CN208369599U - 相位解码接收装置和量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种相位解码接收装置和量子密钥分发系统。该相位解码接收装置包括偏振分束器、第一相位解码器、第二相位解码器、第一单光子探测器和第二单光子探测器，偏振分束器具有一个输入端口和两个输出端口，第一相位解码器光耦合至偏振分束器的两个输出端口中的一个并经其相关联的两条第一子光路中的一条第一子光路直接光耦合至第一单光子探测器，第二相位解码器光耦合至偏振分束器的所述两个输出端口中的另一个并经其相关联的两条第二子光路中的一条第二子光路直接光耦合至第二单光子探测器。本实用新型可实现抗环境干扰的稳定相位解码，还使得可采用不等臂马赫‑曾德尔干涉仪，从而减小接收端的插入损耗，提高系统效率。

Description

相位解码接收装置和量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种相位解码方法、相位解码接收装置和量子密钥分发系统。

背景技术

基于量子密钥分发技术和一次一密密码原理，量子保密通信在公开信道可实现信息的安全，并逐步走向应用。对于以不等臂干涉仪为基础的相位编码量子密钥分发系统，在光脉冲经光纤量子信道传输的过程中，因光纤制作存在截面非圆对称、纤芯折射率沿径向不均匀分布等非理想情况，以及光纤在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响而产生双折射效应，光脉冲在到达接收端时的偏振态会发生随机变化，造成相位解码干涉仪输出结果不稳定，并且此现象随着光纤距离的增加恶化明显。

在现有技术中提出了一种不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪，其可使光脉冲在受到光纤信道随机双折射及源于此的偏振态变化的影响时，仍保持干涉结果稳定输出。但是，这种干涉仪损耗大，其中相位调制器的插损是引起较大损耗的主要因素之一。具体而言，当相位调制器置于干涉仪的一臂时，光脉冲由于来回传输会经过相位调制器两次，从而造成干涉仪的损耗较大，系统效率偏低。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提出一种相位解码接收装置和量子密钥分发系统，用以解决相位编码量子密钥分发应用中因前述的偏振态变化而导致的输出结果不稳定的问题。

本实用新型提供至少以下技术方案：

1.一种相位解码接收装置，其特征在于，所述相位解码接收装置包括：偏振分束器、第一相位解码器、第二相位解码器、第一单光子探测器和第二单光子探测器，其中所述偏振分束器具有一个输入端口和两个输出端口，所述第一相位解码器光耦合至所述偏振分束器的所述两个输出端口中的一个输出端口并经其相关联的两条第一子光路中的一条第一子光路直接光耦合至所述第一单光子探测器，所述第二相位解码器光耦合至所述偏振分束器的所述两个输出端口中的另一个输出端口并经其相关联的两条第二子光路中的一条第二子光路直接光耦合至所述第二单光子探测器。

2.根据方案1所述的相位解码接收装置，其特征在于，所述相位解码接收装置还包括第三单光子探测器和第四单光子探测器，其中

所述第三单光子探测器直接光耦合至所述两条第一子光路中的另一条第一子光路；

所述第四单光子探测器直接光耦合至所述两条第二子光路中的另一条第二子光路。

3.根据方案1所述的相位解码接收装置，其特征在于，所述第一相位解码器和第二相位解码器调制的相位一致。

4.根据方案1所述的相位解码接收装置，其特征在于，所述第一相位解码器和第二相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪。

5.根据方案1至4中任一所述的相位解码接收装置，其特征在于，所述偏振分束器、所述相位解码器，以及相关联的在其间传导光使用的分立器件和波导器件均为偏振保持型器件。

6.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括根据方案1～5中任一所述的相位解码接收装置。

7.根据方案6所述的量子密钥分发系统，其特征在于，还包括单光子源和光耦合至所述单光子源的相位编码器，其中所述相位解码接收装置经量子信道耦合至所述相位编码器。

8.根据方案7所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述相位编码器采用以下任意一种：不等臂马赫-曾德尔干涉仪、不等臂迈克尔逊干涉仪、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪。

