CN206865471U - 时间相位编码的量子密钥分发系统及其组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种时间相位编码的量子密钥分发系统及其组件，其中对脉冲光源的结构作了进一步改进，使其能够更为高效地用于进行相位和时间相位的编码和解码。

Description

时间相位编码的量子密钥分发系统及其组件

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信技术领域，具体涉及基于时间相位编码的量子密钥分发系统及其光源、编码装置、解码装置的简化或优化。

背景技术

通信技术作为当代社会不可或缺的关键技术，其发展迅猛，日新月异。量子保密通信就是通信技术领域中极有应用前景的新兴技术。作为量子力学、现代通信和现代密码学的结晶，量子保密通信相较于经典通信方式有无可比拟的安全性优势。量子密钥分发就是量子保密通信所涵盖的诸多细分领域中，最为常用且最易推广的一个方向。量子密钥分发基于量子力学的基本原理，利用“一次一密”的方式对信息进行加密，从原理上保证了保密通信的不可破译的特性，这对保密性要求较高的国防单位、金融机构、政府部门，乃至高速发展的互联网金融都是开创性的一大进步。

自从1984年诞生以来，作为第一套量子密钥分发协议，BB84协议就日益发展，目前已经成为世界上应用最广泛，技术最成熟，综合效果最好的一套量子密钥分发协议。BB84协议基于四态编码，利用偏振或者相位的方式，对信息进行编码，将经过偏振或者相位编码的光子在量子信道中进行传输，再通过一套由波片、分束器、光电管、相应电路等器件组成的简单的解码装置对信息进行解码。其结构简单，系统技术要求不高，易于维护和大规模生产，工艺成熟，在成码率、成码距离上，相比其他协议有着无可比拟的优势。

结合诱骗态方案的BB84协议能很好地解决非理想单光子源安全隐患，是目前应用最广泛和实用化程度最高的方案。其BB84编码方案 中主要采用偏振编码、相位编码和时间比特-相位编码等编码方式。对于偏振编码，其优势为成本低廉且结构简单，而其劣势为偏振系统容易受到光纤偏振扰动的影响，直接影响其误码率，由此而导致的对偏振的补偿措施，造成了时间上的浪费以致成码率降低或者不稳定。

相比于偏振编码，采用相位编码方式的方案通过不等臂干涉仪制备光脉冲，利用前后光脉冲的相位差作为信息载体，而光纤的偏振变化对相位差的影响较小，因此偏振变化不会造成误码率上升，有利于远距离传输或在有强烈外界干扰的环境使用。其劣势为传统相位系统的接收端插损很大，导致成码率以及最远成码距离低于偏振系统。

在上述背景下发展出的时间比特-相位编码方式，采用了2个基矢来编码，即时间基矢和相位基矢。

图1示出了一种用于实现时间比特-相位编码的编码装置。如图1中所示，光源输出的激光脉冲经不等臂MZ干涉仪产生两个时间上分离的脉冲分量，这两个脉冲分量先后进入等臂干涉仪中。等臂干涉仪中包括两个相位调制器(PM)，通过调节这两个相位调制器的相对相位差可以获得不同的干涉输出光强和相位结果，而且对于不同时间到达的脉冲分量，通过切换调制电压值可以调制出不同的光强和相位结果。图1中的编码装置能够进行3种基矢的编码。例如，等臂干涉仪的相位差为0、π时对应输出为消光和有光结果，此时为Z基矢编码；相位差为π/2、-π/2时都输出脉冲，脉冲之间的相位差则决定是X基矢编码或Y基矢编码。

图2示出了另一种用于实现时间比特-相位编码的编码装置。如图2所示，光源输出的激光脉冲经不等臂MZ干涉仪产生两个时间上分离的脉冲分量。为了获得X和Y基矢下的相位编码，通过相位调制器在两个脉冲分量之间加载四种相位0、π、π/2和3π/2.为了获得Z基矢下的时间比特编码，通过强度调制器(IM)对前或后脉冲分量分别调制，控制通过或消光，保留前一个或者后一个脉冲分量以得到时间态|t₀>或|t₁>。如果是X或Y基矢编码，则强度调制器对两个脉冲 分量均通光1/2。由于强度调制器可以看做是一个等臂干涉仪，因此，图1和图2的编码装置在编码原理上是一致的。

由此可见，在已知的用于实现时间比特-相位编码的编码装置中均需要基于等臂干涉仪原理的元件参与到编码过程中，其时间和相位基矢的稳定性、成码率及成码率的稳定性均要依赖于这种等臂干涉仪元件的稳定性。然而，光纤搭建的等臂干涉仪由于相位变化会受到环境温度、应力、震动等各种影响，无法保证其干涉结果的稳定性，从而导致诸如Z基矢和X基矢的不稳定性和消光比不佳等问题。因此，已知的用于时间比特-相位编码的编码装置在基矢稳定性、成码率及其稳定性方面存在不足，特别在恶劣的编码环境下需要频繁的强度反馈用于稳定时间编码，或相位反馈用于稳定相位编码，而这也导致需要引入其他反馈装置和结构，会增加系统的成本，信息传输效果不佳，因此实用范围有所限制。

目前的可同时用于时间编码和相位编码的编码装置存在编码不稳定、消光比不佳的问题，这直接导致最终的通信传输效率低下，传输距离有限。而现有的诸多相关文献也未能对此问题提出很好的解决方法，即使简化了结构或是改进了编码方案，优化了整体通信系统，在一定程度上提升了最终的通信效果，但是治标不治本，对于上述问题仍然如鲠在喉，受制于此。

