CN208424384U - 一种时间比特相位编码系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种时间比特‑相位编码系统，其可以包括编码端和解码端，且在编码端设有用于使光脉冲具有特定偏振角度的起偏单元，在解码端设有用于使经编码的光脉冲具有所述特定偏振角度的检偏单元，由此可以完全消除光路中非特定偏振角度上的噪声。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子通信领域，具体涉及一种具有低噪声的时间比特相位编码系统。
背景技术
作为量子通信中的关键环节，量子密钥分配在当今通信技术领域的发展日新月异。相对于传统通信而言，由于物理学原理，量子密钥分配先天性地具有理论上绝对安全的优势。因此在经历了快速发展之后，目前量子密钥分配已经进入了实用阶段，例如在对保密性要求较高的国防单位、政府机关、科研单位和金融机构等范围中，都有着广大的应用前景。
当前量子密钥分配的诸多方案中，较为常用的是偏振编码和相位编码方案。然而这两种编码方案有着各自的优缺点。
偏振编码方案有着接收端插损低、成本低且结构简单的优点，所以目前为主要的编码方式，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，特别是架空光缆环境下需要频繁启动偏振反馈或者需要快偏模块控制误码率到正常水平才能成码。而这些因素也造成了时间上的浪费以致成码率降低或者不稳定。
相位编码理论上则更适用于偏振变化较为剧烈的场景。该方案使用不等臂干涉仪制备双光脉冲，将相位差信息加载到光脉冲对上。由于偏振的变化对光脉冲的相位差影响较小，因此偏振变化不会造成误码率上升。因此在远距离传输过程或有强烈外界干扰的情况下，相位编码方案有着较大的优势。然而传统相位系统接收端插损较大，其成码率和最远成码距离远低于偏振系统，不一定能很好地应用于长距离架空光缆环境。
在此基础上，人们提出了时间比特-相位编码的方案，其中将本征态为|t0>、|t1＞的时间基矢Z与本征态为或的相位基矢X或Y结合用于进行信息编码，这里，|t0＞、|t1＞表示2个不同的时间模式，也即从时间轴上观察两者是完全不重叠的模式。
图1示出了现有技术中的一种时间比特-相位编码系统。如图所示，在该时间比特-相位编码系统中，编码端利用非对称马赫曾德尔(MZ)干涉系统将激光器输出的单光脉冲分为脉冲对，通过选择触发初始相位不同的激光器，例如激光器LD00和LD01，在脉冲对上加载相位差信息，以实施相位编码；使不同激光器对应光程不同的光路，通过随机选择触发不同的激光器，例如激光器LD10和LD11，使单光脉冲承载时间上的“前”与“后”的信息，以实施时间编码。编码端产生的光脉冲信号经传输到达解码端后，首先经分束器作用进入Z基矢解码部分或X基矢解码部分。在Z基矢解码部分中，利用时间位置的不同来实现对Z基矢的解码；在X基矢解码部分中，使用与编码端相同结构的非对称马赫曾德尔(MZ)干涉系统对X基矢进行解码。在这种编码系统中，为实现与偏振无关的效果，需要引入非常复杂的控制过程，尤其是对光路的温度以及分别位于编码端和解码端的两个相同干涉系统的臂长差进行精确的校准。由于光脉冲理论上为单光子脉冲，其在实际应用过程中受到的干扰会较大，噪声成分较高，这会导致解码时干涉对比度下降，成码率和最远成码距离都受到较大影响，系统的整体性能受到了很大限制。
发明内容
针对现有技术中的时间比特-相位编码系统存在的噪声高、偏振相关、系统复杂等问题，本实用新型提出了一种具有低噪声的时间比特-相位编码系统。
本实用新型公开了一种时间比特-相位编码系统，其包括编码端和解码端。其中，所述编码端用于对光脉冲进行时间比特-相位编码，并将经编码的所述光脉冲发送给所述解码端，所述解码端用于接收所述经编码的光脉冲并对其进行解码。所述编码端包括激光源、相位编码单元和时间比特编码单元。所述解码端包括基矢选择单元、用于相位解码的第一解码单元和用于时间比特解码的第二解码单元。此外，所述编码端还包括起偏单元，用于使所述编码端中的光脉冲具有特定偏振角度；所述解码端还包括检偏单元，用于使所述经编码的光脉冲具有所述特定偏振角度。