本实用新型可有效解决输入光脉冲偏振态随机变化对系统稳定性产生的影响，实现传输光纤环境干扰免疫的稳定相位解码。此外，本实用新型对相位解码接收装置采用的干涉仪的类型没有约束，可使用最常用的不等臂马赫-曾德尔型干涉仪，使光脉冲在解码时只需经过一次相位调制器，减小了接收端的插入损耗，可观地提高了系统效率。本实用新型为基于不等臂马赫-曾德尔干涉仪建立高效的环境干扰免疫的量子密钥分发系统提供了解决方案。利用本实用新型，可选地，可以通过选择合适的干涉仪，在接收端实现低插损的与入射的输入光脉冲的偏振无关的相位解码。本实用新型使得能够提供一种低插损的稳定高效量子密钥分发系统技术方案。另外，利用本实用新型，能降低光路设计和研制方面的要求和复杂度，增加灵活性。

附图说明

图1为本实用新型一优选实施例的相位解码方法的流程图；

图2为本实用新型一优选实施例的相位解码接收装置的组成结构示意图；

图3为本实用新型另一优选实施例的相位解码接收装置的组成结构示意图；

图4为本实用新型另一优选实施例的相位解码接收装置的组成结构示意图；

图5为本实用新型一优选实施例的量子密钥分发系统的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请的一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本实用新型的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。

本实用新型一优选实施例的一种相位解码方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤S101：将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲偏振分束为第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲。

具体的，入射的输入光脉冲的偏振态可以是任意偏振态，偏振分束后的第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲的偏振态相互正交。

步骤S102：分别对所述第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲进行相位解码，且将每一路传输光脉冲在相位解码后经与其相关联的两条子光路输出。

在一种可能的实施方式中，分别对所述第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲进行相位解码包括：对于所述第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲中的每一路传输光脉冲，采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪对其进行相位解码。

另外，可以如下所述地分别对所述第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲进行相位解码：

对于所述第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲中的每一路传输光脉冲，将该路传输光脉冲分束为两路子传输光脉冲，并将分束后的两路子传输光脉冲合束后经与其相关联的两条子光路输出。

这样，通过分别对所述第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲进行相位解码，得到两路子输出光脉冲。

这里，具体地，由一路传输光脉冲分束得到的两路子传输光脉冲在相对延时后合束并经与其相关联的两条子光路输出。

在本实用新型的一个实施例中，在对每一路传输光脉冲进行相位解码的过程中，控制光脉冲的偏振态，以使得相应的两路子传输光脉冲在合束时的偏振态相同。

例如，控制各光脉冲的偏振态可包括：通过使用偏振保持型器件，维持各光脉冲的偏振态始终保持不变；或者，使各光脉冲的偏振态经受已知的调制。

在本实用新型的一个实施例中，在偏振分束至将第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲中的每一路传输光脉冲进行相位解码得到子输出光脉冲的过程中，使用偏振保持型器件，维持各光脉冲的偏振态保持不变。

虽然上面没有明确说明，但本领域技术人员应理解，在接收端为进行相位解码，对光脉冲进行相位调制是必要的。

相对延时和相位调制按照量子密钥分发协议的要求和规定进行，本文不作详细说明。

步骤S103：将来自与所述第一路传输光脉冲相关联的两条子光路中的一条子光路的输出光脉冲直接输出到一个第一单光子探测器进行探测，并将来自与所述第二路传输光脉冲相关联的两条子光路中的一条子光路的输出光脉冲直接输出到一个第二单光子探测器进行探测。

这里，可以将第一单光子探测器和第二单光子探测器相关联、使其同步进行探测，当在一次开门时间内所述第一单光子探测器和第二单光子探测器中有且仅有一个单光子探测器探测到光脉冲时，指示一次有效探测。

可选地，可以将来自与所述第一路传输光脉冲相关联的两条子光路中的另一条子光路的输出光脉冲直接输出到一个第三单光子探测器进行探测，并将来自与所述第二路传输光脉冲相关联的两条子光路中的另一条子光路的输出光脉冲直接输出到一个第四单光子探测器进行探测。在此情况下，可以将第三单光子探测器和第四单光子探测器相关联、使其同步进行探测，当在一次开门时间内所述第三单光子探测器和第四单光子探测器中有且仅有一个单光子探测器探测到光脉冲时，指示一次有效探测。

