CN208797953U - 一种低误码率的相位编码系统及其接收端 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种相位编码系统及其接收端，其尤其适合量子密钥的分发。接收端可以包括不等臂干涉仪和探测模块，干涉仪由分束单元、长臂、短臂、第一和第二反射单元构成，其中通过将反射单元设置成能够使反射的光脉冲的偏振方向偏转90度，可以有效地解决现有技术中用于相位编码的方案中存在的不等臂干涉仪的长短臂的区别导致的偏振扰动以及传输光纤偏振扰动，带来的接收计数率下降的问题。

Description

一种低误码率的相位编码系统及其接收端

技术领域

本实用新型涉及通信领域，具体涉及一种能够提供高对比度和低误码率的相位编码系统及其接收端，其尤其适合量子密钥的分发。

背景技术

量子保密通信是当今通信技术的新兴领域，更是当代通信技术的主要发展方向和趋势。其相对于传统通信，有着无可比拟的巨大优势：在原理上可以保证通信的绝对安全性。因此，各国科研工作者集中力量发展量子保密通信，使其发展日新月异。

在量子保密通信领域中，应用最广泛和成熟的方向是量子密钥分发方向。由量子力学的量子不可复制等基本原理保证，量子密钥分发通过“一次一密”的加密方式，将信息在国防单位、政府机关、科研单位和金融机构等之间传输。

随着应用的逐渐展开，量子密钥分发的编码方案中，较为常见的是偏振编码和相位编码。

1984年，Bennett-Brassard提出了偏振编码方案。该方案将要信息编码在不同偏振态上，用单光子承载并传输，由于其插损低、成本低并且结构简单，到目前为止，仍然是最主要的量子密钥分发的编码方案。然而，由于该方案是利用光子的不同偏振态来编码的，因此传输单光子的光纤的稳定性就至关重要。然而，光纤的偏振扰动受到环境的影响较大，从而直接影响了误码率。在实际应用的过程中，光纤的环境多种多样，包括架空光缆，因此需要频繁启动偏振反馈机制或使用快偏模块以纠正偏振扰动以控制误码率，从而保证正常水平的成码。然而，偏振反馈和快偏模块都会导致时间维度的浪费，即，单位时间内用于成码的时间降低了，因此变相限制了成码率的提高，也增加了不稳定的因素。

相对于偏振编码的方案，相位编码方案使用不等臂干涉仪将光源产生的光脉冲分为一前一后两个光脉冲，并调制这两个前后脉冲之间的相对相位差，来编码和承载信息。相位编码的方案的优点在于每次用前后两个脉冲来承载原本偏振编码中一个脉冲承载的信息。而即使光脉冲对的相位在光纤传输过程中受到了环境的影响，由于其环境导致的相位变化对于前后脉冲相同，因此光脉冲对的相对相位差受环境影响较小。即使偏振发生变化而导致接收的计数率下降，也不会导致误码率上升。这使得相位编码方案更加适合偏振变化比较剧烈的情形。

然而在实际应用过程中，相位编码方案中的光脉冲需要经过不等臂干涉仪，被其分束器分为两束，分别经历不等臂干涉仪的长臂和短臂。长臂和短臂的区别导致其中的光脉冲彼此之间有了不同的环境，这会使两束光的相位不同。而这种不同体现在光纤的快慢轴上，长臂快轴的光和短臂快轴的光之间的相位差与长臂慢轴的光和短臂慢轴的光之间的相位差不同，因此需要长臂光与短臂光干涉解码时(如在传统的相位解码方案中)，长臂快轴光和短臂快轴光的干涉效果与长臂慢轴光和短臂慢轴光的干涉效果将会有所不同。这对于发送方和接收方来说，这种不同的干涉效果会带来干涉对比度下降，从而系统错误率上升。为保证干涉的高对比度，接收方中的不等臂干涉仪的保偏耦合器可以采用快轴截止方式，舍去进入快轴的光子。而为了减少舍去的光子数量，必须对光纤传输过程的偏振变化进行反馈修正，则需要增设器件或线路，导致成本上升、操作复杂。

针对这一问题，现有技术中也出现了几种解决方案。图1示出了现有技术中的一种用于相位编码方案的接收端结构。如图所示，在该接收端中，增设了偏振控制器，同时将不等臂干涉仪设置为保偏的不等臂干涉仪，并且在干涉仪中，光纤的快轴或者慢轴(对于光脉冲而言)是截止的。由于快慢轴的相位变化不同，导致长/短臂快慢轴干涉的效果不同，因此截止长臂和短臂的快轴或截止长臂和短臂的慢轴。相应地，在这种结构之下，可以利用偏振控制器将入射光的偏振方向对准未被截止的光轴，使长、短臂光干涉效果保持稳定，可选地可以再结合移相器等相位调制器件补偿长、短臂相位漂移。但是，这种方法对于入射光的偏振方向有特定的要求。一旦传输光纤的环境发生变化导致入射光的偏振方向发生变化，则偏振控制单元也需要相应调制，使入射光的偏振方向始终对准不等臂干涉仪未被截止的光轴，以保持干涉效果稳定，否则进入干涉仪的光脉冲强度发生变化，影响最终干涉效果。显然，这会大大增加稳定控制的复杂性(例如可能需要设计复杂的反馈机构)及控制系统的设计难度。

图2示出了现有技术中用于解决上述问题的另一种接收端结构。如图所示，在该方案中，引入了一个保偏分束器PBS，并且设置了分别与PBS的两个输出端连接的两套解码模块。与图1所示的方案类似，每个解码模块均包括保偏的不等臂干涉仪和两个探测器，且在干涉仪中，光纤的快轴或者慢轴(对于光脉冲而言)是截止的。在这种设置之下， PBS的两个输出的偏振方向彼此垂直，各自连接一个快/慢轴截止的保偏不等臂干涉仪，并且两个输出端口输出的偏振方向对准各自的保偏不等臂干涉仪的未被截止的光轴。当入射光的偏振方向发生变化时，入射光会被分成确定偏振方向的两束，各自进行干涉。这两束光的光强之比取决于入射光的偏振方向，总光强保持稳定。因此，两个不等臂干涉仪的干涉效果总体保持稳定。但是这种方法的结构过于复杂，成本较高，不利于使用和维护。

发明内容

针对现有技术中的上述解决方案中存在不足，本实用新型提出了一种相位编码系统及其接收端，其与现有的解决方案相比结构更为简单，环境稳定更好，同时能够提供很好的干涉对比度，降低解码错误率，该编码系统和接收端尤其适用于量子密钥的分发。

本实用新型的一个方面公开了一种接收端，其用于探测光脉冲对中的两个光脉冲之间的相位差，所述接收端包括不等臂迈克尔逊干涉仪2和探测模块3。其中，所述不等臂迈克尔逊干涉仪2包括分束单元21、长臂22、短臂23、第一反射单元24和第二反射单元 25。所述分束单元21可以被设置成将所述光脉冲分成两部分，并且所述两部分中的一个沿所述长臂22朝向所述第一反射单元24传播；所述两部分中的另一个沿所述短臂23朝向所述第二反射单元25传播。所述长臂22和所述短臂23之间的光程差被设置成与所述两个光脉冲之间的时间间隔相同。所述第一反射单元24和第二反射单元25可以被设置在反射所述光脉冲部分的同时，使得所述光脉冲部分的偏振方向发生90度偏转。并且，所述探测模块3可以被设置用于对所述不等臂干涉仪2输出的干涉结果进行探测。

优选地，所述光脉冲对中的两个偏振光脉冲之间的相位差为0、π/2、π、3π/2中的一个。

本实用新型的接收端还可以包括光学传输单元1。所述光学传输单元1可以具有第一端口、第二端口和第三端口，且被设置成使所述光脉冲对经由第一端口和第二端口朝向所述不等臂干涉仪2传播，并且所述不等臂干涉仪2输出的干涉结果之一经由所述第二端口和第三端口朝向所述探测模块3传输。优选地，所述光学传输单元1为环形器。

优选地，所述第一反射单元24和第二反射单元25可以为法拉第反射镜。

优选地，所述探测模块3可以包括单光子探测器。

本实用新型的接收端还可以包括移相单元4，用于补偿所述光脉冲在传播过程中发生的相位漂移。

本实用新型的接收端还可以包括基矢选择单元5，用于选择X基矢编码和Y基矢编码。

优选地，所述基矢选择单元5可以设置在所述不等臂干涉仪2的所述长臂22和所述短臂23中的至少一个上。

优选地，所述基矢选择单元5可以设置在所述不等臂干涉仪2之外。

本实用新型的另一方面还公开了一种相位编码系统，其包括发送端和本实用新型的接收端，所述发送端被设置成输出用于所述接收端的所述光脉冲对。其中，所述发送端可以包括光源、不等臂干涉仪和相位调制单元。所述不等臂干涉仪可以被设置成将所述光源输出的光脉冲分成时间上相邻的两个光脉冲。并且，所述相位调制单元被设置成对所述两个光脉冲中的至少一个进行相位调制以在两者之间形成相位差。