进一步地，所述起偏单元可以包括偏振分束器。所述检偏单元可以包括偏振调制器和偏振分束器。
进一步地，所述相位编码单元可以包括非对称马赫曾德尔干涉仪和相位调制器，所述第一解码单元可以包括非对称马赫曾德尔干涉仪，且所述相位编码单元的非对称马赫曾德尔干涉仪具有与所述第一解码单元的非对称马赫曾德尔干涉仪相同的两臂长差。
进一步地，所述检偏单元可以包括电控偏振调制器和偏振分束器。所述相位编码单元可以包括光纤环、所述起偏单元中的所述偏振分束器以及相位调制器。
进一步地，所述光纤环可以被设置成与所述起偏单元中的所述偏振分束器连接，且使得由所述偏振分束器反射分出的垂直偏振光与由所述偏振分束器透射分出的水平偏振光沿相同方向输出。
进一步地，所述第一解码单元可以包括非对称马赫曾德尔干涉仪，所述光纤环的长度与所述非对称马赫曾德尔干涉仪的两臂长差相同。
可选地，所述起偏单元可以设置在所述激光源中，以使所述激光源输出的光脉冲具有所述特定偏振角度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1示意性地示出了现有技术中的一种时间比特-相位编码系统；
图2示意性地示出了本实用新型的时间比特-相位编码系统的第一优选实施例；以及
图3示意性地示出了本实用新型的时间比特-相位编码系统的第二优选实施例。
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。
图2示意性地示出了本实用新型的时间比特-相位编码系统的一个优选实施例。
如图所示，该编码系统包括编码端11(即发送端)和解码端12(即接收端)，其中：编码端11可以包括激光源111、相位编码单元112、时间比特编码单元113和起偏单元114；解码端12可以包括检偏单元121、基矢选择单元122、用于相位解码的第一解码单元123和用于时间比特解码的第二解码单元124。
在该实施例中，激光源111可以包括激光器。相位编码单元112可以包括非对称马赫曾德尔(MZ)干涉仪1121和相位调制器1122。时间比特编码单元113可以包括强度调制器。起偏单元114可以包括偏振分束器PBS。检偏单元121可以包括偏振调制器1211和偏振分束器1212。基矢选择单元122可以包括分束器。第一解码单元123可以包括非对称马赫曾德尔(MZ)干涉仪1231和两个光电探测器1232、1233，第一解码单元中的干涉仪1231的两臂差与相位编码单元中的干涉仪1121的两臂差相同。第二解码单元124可以包括光电探测器。
在该实施例中，光源产生的光脉冲首先经相位编码单元进行相位编码，例如可以借助非对称马赫曾德尔(MZ)干涉仪将光脉冲分成包括前后两个光脉冲的脉冲对，该光脉冲对随后经过相位调制器被加载上相位差信息，其中通过对相位调制器进行调制可以在脉冲对上加载0或π的相位差。接着，光脉冲对进入时间比特编码单元进行时间比特编码，例如可以借助强度调制器随机消除前一个脉冲或者后一个脉冲，或者不进行消光处理，从而对应在光脉冲上加载1或0的时间比特信息，或者不记载任何时间比特信息。最后，光脉冲进入起偏单元使获得特定的偏振角度，例如可以借助偏振分束器获得具有偏振方向相互垂直(例如H或V方向)的两个光脉冲，从中选择一个偏振方向(例如H或V)的光脉冲以用作编码端的输出信号，此时，由编码端输出的光脉冲将可以具有时间比特-相位编码信息，同时还具有特定的偏振角度。