本实用新型的相位解码接收装置包括偏振分束器、第一和第二相位解码器以及第一和第二单光子探测器。偏振分束器的输入端口用于接收入射的任意偏振态的一路输入光脉冲并经其两个输出端口分别输出偏振态相互正交的第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲。第一相位解码器光耦合至偏振分束器的一个输出端口，并经其相关联的两条第一子光路中的一条第一子光路直接光耦合至所述第一单光子探测器。第二相位解码器光耦合至偏振分束器的另一个输出端口，并经其相关联的两条第二子光路中的一条第二子光路直接光耦合至第二单光子探测器。

本实用新型一优选实施例的一种相位解码接收装置如图2所示，包括以下组成部分：偏振分束器201、两个相位解码器202和一对单光子探测器(未示出)。

偏振分束器201用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲偏振分束为第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲。

具体的，入射的输入光脉冲的偏振态可以是任意偏振态，偏振分束得到的第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲的偏振态相互正交。

两个相位解码器202分别光耦合至偏振分束器201，用于分别对所述第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲进行相位解码，且将每路传输光脉冲在相位解码后经由相关联的两条子光路输出。

具体的，每个相位解码器202用于：

将一路传输光脉冲分束为两路子传输光脉冲，并将分束后的两路子传输光脉冲合束后经与其相关联的两条子光路输出。

这里，具体的，由一路传输光脉冲分束得到的两路子传输光脉冲在相对延时后合束并经与其相关联的两条子光路输出。如前文所述，相对延时按照量子密钥分发协议的规定和要求进行，本文不进行赘述。

需要说明的是，对于图2的相位解码接收装置，可以在偏振分束器201之前对偏振分束前的输入光脉冲按量子密钥分发协议进行相位调制，或者可以对偏振分束得到的第一路传输光脉冲和第二路传输光脉冲中的每一路传输光脉冲按量子密钥分发协议进行相位调制，或者可以在每路传输光脉冲分束为两路子传输光脉冲后由相应的相位解码器202对其中至少一路子传输光脉冲按量子密钥分发协议进行相位调制。

在由相位解码器进行相位调制的情况下，两个相位解码器202调制的相位一致。

两个相位解码器202可以可选地采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪。

另外，偏振分束器201、相位解码器202以及相关联的传导光使用的分立器件和波导器件均可为偏振保持型器件。如此，可维持各光脉冲的偏振态保持不变。偏振分束器201的正交基的本征态与偏振分束得到的两路传输光脉冲的相互正交的偏振态一致。这里，所述的相位解码器和相关联的传导光使用的分立器件和波导器件可以统称为偏振分束器与各单光子探测器之间的光路上的光器件。

图2中，上面的相位解码器202的用于输出的两条子光路中之一光耦合至这对单光子探测器中的一个单光子探测器，下面的相位解码器202的用于输出的两条子光路中之一光耦合至这对单光子探测器中的另一个单光子探测器。这对单光子探测器可以是相关联的，被配置为同步进行检测。当在一次开门时间内这对单光子探测器中有且仅有一个单光子探测器探测到光脉冲时，指示一次有效探测。

在应用中，根据需要，可设置另一对单光子探测器。在此情况下，图2中上面的相位解码器202的用于输出的两条子光路中的另一条子光路光耦合至该另一对单光子探测器中的一个单光子探测器，下面的相位解码器202的用于输出的两条子光路中的另一条子光路光耦合至该另一对单光子探测器中的另一个单光子探测器。这另一对单光子探测器可以是相关联的，被配置为同步进行检测。当在一次开门时间内这另一对单光子探测器中有且仅有一个单光子探测器探测到光脉冲时，指示一次有效探测。

本实用新型另一优选实施例的一种相位解码接收装置如图3所示，包括以下组成部分：偏振分束器301、两个相位解码器302和303以及一对单光子探测器(未示出)。

偏振分束器301将一路输入光脉冲偏振分束为两路传输光脉冲。一路传输光脉冲经过相位解码器302进行相位解码后经其两条子光路输出；另一路传输光脉冲经过相位解码器303进行相位解码后经其两条子光路输出。相位解码器302和303各自采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪。相位解码器302的用于输出的两条子光路中之一光耦合至这对单光子探测器中的一个单光子探测器，相位解码器303的用于输出的两条子光路中之一光耦合至这对单光子探测器中的另一个单光子探测器。这对单光子探测器可以是相关联的，被配置为同步进行检测。当在一次开门时间内这对单光子探测器中有且仅有一个单光子探测器探测到光脉冲时，指示一次有效探测。