例如东芝公司曾经提出过在量子通信系统中采用脉冲注入锁定技术来实现脉冲光源的方案。这种基于脉冲注入锁定技术的光源方案可以使得光脉冲光谱性能更好，能提高编码态的干涉性能，最终提高成码性能。然而，在东芝公司所公开的方案中，其采用的是偏振编码方式，这种编码方式会受到传输过程中光纤的偏振变化影响，需要通过偏振反馈来补偿偏差。此外，在这种基于脉冲注入锁定技术的脉冲光源方案中，光源输出的仍然是相位随机的光脉冲，其改进之处仅在于提高了光脉冲的光谱性能，减小了光脉冲的时间抖动(t ime j i t ter)现象，使得最终的干涉效果得到增强。这种光源方案不能解决上面提及的用于时间比特-相位编码的编码装置中的不足，只是在一定程度 上使得光脉冲干涉效果增强，对整体通信系统效能的提升仍然有限。

本申请人的待审未公开的在先申请(CN201611217678.0，其将以参考的方式全文并入本文中，并在下文中称作“在先申请”)提出了一种将注入锁定技术与激光器内调技术有机结合形成的脉冲光源结构，参见图3A-3D。借助这种光源结构，既能够提供具有高且稳定的消光比的时间态(Z基矢)，又能够提供两个时间和相位关系固定而非随机的脉冲以用于相位编码(X基矢)，从而能够更好地满足时间相位编码的需求。

然而，本申请人发现，在先申请的脉冲光源结构中的光学元件数量较多，其光路结构仍显复杂，从制造及维护成本来看仍然存在一定的改进需求。此外，本申请人进一步研究发现，在先申请的脉冲光源结构所提供的相位基矢下的两个脉冲具有一致的偏振方向，相应地在相位编码或者时间相位编码的接收端(其包括不等臂干涉仪)中，会因为存在非干涉成分(前一个分量走短臂和后一个分量走长臂的情况)而造成50％的能量损耗，从而导致采用这种脉冲光源的编码装置的效率不高。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种特别适合相位编码和时间相位编码且结构更为简化的脉冲光源；同时，在本实用新型中还对脉冲光源的结构作了进一步改进，使其能够更为高效地用于进行相位和时间相位的编码和解码。

本实用新型的第一方面公开了一种可同时用于时间编码和相位编码的光源。该光源可以包括主激光器，其在一个系统周期内基于主驱动信号源提供的主驱动信号的驱动输出一个主激光器脉冲，以用于形成种子光；从激光器，其基于从驱动信号源提供的从驱动信号的驱动在所述种子光的激励下以注入锁定的方式输出从激光器脉冲，用于编码信号光脉冲；所述从驱动信号包括第一、第二和第三从驱动信号，且在一个系统周期内，所述第一、第二和第三从驱动信号中的一个被 随机地输出以驱动所述从激光器。其中，在一个系统周期内，所述从激光器在所述第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且所述第一从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的；在一个系统周期内，所述从激光器在所述第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且所述第二从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的；以及在一个系统周期内，所述从激光器在所述第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且所述两个第三从激光器脉冲是分别源于一个所述主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的。

本实用新型的第一方面的光源还可以包括光学传输元件和分束元件，且所述从激光器包括第一从激光器和第二从激光器。其中，所述光学传输元件可以被设置成将所述主激光器脉冲传输至所述分束元件。所述分束元件可以被设置成将所述主激光器脉冲分束形成分别用于所述第一从激光器和所述第二从激光器的所述主激光器脉冲的所述脉冲部分，以及将所述从激光器脉冲合成一路输出。以及，所述光学传输元件还可以被设置成将所述分束元件输出的所述从激光器脉冲向外输出，从而提供光源的输出光脉冲。

进一步地，所述主激光器与所述从激光器之间的相对延时可以被设置成使得，在一个系统周期内，所述主激光器脉冲被所述分束元件分成的所述两个脉冲部分在被注入到所述从激光器中时能够分别在不同的时间位置上覆盖所述第三从激光器脉冲中的一个。

进一步地，在所述从激光器与所述分束元件之间还可以设有可调的时间延时元件。

优选地，所述第一时间位置可以与所述第三时间位置相同，且所述第二时间位置可以与所述第四时间位置相同。

进一步地，所述分束元件可以为分束器。

进一步地，所述分束元件可以为偏振分束器，从而使得该光源输出的光脉冲可以用于进行高效地编解码。

更进一步地，所述光学传输元件可以为分束器，从而使得该光源能够更方便地在光芯片中实现。

可选地，所述光学传输元件可以为环形器。

本实用新型的第二方面公开了一种可同时用于时间编码和相位编码的光源。该光源可以包括主激光器，其在一个系统周期内基于主驱动信号源提供的主驱动信号的驱动输出一个主激光器脉冲，以用于形成种子光；从激光器，其基于从驱动信号源提供的从驱动信号的驱动在所述种子光的激励下以注入锁定的方式输出从激光器脉冲，用于编码信号光脉冲；所述从驱动信号包括第一、第二和第三从驱动信号，且在一个系统周期内，所述第一、第二和第三从驱动信号中的一个被随机地输出以驱动所述从激光器。其中，在一个系统周期内，所述从激光器在所述第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且所述第一从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的。在一个系统周期内，所述从激光器在所述第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且所述第二从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的。以及在一个系统周期内，所述从激光器在所述第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且所述两个第三从激光器脉冲是分别源于一个所述主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的。

在本实用新型的第二方面的光源中，所述从激光器可以包括第一从激光器和第二从激光器，且所述主激光器通过分束器连接所述第一从激光器和所述第二从激光器。其中，所述分束器可以包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，并且被设置成，将在所述第三端口接收的所述主激光器脉冲分束以分别在所述第一端口和所述第二端口形成输出用于所述第一从激光器和所述第二从激光器的所述主激光器脉冲的所述脉冲部分，以及在所述第四端口将在所述第一端口和所述第二端口接收的所述从激光器脉冲合成一路向外输出，从而提供光源的输出光脉冲。

进一步地，所述主激光器与所述从激光器之间的相对延时可以被设置成使得，在一个系统周期内，所述主激光器脉冲被所述分束器分成的所述两个脉冲部分在被注入到所述从激光器中时能够分别在不同的时间位置上覆盖所述第三从激光器脉冲中的一个。

进一步地，在所述从激光器与所述分束器之间还可以设有可调的时间延时元件。

优选地，所述第一时间位置可以与所述第三时间位置相同，且所述第二时间位置可以与所述第四时间位置相同。

本实用新型的第三方面公开了一种可同时用于时间编码和相位编码的光源。该光源可以包括主激光器，其在一个系统周期内基于主驱动信号源提供的主驱动信号的驱动输出一个主激光器脉冲，以用于形成种子光；从激光器，其基于从驱动信号源提供的从驱动信号的驱动在所述种子光的激励下以注入锁定的方式输出从激光器脉冲，用于编码信号光脉冲；所述从驱动信号包括第一、第二和第三从驱动信号，且在一个系统周期内，所述第一、第二和第三从驱动信号中的一个被随机地输出以驱动所述从激光器；其中，在一个系统周期内，所述从激光器在所述第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且所述第一从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的；在一个系统周期内，所述从激光器在所述第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且所述第二从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的；以及在一个系统周期内，所述从激光器在所述第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且所述两个第三从激光器脉冲是分别源于一个所述主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的。

本实用新型的第三方面的光源还可以包括分束器、第一光学传输元件、第二光学传输元件和偏振分束器，且所述从激光器包括第一从激光器和第二从激光器。其中，所述主激光器经所述分束器分别通过所述第一光学传输元件和所述第二光学传输元件连接所述第一从激 光器和所述第二从激光器，其中所述分束器用于将所述主激光器脉冲分成两个所述主激光器脉冲的所述脉冲部分；并且，所述第一从激光器和所述第二从激光器输出的所述从激光器脉冲分别通过所述第一光学传输元件和所述第二光学传输元件被传输至所述偏振分束器的不同端口；以及所述偏振分束器被设置成将所述第一从激光器和所述第二从激光器输出的所述从激光器脉冲合成一路向外输出，从而提供光源的输出光脉冲。

进一步地，所述主激光器与所述从激光器之间的相对延时可以被设置成使得，在一个系统周期内，所述主激光器脉冲被所述分束器分成的所述两个脉冲部分在被注入到所述从激光器中时能够分别在不同的时间位置上覆盖所述第三从激光器脉冲中的一个。

进一步地，在所述从激光器与所述分束器之间还可以设有可调的时间延时元件。

优选地，所述第一时间位置可以与所述第三时间位置相同，所述第二时间位置与所述第四时间位置相同。

本实用新型的第四方面还公开了一种可同时进行时间编码和相位编码的编码装置，其可以包括如上所述的光源中的任何一个。

进一步地，本实用新型的编码装置还可以进一步包括相位调制器和/或强度调制器，其中所述相位调制器用于调制所述连续两个第三从激光器脉冲之间的相位差，所述强度调制器用于调制所述第一从激光器脉冲、第二从激光器脉冲、第三从激光器脉冲之间的相对光强。

本实用新型的第五方面还公开了一种可用于时间相位编码方案的解码装置，其可以适合用于对上述编码装置发送的时间相位编码进行解码。本实用新型的解码装置可以包括基矢选择单元、时间基矢解码单元和相位基矢解码单元，其中，所述基矢选择单元被设置成根据预设概率将接收的基矢脉冲输入至所述时间基矢解码单元和所述相位基矢解码单元中的一个。

进一步地，所述相位基矢解码单元可以包括不等臂干涉仪。

更进一步地，所述不等臂干涉仪可以为PBS-BS型的MZ干涉仪， 其包括偏振分束器、分束器及介于两者之间的长臂和短臂。为了实现对偏振方向彼此垂直的相位基矢下的两个脉冲进行高效解码，所述偏振分束器可以被设置成使相位基矢下的连续两个脉冲中的前一个脉冲沿所述长臂传输，后一个脉冲沿所述短臂传输。

本实用新型的第六方面还公开了一种基于时间相位编码的量子密钥分发系统，其可以包括如上所述的光源中的任何一个或者上述解码装置中的任何一个。

附图说明

图1示意性示出了现有技术的用于时间比特-相位编码的编码装置；

图2示意性示出了现有技术的用于时间比特-相位编码的另一编码装置；

图3A-3D示意性示出了先申请中的脉冲光源结构；

图4A示意性示出了本实用新型第一实施例的光源及编码装置；

图4B示意性示出了本实用新型第一实施例的光源中光脉冲的形成过程；

图5示意性示出了本实用新型第二实施例的光源及编码装置；

图6示意性示出了本实用新型第三实施例的光源及编码装置；以及

图7示意性示出了本实用新型的解码装置。

具体实施方式

在下文中，本实用新型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，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。

根据本实用新型，光源可以包括：主激光器，其在主驱动信号源提供的主驱动信号驱动下输出主激光器脉冲，以用于形成种子光；以 及从激光器，其在从驱动信号源提供的从驱动信号驱动下输出从激光器脉冲，以用于进行编码。从驱动信号可以包括第一、第二和第三从驱动信号，且从驱动信号源可以随机地输出第一、第二和第三从驱动信号中的一个。在一个系统周期内，从激光器在第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且第一从激光器脉冲是源于一个主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的。在一个系统周期内，从激光器在第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且第二从激光器是源于一个主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的。在一个系统周期内，从激光器在第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且这两个第三从激光器脉冲是分别源于一个主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的。由于用于激励这两个第三从激光器脉冲的种子光是源自同一个主激光器脉冲的两个脉冲部分，两个种子光之间可以形成固定的相位关系，因此在注入锁定的发光机制下，由同一个主激光器脉冲的两个脉冲部分构成的这两个种子光激励产生的连续两个第三从激光器脉冲之间也将形成固定而非随机的相位关系。

在本文中，诸如第一、第二、第三或第四时间位置等时间位置可以被用于指示一个系统周期内的相对时间位置。

本实用新型的光源特别适合用于时间比特-相位编码，其中，第一和第二从激光器脉冲可以用于Z基矢下的编码，即时间编码；连续两个第三从激光器脉冲可以用于X基矢下的编码，即相位编码。换言之，当进行Z基矢编码时，从驱动信号源可以输出第一、第二从驱动信号中的一个，以使从激光器基于一个主激光器脉冲的激励输出一个具有固定时间特征(例如时间上在前或者在后)的从激光器脉冲，用于时间编码；当进行X基矢编码时，从驱动信号源可以输出第三从驱动信号，以使从激光器基于一个主激光器脉冲输出连续两个具有稳定时间和相位关系的从激光器脉冲，以满足相位编码之需。

优选地，第一、第二从激光器脉冲可以被设置成具有相同的强度，而连续两个第三从激光器脉冲的每一个的强度可以被设置成是第一 和第二从激光器脉冲的一半。第一时间位置可以与第三时间位置相同。第二时间位置可以与第四时间位置相同。

本领域技术人员容易认识到，从驱动信号可以不限于第一、第二和第三从驱动信号，而是还可以有其他从驱动信号。相应地，在一个主激光器脉冲的激励下，从激光器的输出可以不限于第一、第二和第三从激光器脉冲，而是还可以在其他时间位置上输出唯一一个从激光器脉冲，或者输出更多个连续的具有稳定时间和相位关系的从激光器脉冲。

为了更好地理解本实用新型的原理，以在时间比特-相位编码方案中的应用为例，图4-6示出了本实用新型的光源的几个具体实施方式。在这些具体实施方式中，出于说明性的目的，仅以从驱动信号源输出第一、第二和第三从驱动信号，且第一、第三时间位置相同及第二、第四时间位置相同为例。然而，本领域技术人员能够认识到，这些具体实施方式仅是示例性的，并不期望将本实用新型限制为这些具体实施方式。

<实施例一>

图4A中示出了根据本实用新型的脉冲光源的第一示例性实施例，该脉冲光源可以包括一个主激光器10、两个从激光器11和12、光学传输元件13和分束元件14。第一光学传输元件13可以包括三个端口1-3，且被设置成：从端口1进入的光可以从端口2离开，从端口2进入的光可以从端口3离开。分束元件14可以包括三个端口1-3，且被设置成从端口3进入的光可以分别从端口1和端口2输出分成两束光。

如图4A所示，主激光器10连接光学传输元件13的端口1，光学传输元件13的端口2连接分束元件14的端口3，光学传输元件13的端口3作为光源的输出端口。分束元件14的端口1和端口2分别连接第一从激光器11和第二从激光器12。第一从激光器11到分束元件14的光程与第二从激光器12到分束元件14的光程可以设置成不 同。

第一光学传输元件13可以为环形器或分束器；分束元件14可以为分束器或偏振分束器。

在该实施例中，主激光器脉冲依次经光学传输元件13的端口1和端口2到达分束元件14的端口3，并且经分束元件14分光后形成两个主激光器脉冲部分。这两个主激光器脉冲部分分别经分束元件14的端口1和端口2在不同的时间位置注入到第一从激光器11和第二从激光器12中，以用作种子光。第一从激光器11输出的从激光器脉冲经分束元件14的端口1和端口3达到光学传输元件13的端口2，最终从光学传输元件13的端口3输出。第二从激光器12输出的从激光器脉冲经分束元件14的端口2和端口3到达光学传输元件13的端口2，并最终从光学传输元件13的端口3输出。

结合图4B可以更清楚地理解，在本实施例中，主激光器脉冲将经过分束元件14分成两个脉冲部分，这两个脉冲部分经不同光路分别注入到相应的从激光器中。通过调节主、从激光器的相对延时，使得在一个系统周期内，主激光器脉冲的这两个脉冲部分中的一个能够在第一(第三)时间位置上覆盖第一从激光器11中的一个从激光器脉冲，另一个能够在第二(第四)时间位置上覆盖第二从激光器12中的一个从激光器脉冲，从而分别作为种子光通过注入锁定的方式在预定的时间位置上从相应的从激光器中激励产生一个从激光器脉冲。第一从激光器输出的一个从激光器脉冲和第二从激光器输出的一个从激光器脉冲最终在光学传输元件13处耦合成一路输出，提供光源的输出脉冲。

该实施例中，主激光器的工作频率可以为系统频率，且从激光器的工作频率可以与主激光器相同；此外，仅要求主激光器脉冲的宽度大于或等于一个从激光器脉冲的宽度，而无需主激光器脉冲的宽度能够覆盖X基矢下的连续两个从激光器脉冲，因此对主激光器性能的要求较低。

当要进行Z基矢编码时，在一个系统周期内，由从驱动信号源随 机输出第一和第二从驱动信号中的一个，以驱动第一或第二从激光器，使得相应地在第一时间位置或者第二时间位置上，第一或第二从激光器在注入的主激光器脉冲部分的激励下以注入锁定的方式生成一个第一从激光器脉冲或者一个第二从激光器脉冲。因此，第一或第二从激光器脉冲的输出时间分别对应于第一或第二时间位置。因此，具有各自不同的输出时间特征的第一和第二从激光器脉冲可以直接被用于代表不同的时间编码，例如当光源在一个系统周期内只输出第一从激光器脉冲时，第一从激光器脉冲可以被用来表示在第一时间位置上通光且第二时间位置上消光的现象，即可以被用于代表时间编码1；当光源在一个系统周期内只输出第二从激光器脉冲时，第二从激光器脉冲可以被用来表示在第一时间位置上消光且第二时间位置上通光的现象，即可以被用于代表时间编码0；反之亦然。

当要进行X基矢编码时，在一个系统周期内，从驱动信号源输出第三从驱动信号，使得第一从激光器在第三时间位置上在注入的主激光器脉冲部分的激励下生成一个第三从激光器脉冲，以及第二从激光器在第四时间位置上在注入的主激光器脉冲部分的激励下生成一个第三从激光器脉冲，两个第三从激光器脉冲在光学传输元件处耦合成一路输出，从而提供连续两个具有预定时间间隔的脉冲。由于在一个系统周期内，分别注入两个从激光器的种子光是由一个主激光器脉冲经分束器分而成的两个脉冲部分，因此这两个种子光具有完全相同的波长特性和固定的相位关系，相应地，光源最终输出的连续两个第三从激光器脉冲之间也存在固定的相位关系。

在本实施例中，由于两个种子光是由同一个主激光器脉冲经由分束元件分成的，它们将具有完全相同的波长特性。相应地，光源在X基矢下输出的两个连续第三从激光器脉冲的波长一致性更佳，从而可以提高编解码应用中X基矢的解码的干涉对比度，降低X基矢的解码误码率。

两个从激光器与分束元件之间的光程的不同可以采用各种方式来实现，例如通过不同的光纤长度来实现，或者在其中一个或两个光 路上设置延迟元件(例如电可调延时器)来实现。优选地，可以采用设置延迟元件的方式，由此来满足不同的解码装置可能具有不同的时间间隔要求，这种时间间隔的可调节性使得光源能够灵活地应用于与各种解码装置对应的编码装置。

图3D(即在先申请的图6)对应的光源同样采用了一个主激光器和两个从激光器的结构，但是很容易注意到，在该光源结构中需要使用两个光学传输元件和两个分束元件，而在本实施例所公开的光源结构中，只需使用一个光学传输元件和一个分束元件，其光学元件数量相比减小了一半，光路结构相比有了很大的简化，很大程度上降低光源的复杂性及制造维护成本。并且，在选择分束器作为光学传输元件13的情况下，整个光源结构能够非常方便地实现为光芯片的形式，有利于光源集成化设计。

进一步地，分束元件14可以优选采用偏振分束器(PBS)的形式。下面将以举例的方式来说明这种选择下，本实用新型的光源结构的性能。假设PBS14的偏振方向为HV方向，经光学传输元件13的端口2到达PBS14的端口3的主激光器脉冲的光偏振方向为|+>。本领域技术人员能够意识到，PBS14的偏振方向和到达PBS14的端口3的光的偏振方向不限于此，两者的偏振方向只需要输入PBS的光可以在PBS上提供两路输出。优选地，在PBS上的这两路输出可以具有相同的光强。

分别从PBS14的端口1和2输出的主激光器脉冲部分的光偏振方向分别为|V>和|H>。|V>和|H>光分别通过保偏光路注入到从激光器11和12。从激光器11和12在上述主激光器脉冲部分的注入激发下输出的第一从激光器脉冲和第二从激光器脉冲的光偏振方向将相应为|V>和|H>，具有这种偏振方向的第一和第二从激光器脉冲将从PBS14的端口3输出。经PBS14耦合后再作为光源输出从光学传输元件13的端口3输出的两个从激光器脉冲的偏振方向相互垂直，即分别为|V>和|H>。具有这种偏振方向彼此垂直关系的X基矢下的两个脉冲将能够避免分束元件14采用分束器(BS)的方案中存在的因非干涉成分 造成的3dB损耗，从而实现高效的相位解码。

<实施例二>

图5中示出了根据本实用新型的脉冲光源的第二示例性实施例，其是对图4A的光源结构的进一步简化。该脉冲光源可以包括一个主激光器20、两个从激光器21和22和分束元件23。如图4A所示，分束元件23可以包括三个端口1-4。主激光器20连接分束元件23的端口3，分束元件23的端口1和2分别连接第一从激光器21和第二从激光器22，分束元件23的端口4作为光源的输出端口。第一从激光器21到分束元件23的光程与第二从激光器22到分束元件23的光程可以设置成不同。在该实施例中，分束元件23为分束器(BS)，优选为50:50的分束器。

在图5的光源结构中，主激光器脉冲将在分束器23的端口3进入分束器，并经过分束器分光成两个主激光器脉冲部分。这两个主激光器脉冲部分分别经端口1和2沿不同光路注入到相应的从激光器21和22中。通过调节主、从激光器的相对延时，使得在一个系统周期内，主激光器脉冲的这两个脉冲部分中的一个能够在第一(第三)时间位置上覆盖第一从激光器21中的一个从激光器脉冲，另一个能够在第二(第四)时间位置上覆盖第二从激光器22中的一个从激光器脉冲，从而分别作为种子光通过注入锁定的方式在预定的时间位置上从相应的从激光器中激励产生一个从激光器脉冲。第一从激光器输出的一个从激光器脉冲和第二从激光器输出的一个从激光器脉冲最终经分束器23的端口4输出，耦合成一路，从而提供光源的输出脉冲。

该实施例中，主激光器的工作频率可以为系统频率，且从激光器的工作频率可以与主激光器相同；此外，仅要求主激光器脉冲的宽度大于或等于一个从激光器脉冲的宽度，而无需主激光器脉冲的宽度能够覆盖X基矢下的连续两个从激光器脉冲，因此对主激光器性能的要求较低。

本领域技术人员容易认识到，在图5所示的光源结构中，Z基矢 和X基矢编码下的注入激发过程与图4所示相似，因此在此不再赘述。

同样地，两个从激光器与分束元件之间的光程的不同可以采用各种方式来实现，例如通过不同的光纤长度来实现，或者在其中一个或两个光路上设置延迟元件(例如电可调延时器)来实现。优选地，可以采用设置延迟元件的方式，由此来满足不同的解码装置可能具有不同的时间间隔要求，这种时间间隔的可调节性使得光源能够灵活地应用于与各种解码装置对应的编码装置。

与本申请中图4A所示光源结构相比，图5所示实施例的光源结构中仅需要使用一个分束元件，使得光路结构极为简化，最大程度地降低光源的复杂性及制造维护成本。同时，这种光源结构中不存在环形器，使得能够非常方便地实现为光芯片的形式，有利于光源集成化设计。

<实施例三>

图6中示出了根据本实用新型的脉冲光源的第三示例性实施例，其与图3D(在先申请的图6)相比，第二分束器被替换为偏振分束器PBS。

如图所示，该实施例的光源包括一个主激光器30和两个从激光器31、32。主激光器脉冲经分束器33分成两个脉冲部分。这两个脉冲部分分别经第一光学传输元件34和第二光学传输元件35注入到第一从激光器31和第二从激光器32中，以用作种子光。第一从激光器31和第二从激光器32输出的从激光器脉冲分别经过第一光学传输元件34和第二光学传输元件35，并在偏振分束器36处耦合成一路，作为光源的输出脉冲，以提供诸如用于编码的信号光脉冲。由于第一从激光器脉冲和第二从激光器脉冲在PBS36中是分别经过反射作用和透射作用输出的，因此，所输出的第一从激光器脉冲和第二从激光器脉冲具有彼此垂直的偏振方向。优选地，经PBS36耦合输出的两个从激光器脉冲可以具有相同的光强。

在该脉冲光源中，当要进行X基矢编码时，在一个系统周期内，从驱动信号源输出第三从驱动信号，使得第一从激光器31在第三时 间位置上在注入的主激光器脉冲部分的激励下生成一个第三从激光器脉冲，以及第二从激光器32在第四时间位置上在注入的主激光器脉冲部分的激励下生成一个第三从激光器脉冲，两个第三从激光器脉冲在偏振分束器36处耦合成一路输出，从而提供连续两个具有预定时间间隔的脉冲。由于在一个系统周期内，分别注入两个从激光器的种子光是由一个主激光器脉冲经分束器分而成的两个脉冲部分，因此这两个种子光具有完全相同的波长特性和固定的相位关系，相应地，光源最终输出的连续两个第三从激光器脉冲之间也存在固定的相位关系。

当要进行Z基矢编码时，在一个系统周期内，由从驱动信号源随机输出第一和第二从驱动信号中的一个，以驱动第一或第二从激光器，使得相应地在第一时间位置或者第二时间位置上，第一或第二从激光器在注入的主激光器脉冲部分的激励下以注入锁定的方式生成一个第一从激光器脉冲或者一个第二从激光器脉冲。因此，第一或第二从激光器脉冲的输出时间分别对应于第一或第二时间位置。因此，具有各自不同的输出时间特征的第一和第二从激光器脉冲可以直接被用于代表不同的时间编码，例如当光源在一个系统周期内只输出第一从激光器脉冲时，第一从激光器脉冲可以被用来表示在第一时间位置上通光且第二时间位置上消光的现象，即可以被用于代表时间编码1；当光源在一个系统周期内只输出第二从激光器脉冲时，第二从激光器脉冲可以被用来表示在第一时间位置上消光且第二时间位置上通光的现象，即可以被用于代表时间编码0；反之亦然。

由于偏振分束器(PBS)36的设置，使得脉冲光源在X基矢下能够输出这种偏振方向彼此垂直的两个脉冲，因而同样能够避免采用分束器(BS)的方案中存在的因非干涉成分造成的3dB损耗，从而实现高效的相位解码。

该实施例中，主激光器的工作频率可以为系统频率，且从激光器的工作频率可以与主激光器相同；此外，仅要求主激光器脉冲的宽度大于或等于一个从激光器脉冲的宽度，而无需主激光器脉冲的宽度能 够覆盖X基矢下的连续两个从激光器脉冲，因此对主激光器性能的要求较低。

本实用新型对在先申请的光源结构作了进一步简化和优化，本领域技术人员能够认识到，本实施例的光源同样可以用于时间和/或相位编码方案中，尤其适用于同时需要进行时间和相位编码的方案(诸如时间比特-相位编码方案)，其包括但不限于基于诱骗态BB84协议、RFIQKD协议、三态协议(Loss-tolerant)、MDIQKD协议的编码方案。