当光脉冲到达解码端时，首先经检偏单元处理输出具有该特定偏振角度的光脉冲，例如可以通过偏振调制器将在传输过程可能发生了改变的光脉冲偏振方向校正为特定偏振角度(例如H或V)，再经偏振分束器向外输出具有特定偏振角度(H或V)的光脉冲。特定偏振角度的光脉冲随后被发送给基矢选择单元(例如分束器)以便将该光脉冲按照预设概率传递给第一解码单元或者第二解码单元。若承载有相位信息的光脉冲对进入第一解码单元，则第一解码单元对光脉冲对上承载的相位信息进行相位基矢解码，例如可以通过非对称马赫曾德尔(MZ)干涉仪使该光脉冲对中的前后脉冲发生干涉，并借助第一光电探测器和第二光电探测器根据干涉部分的结果进行相位基矢解码。若承载有时间信息的光脉冲进入第二解码单元，则第二解码单元对光脉冲上承载的时间信息进行时间基矢解码，例如可以借助第三光电探测器根据探测到的光脉冲对应的时间窗口位置进行时间基矢解码。
在本实用新型的时间比特-相位编码系统中，通过在编码端使承载有编码信息的光脉冲以特定偏振角度发送，并且在解码端使承载有编码信息的光脉冲在相同的特定偏振角度下进行解码，使得编码和解码都是在指定的偏振方向上进行的，因此，通过本实用新型的编码系统，可以完全消除光路中非该特定偏振角度上的噪声，理论上可消除噪声比例为3dB；同时，本实用新型中虽然引入了对光脉冲的起偏和检偏作用，但这些偏振相关操作并非用来进行信息编码，仅用来校正偏振角度，因此这种编码仍然是与偏振无关的。概括而言，借助本实用新型，可以将原本需要消除影响的偏振充分利用起来，实现降低3dB的噪声的目的，并且不需要非常复杂的系统控制，仅是在编码端和解码端分别加入了起偏单元和检偏单元，由于增加的结构简单且调制容易，使得能够在控制成本的同时，极大地降低噪声干扰，提高信噪比，提升成码率，使编码系统的整体性能有了较大的进步。
图3示意性地示出了本实用新型的时间比特-相位编码系统的第二优选实施例。
在该实施例中，激光源211可以包括激光器。相位编码单元213可以包括偏振分束器212、光纤环(Optical loop)2131和相位调制器2132，其中该偏振分束器还作为起偏单元212使用。时间比特编码单元214可以包括强度调制器。检偏单元221可以包括电控偏振调制器2211和偏振分束器2212。基矢选择单元222可以包括分束器。第一解码单元223可以包括非对称马赫曾德尔(MZ)干涉仪2231和两个光电探测器2232、2233。第二解码单元224可以包括光电探测器。
其中，光纤环可以被设置成与偏振分束器连接，且使得由偏振分束器反射分出的垂直偏振光(V光)与由偏振分束器透射分出的水平偏振光(H光)沿相同方向输出。此外，光纤环的长度可以被设置成与解码端的非对称马赫曾德尔(MZ)干涉仪的两臂长差相同。
在该实施例中，光源产生的光脉冲首先进入起偏单元中，例如偏振分束器将光脉冲分为H和V两个方向的偏振光脉冲，其中H光为经偏振分束器的透射作用形成的水平偏振光，V光为经偏振分束器的反射作用形成的垂直偏振光。透射分出的H光直接离开偏振分束器，反射分出的V光沿光纤环返回偏振分束器，再次经偏振分束器反射作用后输出方向与H光的输出方向一致，因此，H光和V光最终将从偏振分束器的同一端口沿相同输出方向出现，从而提供时间上分前后的一对光脉冲，且V光在时间上要落后于H光。本领域技术人员容易理解，光纤环的长度应当被设置成使这对光脉冲的时间间隔与相位基矢下的两个光脉冲时间间隔一致。随后，这对光脉冲对(H光在前，V光在后)进入相位调制器被加载上相位差信息，其中通过对相位调制器进行调制可以在脉冲对上加载0或π的相位差。接着，光脉冲对进入时间比特编码单元进行时间比特编码，例如可以借助强度调制器随机消除前一个脉冲或者后一个脉冲，或者不进行消光处理，从而对应在光脉冲上加载1或0的时间比特信息，或者不记载任何时间比特信息。最后，包括H光脉冲和V光脉冲的光脉冲对从编码端输出。
当光脉冲对到达解码端时，首先经检偏单元处理以使该光脉冲对的两个光脉冲均具有某个特定的偏振角度(例如H或者V中的一个)。具体而言，由于在该脉冲对中，H和V方向的光脉冲在时间上有先后之分，因此可以将电控偏振调制器的输入信号设置成在不同的时间而不同，从而将H光和V光的偏振方向均调制成H或V方向中的一个，同时对可能存在的传输过程中的偏振态变化进行补偿；随后，经偏振调制的光脉冲对进入偏振分束器，由偏振分束器检偏以向外输出光脉冲对，该光脉冲对中的前后两个光脉冲具有相同的特定偏振角度H(或V)。特定偏振角度H(或V)的光脉冲随后被发送给基矢选择单元(例如分束器)以便将该光脉冲按照预设概率传递给第一解码单元或者第二解码单元。若承载有相位信息的光脉冲对进入第一解码单元，则第一解码单元对光脉冲对上承载的相位信息进行相位基矢解码，例如可以通过非对称马赫曾德尔(MZ)干涉仪使该光脉冲对中的前后脉冲发生干涉，并借助第一光电探测器和第二光电探测器根据干涉部分的结果进行相位基矢解码。若承载有时间信息的光脉冲进入第二解码单元，则第二解码单元对光脉冲上承载的时间信息进行时间基矢解码，例如可以借助第三光电探测器根据探测到的光脉冲对应的时间窗口位置进行时间基矢解码。
该实施例相对于第一实施例，其不同之处在于：在编码端设置了光纤环并将光纤环与偏振分束器结合替代了非对称马赫曾德尔(MZ)干涉仪，同时相应地在解码端采用了电控偏振调制器。通过这种改变，使得由起偏单元(偏振分束器)产生的两个偏振方向互相垂直的光脉冲都能得到利用，将光脉冲的利用率提高了一倍。由于光脉冲利用率提高，解码端的探测效率也会相应提高，使得量子密钥分配的效率提高，系统的成码率和性能均会提高。从系统的稳定性和可操作的角度来看，使用光纤环结构在一定程度上简化了编码端的结构，使得编码端和解码端的相位编解码单元的一致性得到提高，相应的配套软硬件可操作性和便利性也大为改善。
优选地，在本实用新型的编码系统中，还可以在解码端中设置移相器，以对可能的相位漂移提供补偿；或者设置光衰减器等，在此不再赘述。
本领域技术人员能够认识到，本实用新型并不局限于上述具体实施例，而是可以在不脱离本实用新型构思的情况下进行各种变形和变化。
Claims (9)
1.一种时间比特-相位编码系统，其包括编码端(11,21)和解码端(12,22)；
所述编码端用于对光脉冲进行时间比特-相位编码，并将经编码的所述光脉冲发送给所述解码端，所述编码端包括激光源(111)、相位编码单元(112)和时间比特编码单元(113)；
所述解码端用于接收所述经编码的光脉冲并对其进行解码，所述解码端包括基矢选择单元(122)、用于相位解码的第一解码单元(123)和用于时间比特解码的第二解码单元(124)；
其特征在于：
所述编码端还包括起偏单元(114)，其用于使所述编码端中的光脉冲具有特定偏振角度；以及
所述解码端还包括检偏单元(121)，其用于使所述经编码的光脉冲具有所述特定偏振角度。
2.如权利要求1所述的时间比特-相位编码系统，其中，所述起偏单元包括偏振分束器。
3.如权利要求2所述的时间比特-相位编码系统，其中，所述检偏单元包括偏振调制器和偏振分束器。
4.如权利要求3所述的时间比特-相位编码系统，其中，所述相位编码单元包括非对称马赫曾德尔干涉仪和相位调制器，所述第一解码单元包括非对称马赫曾德尔干涉仪，且所述相位编码单元的非对称马赫曾德尔干涉仪具有与所述第一解码单元的非对称马赫曾德尔干涉仪相同的两臂长差。
5.如权利要求2所述的时间比特-相位编码系统，其中，所述检偏单元包括电控偏振调制器和偏振分束器。
6.如权利要求5所述的时间比特-相位编码系统，其中，所述相位编码单元包括光纤环、所述起偏单元中的所述偏振分束器以及相位调制器。
7.如权利要求6所述的时间比特-相位编码系统，其中，所述光纤环被设置成与所述起偏单元中的所述偏振分束器连接，且使得由所述偏振分束器反射分出的垂直偏振光与由所述偏振分束器透射分出的水平偏振光沿相同方向输出。
8.如权利要求7所述的时间比特-相位编码系统，其中，所述第一解码单元包括非对称马赫曾德尔干涉仪，所述光纤环的长度与所述非对称马赫曾德尔干涉仪的两臂长差相同。
9.如权利要求1所述的时间比特-相位编码系统，其中，所述起偏单元设置在所述激光源中，以使所述激光源输出的光脉冲具有所述特定偏振角度。
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