6）进行控制且其上所焊接的两个电极分别与受控电压源（6）的正极电压输出端和负极电压输出端相接，所述第三光纤（3-1）与所述第四光纤（3-2）的长度差为△l且n·△l=c·△t，式中n为所述第三光纤（3-1）和第四光纤（3-2）所采用光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传播速度，△t为所述相干光脉冲信号中相邻两个脉冲的时间间隔。

2.按照权利要求1所述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述光环形器（4）为具有单向输入端口、双向传输端口和单向输出端口的三端口光环形器（4），所述三端口光环形器（4）的单向输入端口与相干光脉冲产生及发射装置的信号输出端相接，所述三端口光环形器（4）的双向传输端口与第一光纤（2-1）相接。

3.按照权利要求1或2所述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述第四光纤（3-2）上连接有压电陶瓷光纤相位调制器（5），所述第四光纤（3-2）缠绕在压电陶瓷光纤相位调制器（5）的压电陶瓷环上，所述第四光纤（3-2）的光纤长度大于所述第三光纤（3-1）的光纤长度。

4.按照权利要求1或2所述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述2×2光纤耦合器（1）为等分光比2×2光纤耦合器。

5.按照权利要求1或2所述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述压电陶瓷环为圆柱形。

6.按照权利要求1或2所述的具有光信号色散补偿和相位补偿功能的干涉装置，其特征在于：所述第三光纤（3-1）或第四光纤（3-2）缠绕且通过环氧树脂胶固定在压电陶瓷光纤相位调制器（5）的压电陶瓷环上。

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