<编码装置>

本实用新型的另一方面还提出了一种可同时进行时间编码和相位编码的编码装置，该编码装置包括根据本实用新型的光源，其用于在X基矢下输出具有固定时间和相位关系的相邻两个光脉冲，以及在Z基矢下输出相邻两个光脉冲中的一个。在诱骗态BB84协议和/或RFIQKD协议下，该编码装置还可以包括相位调制器，其用于在所述X基矢下的相邻两个光脉冲之间加载调制相位。可选地，该编码装置还可以包括强度调制器，其用于调节所述X基矢下的相邻两个光脉冲的总强度，以及所述Z基矢下输出的相邻两个光脉冲中的一个的强度之间的关系，以及信号态、诱骗态、真空态等强度，以符合非平衡基矢和诱骗态编码方案。

与现有技术的编码装置相比，本实用新型的编码装置需要更少的光学元件，结构更为简单，且可以用于高效解码；同时，由于光源提供的用于编码的光脉冲的波长一致性更好，因此该编码装置能够具有更高的成码率和稳定性。

<解码装置>

本实用新型的又一方面还提出了一种应用于包括本实用新型的光源的编码装置的解码装置。如图7所示，解码装置可以包括基矢选择单元41、时间基矢解码单元42和相位基矢解码单元43。

基矢选择单元41可以被用于根据预设概率将基矢脉冲输入到时间基矢解码单元42和相位基矢解码单元43中的一个。

时间基矢解码单元42可以包括第一光电探测器421和时间基矢 解码部。其中，光电探测器421对基矢脉冲进行探测，时间基矢解码部接收光电探测器421输出的探测结果并据此进行时间基矢解码。

相位基矢解码单元43可以包括不等臂干涉仪431、第二光电探测器432、第三光电探测器433及相位基矢解码部。

其中，不等臂干涉仪431可以为迈克尔逊干涉仪或者马赫曾德(MZ)干涉仪，用于使得相位基矢下的连续两个脉冲形成干涉并输出干涉结果。例如，不等臂干涉仪431可以包括第一保偏分束元件4311、第二保偏分束元件4312及介于两者之间的长臂和短臂，其中长臂和短臂之间的臂长差可以被设置成与相位基矢下连续两个脉冲之间的时间间隔一致。

第二光电探测器432和第三光电探测器433对不等臂干涉仪431输出的干涉结果进行探测，并输出探测结果。相位基矢解码部根据光电探测器432、433输出的探测结果进行相位基矢的解码。

在解码装置的优选实施例中，第一分束元件4311可以为偏振分束器PBS，相应地不等臂干涉仪为偏振分束器-分束器(PBS-BS)型。该优选实施例的解码装置尤其适合与采用图4A(分束元件14为PBS的优选实施例)和图6的光源的编码装置配合使用。由于在采用上述两种光源的编码装置中，X基矢下的连续两个脉冲的偏振方向彼此垂直，因此，在该优选实施例中，不等臂干涉仪可以被设置成使得X基矢下的连续两个脉冲中的前一个脉冲沿长臂传输，后一个脉冲沿短臂传输，从而避免由于时间不重合导致的能量损失，因而能够实现高效的相位解码。

<基于时间相位编码的量子密钥分发系统>

本实用新型的还一方面还提出了一种基于时间相位编码的量子密钥分发系统，该系统可以包括根据本实用新型的光源、编码装置及解码装置中第一个或多个。

以上所述仅是本实用新型的实施方式，应该指出对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做 出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (23)

1.一种可同时用于时间编码和相位编码的光源，其包括：

主激光器，其在一个系统周期内基于主驱动信号源提供的主驱动信号的驱动输出一个主激光器脉冲，以用于形成种子光；

从激光器，其基于从驱动信号源提供的从驱动信号的驱动在所述种子光的激励下以注入锁定的方式输出从激光器脉冲，用于编码信号光脉冲；

所述从驱动信号包括第一、第二和第三从驱动信号，且在一个系统周期内，所述第一、第二和第三从驱动信号中的一个被随机地输出以驱动所述从激光器；其中，

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且所述第一从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的；

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且所述第二从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的；以及，

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且所述两个第三从激光器脉冲是分别源于一个所述主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的；

其特征在于还包括光学传输元件和分束元件；并且，

所述从激光器包括第一从激光器和第二从激光器；其中，

所述光学传输元件被设置成将所述主激光器脉冲传输至所述分束元件；

所述分束元件被设置成将所述主激光器脉冲分束形成分别用于所述第一从激光器和所述第二从激光器的所述主激光器脉冲的所述脉冲部分，以及将所述从激光器脉冲合成一路输出；以及

所述光学传输元件还被设置成将所述分束元件输出的所述从激光器脉冲向外输出。

2.如权利要求1所述的光源，其中所述主激光器与所述从激光器之间的相对延时被设置成使得，在一个系统周期内，所述主激光器脉冲被所述分束元件分成的所述两个脉冲部分在被注入到所述从激光器中时能够分别在不同的时间位置上覆盖所述第三从激光器脉冲中的一个。