在应用中，根据需要，可设置另一对单光子探测器。在此情况下，相位解码器302的用于输出的两条子光路中的另一条子光路光耦合至该另一对单光子探测器中的一个单光子探测器，相位解码器303的用于输出的两条子光路中的另一条子光路光耦合至该另一对单光子探测器中的另一个单光子探测器。这另一对单光子探测器可以是相关联的，被配置为同步进行检测。当在一次开门时间内这另一对单光子探测器中有且仅有一个单光子探测器探测到光脉冲时，指示一次有效探测。

相位解码器302和相位解码器303调制的相位一致。相位解码接收装置中，偏振分束器、相位解码器以及偏振分束器与相位解码器之间光路上的器件均为偏振控制型器件。尽管这里提到在相位解码器302和相位解码器303处进行相位调制，但也可能的是，在偏振分束器301之前对偏振分束前的输入光脉冲按量子密钥分发协议进行相位调制，或者对偏振分束得到的两路传输光脉冲中的每一路传输光脉冲按量子密钥分发协议进行相位调制。

本实用新型另一优选实施例的一种相位解码接收装置如图4所示，包括以下组成部分：偏振分束器401、两个相位解码器402和403以及一对单光子探测器(未示出)。

偏振分束器401将一路输入光脉冲偏振分束为两路传输光脉冲。一路传输光脉冲经过相位解码器402进行相位解码后经其两条子光路输出；另一路传输光脉冲经过相位解码器403进行相位解码后经其两条子光路输出。相位解码器402和403各自采用不等臂迈克尔逊干涉仪。相位解码器402的仅用于输出的那条子光路光耦合至这对单光子探测器中的一个单光子探测器，相位解码器403的仅用于输出的那条子光路光耦合至这对单光子探测器中的另一个单光子探测器。这对单光子探测器可以是相关联的，被配置为同步进行检测。当在一次开门时间内这对单光子探测器中有且仅有一个单光子探测器探测到光脉冲时，指示一次有效探测。

相位解码器402和相位解码器403调制的相位一致。相位解码接收装置中，偏振分束器、相位解码器以及偏振分束器与相位解码器之间光路上的器件均为偏振控制型器件。尽管这里提到在相位解码器402和相位解码器403处进行相位调制，但也可能的是，在偏振分束器401之前对偏振分束前的输入光脉冲按量子密钥分发协议进行相位调制，或者对偏振分束得到的两路传输光脉冲中的每一路传输光脉冲按量子密钥分发协议进行相位调制。

本实用新型的相位解码接收装置，例如图2-4中任一示出的相位解码接收装置，可被视为包括两部分：相位解码装置和单光子探测器，其中相位解码装置包括偏振分束器和相位解码器，单光子探测器可包括一对或两对单光子探测器，每个单光子探测器直接耦合至相应的相位解码器。

本实用新型一优选实施例的一种量子密钥分发系统如图5所示，包括以下组成部分：单光子源501、相位编码器502、量子信道503，以及上述介绍的相位解码接收装置504-506，其中相位解码接收装置504-506包括相位解码装置504和直接耦合至该相位解码装置的一对单光子探测器505、506。相位解码接收装置504-506经量子信道503耦合至相位编码器502。具体而言，相位解码装置504经量子信道503耦合至相位编码器502。

在一种实施方式中，单光子源501用于产生单光子光脉冲。相位编码器502用于对单光子源501产生的单光子光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位编码。量子信道503用于将经相位编码的单光子光脉冲传输至相位解码装置504。相位解码装置504用于按照量子密钥分发协议对经量子信道503传输来的单光子光脉冲进行相位解码。

相位解码接收装置中的单光子探测器505和506构成如上文所述的一对单光子探测器，用于对来自相位解码装置504的输出光脉冲进行探测，当在一次开门时间内单光子探测器505和506中有且仅有一个响应时记录一次有效探测。