本实用新型的又一方面公开了一种相位编码系统，其可以包括发送端和本实用新型的接收端，所述发送端被设置成输出用于所述接收端的所述光脉冲对。其中，所述发送端包括光源和相位调制单元。所述光源被设置成基于脉冲注入锁定和内调制在一个时间周期内产生在时间上相邻的两个光脉冲。并且，所述相位调制单元被设置成对所述两个光脉冲中的至少一个进行相位调制以在两者之间形成相位差。

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示出了现有技术中的一种用于相位编码方案的接收端结构；

图2示出了现有技术中的另一种用于相位编码方案的接收端结构；

图3示出了根据本实用新型的相位编码系统的一种实施方式；以及

图4示出了根据本实用新型的相位编码系统的另一种实施方式。

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3示出了根据本实用新型的相位编码系统的一种实施方式。出于便于说明的目的，下文将先说明本实用新型的接收端的工作原理，但本领域技术人员知晓，该接收端并不仅仅适用于相位编码方案，而是可以用于任何需要对两个脉冲之间的相位差进行探测的应用场合。

本领域技术人员知晓，在相位编码方案下，发送端输出的光脉冲对可以包括两个光脉冲(前脉冲和后脉冲)，且前后脉冲之间的相对相位差可以为0、π/2、π、3π/2中的一个，作为相位编码的值。接收端接收上述经编码的光脉冲对，并对其进行相位解码，从而确定该光脉冲对所承载的编码值。

如图3所示，接收端可以包括光学传输元件1、不等臂迈克尔逊干涉仪2和探测模块3。

当经编码的光脉冲对到达接收端后，经由光学传输元件1进入不等臂迈克尔逊干涉仪 2。

不等臂迈克尔逊干涉仪2可以包括分束单元21、长臂22、短臂23、第一反射单元24和第二反射单元25。

光脉冲对中的前光脉冲先到达分束单元21并被分成分别沿长臂22和短臂23传播的两个部分，即前慢光和前快光。作为一个优选示例，分束单元21可以为分束器BS。

在干涉仪2中，前慢光沿长臂22朝向第一反射单元24传播。在本实用新型中，反射单元24和25可以被设置在将入射光反射的同时，使得入射光的偏振方向发生90度的偏转。因此，前慢光经第一反射单元24反射后，偏振方向变化90度并且沿反向返回至分束单元21。类似地，前快光将沿短臂23朝向第二反射单元25传播，经第二反射单元25反射后，偏振方向变化90度并且沿反向返回至分束单元21。作为一个优选示例，反射单元可以为法拉第反射镜。

之后，光脉冲对中的后光脉冲到达分束单元21并被分成分别沿长臂22和短臂23传播的两个部分，即后快光和后慢光。在干涉仪2中，后慢光沿长臂22朝向第一反射单元24传播，经第一反射单元24反射后，偏振方向变化90度并且沿反向返回至分束单元21。后快光将沿短臂23朝向第二反射单元25传播，经第二反射单元25反射后，偏振方向变化90度并且沿反向返回至分束单元21。

在本实用新型中，长臂22和短臂23之间的光程差可以被设置成对应于前后脉冲之间的时间间隔，从而使得前慢光和后快光能够在同一时间返回分束单元21并发生干涉。因此，分束单元21将向外输出两路干涉结果。

作为一个优选示例，探测模块可以包括第一探测单元3-1和第二探测单元3-2。第一探测单元3-1和第二探测单元3-2可以被设置分别用于探测两路干涉结果。优选地，探测单元可以为单光子探测器。

借助本实用新型的不等臂干涉结构，当光脉冲经过长短臂时，会由于长短臂光纤的区别导致偏振变化，而反射单元(例如法拉第反射镜)可以将光脉冲的偏振方向旋转 90°并反射，使光脉冲沿长短臂原路返回，由于其作用相当于反幺正变换，光脉冲在长短臂光纤中来回传输，且正向和反向路径将表现出完全互补的光纤快慢轴路径，那么可以抵消其单向传输时，由于偏振扰动造成光脉冲经历的光纤快慢轴路径不同而带来的相位扰动，从而确保最终发生干涉的两路光脉冲之间的相位差的稳定性，实现高的干涉对比度。

作为一个优选示例，光学传输单元1可以具有三个端口，且被设置成使经编码的光脉冲对经由第一端口和第二端口朝向分束单元21传播，并且分束单元21输出的一路干涉结果经由第二端口和第三端口朝向第一探测单元3-1传播。更进一步地，光学传输单元可以为环形器，尤其优选为光纤环形器。

接收端还可以包括移相单元4，用于补偿光脉冲在传播过程中发生的相位漂移。如图 3所示，作为一个示例，移相单元4可以设置在干涉仪2的短臂上。本领域技术人员，移相单元4也可以设置在其他合适的位置，例如干涉仪2的长臂上。

接收端还可以包括基矢选择单元5。在相位编码方案中，基矢选择单元5优选可以为相位调制器，其通过在光脉冲对中两个光脉冲之间施加一定的相位差(例如0或者π/2)，以实现对X基矢或者Y基矢的选择。

作为一个优选示例，相位调制器5可以设置在干涉仪2中，例如设置在长臂22或者短臂23上。例如，如图3所示，相位调制器5设置在长臂22上，下面将以此为例说明基矢选择单元5的工作原理。

相位调制器5对前慢光随机地调制0或π/2相位。若相位调制器5调制0相位时(对应于选择X基矢)，当发送端输出的光脉冲对之间的相位差为0时，则干涉结果为第一探测单元3-1有输出，第二探测单元3-2无输出。当发送端输出的光脉冲对之间的相位差为π时，则干涉结果为第一探测单元3-1无输出，第二探测单元3-2有输出。由此可见，接收端此时相应地可以实现对X基矢相位编码的解码过程。相应地，当发送端是在X基矢下进行相位编码时，当相位调制器5对前慢光调制的相位差为±π/2时，第一和第二探测单元处产生输出的概率相同。

若相位调制器5调制π/2相位时(对应于选择Y基矢)，当发送端输出的光脉冲对之间的相位差为π/2时，则干涉结果为第一探测单元3-1无输出，第二探测单元3-2有输出。当发送端输出的光脉冲对之间的相位差为3π/2(或者-π/2)时，则干涉结果为第一探测单元3-1有输出，第二探测单元3-2无输出。由此可见，接收端此时相应地可以实现对Y基矢相位编码的解码过程。相应地，当发送端是在Y基矢下进行相位编码时，当相位调制器 5对前慢光调制的相位差为0或者π时，第一和第二探测单元处产生输出的概率相同。

在将基矢选择单元5设置在不等臂干涉仪2内的这种优选示例中，光脉冲正向经过相位调制器5之后被法拉第旋转镜旋转90°偏振方向后反射，会反向再次经过相位调制器返回。由于正反向的光脉冲偏振垂直，因此相当于正向和反向进入相位调制器中的两个光轴的光分量进行了交换，这样设置的优点在于可以抵消由相位调制器5的两个光轴对光脉冲相位调制效果不同所带来的调制误差。此外，在这种设置之下，基矢选择单元5可以容易地用于具有任意偏振方向的光脉冲，即不对光脉冲的偏振方向作出任何要求。

作为另一个优选示例，基矢选择单元5可以设置在干涉仪2之外，例如设置在光学传输元件1之前，如图4所示那样。在该示例中，光脉冲只单向经过相位调制器5，其对光脉冲造成的光损耗较小，且调制器5的调制信号无需在光脉冲正向离开和反向到达相位调制器的时间之内完成高低电平的转换，可以降低对相位调制器5的调制信号的要求，相应地降低对相应电子学系统的要求。但是，此时的相位调制器5需要对于任何偏振态的入射光都有相同的相位调制效果。如果不能满足这种要求，一旦光纤环境发生变化导致入射光脉冲的偏振方向发生变化，则相位调制效果发生变化，会使得误码率上升。

再次参见图3和4，其分别示出了本实用新型的相位编码系统。如图所示，相位编码系统包括发送端、接收端以及用于连接两者的传输光路。

发送端用于输出具有相位编码的光脉冲对。如图3或4所示，作为一个示例，发送端可以包括光源、不等臂干涉仪和相位调制单元。

在本实用新型中，光源可以为激光器，例如光纤激光器。光源输出的光脉冲进入不等臂干涉仪。不等臂干涉仪可以包括长臂、短臂和两个分束单元。优选地，由于光源输出的光脉冲为偏振光，因此长臂和短臂可以由保偏光纤实现，由此消除长短臂的光纤区别导致的偏振变化。光脉冲由两个分束单元之一分成两束，并各自经由保偏光纤汇聚到两个分束单元中的另一个处进行合束。由于长臂和短臂所提供的光程不同，光源输出的光脉冲将分成时间上分前后的两束光脉冲，从而形成光脉冲对。相位调制单元被设置成对光脉冲对中的光脉冲(例如前一个光脉冲或者后一个光脉冲)进行相位调制，从而在光脉冲对中的前后两个光脉冲之间随机地调制出0、π/2、π、3π/2之一的相位差，作为相位编码的值。

尽管在图3和4中示出相位调制单元设置在不等臂干涉仪之外，但是本领域技术人员容易理解，在发送端中，相位调制单元也可以设置在不等臂干涉仪之内，例如设置在干涉仪的长臂和/或短臂上。

本领域技术人员容易理解，在本实用新型的相位编码系统中，发送端并不限于图3和4所示的结构，也可以采用任何可以输出相位编码的光脉冲对的编码结构。作为另一个优选示例，发送端可以包括基于注入锁定方式的光源和相位调制单元。在这种编码机构中，光源可以被设置成基于脉冲注入锁定原理和内调制过程每次产生一对光脉冲，随后利用相位编码单元对光脉冲对进行相位调制以实现相应的相位编码，由此可以可以省略不等臂干涉仪的设置。

基于前面的说明可见，借助本实用新型所提出的相位编码系统，可以以简单且有效的方式解决现有技术中用于相位编码的方案中存在的不等臂干涉仪的长短臂的区别导致的偏振扰动以及传输光纤偏振扰动，带来的接收计数率下降的问题，从而实现一种简化、稳定且低误码率的相位编码系统。

上述说明并非对本实用新型的限制，本实用新型也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (12)

1.一种接收端，其用于探测光脉冲对中的两个光脉冲之间的相位差，所述接收端包括不等臂干涉仪(2)和探测模块(3)，其特征在于：

所述不等臂干涉仪(2)包括分束单元(21)、长臂(22)、短臂(23)、第一反射单元(24)和第二反射单元(25)，其中，

所述分束单元(21)被设置成将所述光脉冲分成两部分，并且所述两部分中的一个沿所述长臂(22)朝向所述第一反射单元(24)传播；所述两部分中的另一个沿所述短臂(23)朝向所述第二反射单元(25)传播；

所述长臂(22)和所述短臂(23)之间的光程差被设置成与所述两个光脉冲之间的时间间隔相同；

所述第一反射单元(24)和第二反射单元(25)被设置在反射所述光脉冲部分的同时，使得所述光脉冲部分的偏振方向发生90度偏转；并且

所述探测模块(3)被设置用于对所述不等臂干涉仪(2)输出的干涉结果进行探测。

2.如权利要求1所述的接收端，其中，所述光脉冲对中的两个偏振光脉冲之间的相位差为0、π/2、π、3π/2中的一个。

3.如权利要求1所述的接收端，其特征在于，还包括光学传输单元(1)，所述光学传输单元(1)具有第一端口、第二端口和第三端口，且被设置成使所述光脉冲对经由第一端口和第二端口朝向所述不等臂干涉仪(2)传播，并且所述不等臂干涉仪(2)输出的干涉结果之一经由所述第二端口和第三端口朝向所述探测模块(3)传输。

4.如权利要求3所述的接收端，其特征在于，所述光学传输单元(1)为环形器。

5.如权利要求1所述的接收端，其中，所述第一反射单元(24)和第二反射单元(25)为法拉第反射镜。

6.如权利要求1所述的接收端，其中，所述探测模块(3)包括单光子探测器。

7.如权利要求1所述的接收端，其特征在于，还包括移相单元(4)，用于补偿所述光脉冲在传播过程中发生的相位漂移。

8.如权利要求1或2所述的接收端，其特征在于，还包括基矢选择单元(5)，用于选择X基矢编码和Y基矢编码。

9.如权利要求8所述的接收端，其中，所述基矢选择单元(5)设置在所述不等臂干涉仪(2)的所述长臂(22)和所述短臂(23)中的至少一个上。

10.如权利要求8所述的接收端，其中，所述基矢选择单元(5)设置在所述不等臂干涉仪(2)之外。

11.一种相位编码系统，其包括发送端和如权利要求1-10中任一项所述的接收端，所述发送端被设置成输出用于所述接收端的所述光脉冲对，其中：

所述发送端包括光源、不等臂干涉仪和相位调制单元；

所述不等臂干涉仪被设置成将所述光源输出的光脉冲分成时间上相邻的两个光脉冲；以及

所述相位调制单元被设置成对所述两个光脉冲中的至少一个进行相位调制以在两者之间形成相位差。

12.一种相位编码系统，其包括发送端和如权利要求1-10中任一项所述的接收端，所述发送端被设置成输出用于所述接收端的所述光脉冲对，其中：

所述发送端包括光源和相位调制单元；

所述光源被设置成基于脉冲注入锁定和内调制在一个时间周期内产生在时间上相邻的两个光脉冲；以及

所述相位调制单元被设置成对所述两个光脉冲中的至少一个进行相位调制以在两者之间形成相位差。