3.如权利要求1所述的光源，其中在所述从激光器与所述分束元件之间还设有可调的时间延时元件。

4.如权利要求1所述的光源，其中所述第一时间位置与所述第三时间位置相同，所述第二时间位置与所述第四时间位置相同。

5.如权利要求1-4中任一项所述的光源，其中所述分束元件为分束器。

6.如权利要求1-4中任一项所述的光源，其中所述分束元件为偏振分束器。

7.如权利要求6所述的光源，其中所述光学传输元件为分束器。

8.如权利要求6所述的光源，其中所述光学传输元件为环形器。

9.一种可同时用于时间编码和相位编码的光源，其包括：

主激光器，其在一个系统周期内基于主驱动信号源提供的主驱动信号的驱动输出一个主激光器脉冲，以用于形成种子光；

从激光器，其基于从驱动信号源提供的从驱动信号的驱动在所述种子光的激励下以注入锁定的方式输出从激光器脉冲，用于编码信号光脉冲；

所述从驱动信号包括第一、第二和第三从驱动信号，且在一个系统周期内，所述第一、第二和第三从驱动信号中的一个被随机地输出以驱动所述从激光器；其中，

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且所述第一从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的；

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且所述第二从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的；以及，

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且所述两个第三从激光器脉冲是分别源于一个所述主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的；

其特征在于:

所述从激光器包括第一从激光器和第二从激光器；

所述主激光器通过分束器连接所述第一从激光器和所述第二从激光器；

所述分束器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，并且被设置成，将在所述第三端口接收的所述主激光器脉冲分束以分别在所述第一端口和所述第二端口形成输出用于所述第一从激光器和所述第二从激光器的所述主激光器脉冲的所述脉冲部分，以及在所述第四端口将在所述第一端口和所述第二端口接收的所述从激光器脉冲合成一路向外输出。

10.如权利要求9所述的光源，其中所述主激光器与所述从激光器之间的相对延时被设置成使得，在一个系统周期内，所述主激光器脉冲被所述分束器分成的所述两个脉冲部分在被注入到所述从激光器中时能够分别在不同的时间位置上覆盖所述第三从激光器脉冲中的一个。

11.如权利要求9所述的光源，其中在所述从激光器与所述分束器之间还设有可调的时间延时元件。

12.如权利要求9所述的光源，其中所述第一时间位置与所述第三时间位置相同，所述第二时间位置与所述第四时间位置相同。

13.一种可同时用于时间编码和相位编码的光源，其包括：

主激光器，其在一个系统周期内基于主驱动信号源提供的主驱动信号的驱动输出一个主激光器脉冲，以用于形成种子光；

从激光器，其基于从驱动信号源提供的从驱动信号的驱动在所述种子光的激励下以注入锁定的方式输出从激光器脉冲，用于编码信号光脉冲；

所述从驱动信号包括第一、第二和第三从驱动信号，且在一个系统周期内，所述第一、第二和第三从驱动信号中的一个被随机地输出以驱动所述从激光器；其中，

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且所述第一从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的；

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且所述第二从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的；以及，

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且所述两个第三从激光器脉冲是分别源于一个所述主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的；

其特征在于还包括分束器、第一光学传输元件、第二光学传输元件和偏振分束器：并且

所述从激光器包括第一从激光器和第二从激光器；其中，

所述主激光器经所述分束器分别通过所述第一光学传输元件和所述第二光学传输元件连接所述第一从激光器和所述第二从激光器，其中所述分束器用于将所述主激光器脉冲分成两个所述主激光器脉冲的所述脉冲部分；并且，所述第一从激光器和所述第二从激光器输出的所述从激光器脉冲分别通过所述第一光学传输元件和所述第二光学传输元件被传输至所述偏振分束器的不同端口；以及

所述偏振分束器被设置成将所述第一从激光器和所述第二从激光器输出的所述从激光器脉冲合成一路向外输出。

14.如权利要求13所述的光源，其中所述主激光器与所述从激光器之间的相对延时被设置成使得，在一个系统周期内，所述主激光器脉冲被所述分束器分成的所述两个脉冲部分在被注入到所述从激光器中时能够分别在不同的时间位置上覆盖所述第三从激光器脉冲中的一个。

15.如权利要求13所述的光源，其中在所述从激光器与所述分束器之间还设有可调的时间延时元件。

16.如权利要求13所述的光源，其中所述第一时间位置与所述第三时间位置相同，所述第二时间位置与所述第四时间位置相同。

17.一种可同时进行时间编码和相位编码的编码装置，其包括如权利要求1-16中任一项所述的光源。

18.如权利要求17所述的编码装置，其还进一步包括相位调制器和/或强度调制器，其中所述相位调制器用于调制所述连续两个第三从激光器脉冲之间的相位差，所述强度调制器用于调制所述第一从激光器脉冲、第二从激光器脉冲、第三从激光器脉冲之间的相对光强。

19.一种解码装置，其用于对如权利要求17或18所述的编码装置发送的时间相位编码进行解码，所述解码装置包括基矢选择单元、时间基矢解码单元和相位基矢解码单元，其中，所述基矢选择单元被设置成根据预设概率将接收的基矢脉冲输入至所述时间基矢解码单元和所述相位基矢解码单元中的一个。

20.如权利要求19所述的解码装置，其中，所述相位基矢解码单元包括不等臂干涉仪。

21.如权利要求20所述的解码装置，其中，所述不等臂干涉仪包括偏振分束器、分束器及介于两者之间的长臂和短臂，所述偏振分束器被设置成使相位基矢下的连续两个脉冲中的前一个脉冲沿所述长臂传输，后一个脉冲沿所述短臂传输。

22.一种基于时间相位编码的量子密钥分发系统，其包括如权利要求1-16中任一项所述的光源。

23.一种基于时间相位编码的量子密钥分发系统，其包括如权利要求19-21中任一项所述的解码装置。