另外，如前文所述，根据情况，例如若需要记录两组输出结果，相位解码接收装置中可增加另外一对单光子探测器。

图5中的相位解码接收装置可以使用图2-4中任一所示的相位解码接收装置或根据本实用新型的其他相位解码接收装置。

单光子源501发射一个单光子光脉冲进入相位编码器502，相位编码器502对单光子光脉冲进行相位编码，相位编码后的光脉冲经量子信道503传输至相位解码接收装置504-506，相位解码接收装置504-506对入射的单光子脉冲进行相位解码和探测。相位编码器502和相位解码接收装置504-506按照量子密钥分发协议分别对光脉冲进行相位编码和解码，并根据量子密钥分发协议进行密钥分发。

具体的，相位编码器502采用以下任意一种：不等臂马赫-曾德尔干涉仪、不等臂迈克尔逊干涉仪、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪。

量子信道503可以是光波导、光纤、自由空间、分立光学元件、平面波导光学元件、纤维光学元件或上述中任意两个以上组合成的光传播通道。

总体而言，本实用新型的思想在于：在接收端对入射的输入光脉冲进行偏振分集处理，将输入光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路传输光脉冲，使得可以对任意偏振态的输入光脉冲使用偏振控制型器件或偏振保持型器件；另外，在接收端将相位解码后得到的输出光脉冲直接输出到单光子探测器进行探测，通过适当操作单光子探测器省略对偏振态不同的输出光脉冲进行偏振合束的步骤。

相应地，本实用新型使得可以：在量子密钥分发应用中，在接收端通过使用偏振控制型器件或偏振保持型器件来避免因光脉冲在传输过程中偏振态易随机变化而导致的系统稳定性问题，而无需事先知晓或确定输入光脉冲的偏振态——即消除对前面提到的复杂的偏振态监测和/或校准装置的需要；另外，通过从电气角度对单光子探测器进行操作和控制，实现对输出光脉冲的适当探测，同时降低光路设计和研制方面的要求和复杂度。

另外，利用本实用新型，接收端的相位解码接收装置所使用的干涉仪可以为各种类型的——包括不等臂马赫-曾德尔干涉仪在内，而不限于不等臂迈克尔逊干涉仪。因而，通过选择合适的干涉仪，在解决系统稳定性问题的同时可以实现接收端较低的插损。

通过上文的说明，应当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。

Claims (8)

1.一种相位解码接收装置，其特征在于，所述相位解码接收装置包括：偏振分束器、第一相位解码器、第二相位解码器、第一单光子探测器和第二单光子探测器，其中所述偏振分束器具有一个输入端口和两个输出端口，所述第一相位解码器光耦合至所述偏振分束器的所述两个输出端口中的一个输出端口并经其相关联的两条第一子光路中的一条第一子光路直接光耦合至所述第一单光子探测器，所述第二相位解码器光耦合至所述偏振分束器的所述两个输出端口中的另一个输出端口并经其相关联的两条第二子光路中的一条第二子光路直接光耦合至所述第二单光子探测器。

2.根据权利要求1所述的相位解码接收装置，其特征在于，所述相位解码接收装置还包括第三单光子探测器和第四单光子探测器，其中

所述第三单光子探测器直接光耦合至所述两条第一子光路中的另一条第一子光路；

所述第四单光子探测器直接光耦合至所述两条第二子光路中的另一条第二子光路。

3.根据权利要求1所述的相位解码接收装置，其特征在于，所述第一相位解码器和第二相位解码器调制的相位一致。

4.根据权利要求1所述的相位解码接收装置，其特征在于，所述第一相位解码器和第二相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的相位解码接收装置，其特征在于，所述偏振分束器、所述相位解码器，以及相关联的在其间传导光使用的分立器件和波导器件均为偏振保持型器件。

6.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括根据权利要求1～5中任一项所述的相位解码接收装置。

7.根据权利要求6所述的量子密钥分发系统，其特征在于，还包括单光子源和光耦合至所述单光子源的相位编码器，其中所述相位解码接收装置经量子信道耦合至所述相位编码器。

8.根据权利要求7所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述相位编码器采用以下任意一种：不等臂马赫-曾德尔干涉仪、不等臂迈克尔逊干涉仪、不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪。