CN208874580U - 直流调制量子密钥分发相位解码装置及相应的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置及量子密钥分发系统。该装置包括:前置分束器,其经输入端口接收输入光脉冲并经两个输出端口输出由输入光脉冲分束得到的两路光脉冲;与前置分束器光耦合的第一相位解码器和第二相位解码器,每个相位解码器包括分束器、合束器及将分束器和合束器光耦合的两条子光路,每个相位解码器的两条子光路及其上的光器件构造成使得相应光脉冲的两个正交偏振态各自在相位解码器中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍,每个相位解码器具有位于两条子光路中之一上的直流相位调制器。本实用新型的量子密钥分发解码方案能够抗偏振诱导衰落,适用于存在环境干扰的高速量子密钥分发系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及光传输保密通信技术领域,尤其涉及一种相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码方法、装置及包括该装置的量子密钥分发系统。
背景技术
量子保密通信技术是量子物理与信息科学相结合的前沿热点领域。基于量子密钥分发技术和一次一密密码原理,量子保密通信可在公开信道实现信息的安全传输。量子密钥分发基于量子力学海森堡不确定关系、量子不可克隆定理等物理原理,能够实现在用户之间安全地共享密钥,并可以检测到潜在的窃听行为,可应用于国防、政务、金融、电力等高安全信息传输需求的领域。
目前,量子密钥分发的编码方案主要采用偏振编码和相位编码。地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输,而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,并且光纤在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响,会产生随机双折射效应。采用偏振编码时,受光纤随机双折射的影响,偏振编码的量子态经长距离光纤传输后到达接收端时,光脉冲偏振态会发生随机变化,造成误码率升高,导致需要增加纠偏设备,增加了系统复杂度和成本,且对于架空光缆、路桥光缆等强干扰情况难以实现稳定应用。相比偏振编码,相位编码采用前后光脉冲的相位差来编码信息,在长距离光纤信道传输过程中能够稳定保持。然而对于相位编码方案,在干涉解码时,因传输光纤和编解码干涉仪光纤双折射的影响,存在偏振诱导衰落的问题,导致解码干涉不稳定。同样,若增加纠偏设备,虽然只需要对一种偏振态进行纠偏,但也会增加系统复杂度和成本。对于量子密钥分发相位编码方案,如何稳定高效地进行干涉解码是基于现有光缆基础设施进行量子保密通信应用的热点和难题。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提出一种相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码方法和装置,以解决相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落引起的相位解码干涉不稳定的难题。
本实用新型提供至少以下技术方案:
1.一种相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,用于对入射的任意偏振态的一路输入光脉冲进行直流调制相位解码,其特征在于,所述相位解码装置包括:
前置分束器,所述前置分束器具有输入端口和两个输出端口,所述输入端口用于接收所述输入光脉冲,所述两个输出端口分别用于输出由所述输入光脉冲分束得到的第一路光脉冲和第二路光脉冲;
与所述前置分束器的所述两个输出端口中的一个输出端口光耦合的第一相位解码器,所述第一相位解码器包括第一分束器、第一合束器以及与所述第一分束器光耦合并与所述第一合束器光耦合的两条第一子光路,所述第一分束器经所述两条第一子光路耦合至所述第一合束器,其中所述两条第一子光路及其上的光器件构造成使得所述第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在所述第一分束器分束至所述第一合束器合束的过程中经所述两条第一子光路传输的相位差相差2π的整数倍;以及,
与所述前置分束器的所述两个输出端口中的另一个输出端口光耦合的第二相位解码器,所述第二相位解码器包括第二分束器、第二合束器以及与所述第二分束器光耦合并与所述第二合束器光耦合的两条第二子光路,所述第二分束器经所述两条第二子光路耦合至所述第二合束器,其中所述两条第二子光路及其上的光器件构造成使得所述第二路光脉冲的两个正交偏振态各自在所述第二分束器分束至所述第二合束器合束的过程中经所述两条第二子光路传输的相位差相差2π的整数倍,
其中所述第一相位解码器具有位于所述两条第一子光路中至少之一上的直流相位调制器,和/或所述第二相位解码器具有位于所述两条第二子光路中至少之一上的直流相位调制器。
2.根据方案1所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述两条第一子光路为自由空间光路,所述两条第一子光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件;和/或
所述两条第二子光路为自由空间光路,所述两条第二子光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。
3.根据方案1所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述两条第一子光路为保偏光纤光路,所述两条第一子光路上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件;和/或
所述两条第二子光路为保偏光纤光路,所述两条第二子光路上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。
4.根据方案2或3所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,所述相位解码装置还包括:
位于所述两条第一子光路中的任一第一子光路上的第一保偏光纤拉伸器,和/或位于所述两条第一子光路中的任一第一子光路上的第一双折射相位调制器;和/或
位于所述两条第二子光路中的任一第二子光路上的第二保偏光纤拉伸器,和/或位于所述两条第二子光路中的任一第二子光路上的第二双折射相位调制器。
5.根据方案1~3中任一所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,所述直流相位调制器用光纤拉伸器或长度可调的自由空间光路或偏振无关相位调制器实现。
6.根据方案1所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,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的结构。
7.根据方案1或3或6所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述第一相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构,所述两条第一子光路为保偏光纤光路,其中所述两条第一子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍;和/或
所述第二相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构,所述两条第二子光路为保偏光纤光路,其中所述两条第二子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。
8.根据方案1或3或6所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述第一相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构,所述两条第一子光路为保偏光纤光路,其中所述两条第一子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍;和/或
所述第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构,所述两条第二子光路为保偏光纤光路,其中所述两条第二子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍。
9.根据方案1或6所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述第一相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构,所述第一合束器与所述第一分束器为同一器件,所述第一相位解码器还包括:
两个第一反射镜,所述两个第一反射镜分别位于所述两条第一子光路上,分别用于将来自所述第一分束器的经所述两条第一子光路传输来的两路光脉冲反射回所述第一合束器;和,
第一光环形器,所述第一光环形器位于所述第一分束器前端,所述第一光环形器具有第一端口、第二端口和第三端口,所述第一光环形器的第一端口用于接收所述第一路光脉冲,所述第一光环形器的第二端口光耦合至所述第一分束器,所述第一光环形器的第三端口用于输出;和/或
所述第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构,所述第二合束器与所述第二分束器为同一器件,所述第二相位解码器还包括:
两个第二反射镜,所述两个第二反射镜分别位于所述两条第二子光路上,分别用于将来自所述第二分束器的经所述两条第二子光路传输来的两路光脉冲反射回所述第二合束器;和
第二光环形器,所述第二光环形器位于所述第二分束器前端,所述第二光环形器具有第一端口、第二端口和第三端口,所述第二光环形器的第一端口用于接收所述第二路光脉冲,所述第二光环形器的第二端口光耦合至所述第二分束器,所述第二光环形器的第三端口用于输出,
其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口之一为同一端口。
10.一种量子密钥分发系统,包括:
根据方案1~9中任一所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其设置在所述量子密钥分发系统的接收端,用于相位解码;和/或
根据方案1~9中任一所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其设置在所述量子密钥分发系统的发射端,用于相位编码。
利用本实用新型的方案,可实现多个优点。例如,本实用新型通过控制光脉冲的两个正交偏振态各自在不等臂干涉仪的两臂中传输的相位差之差,实现这两个正交偏振态同时在输出端口有效干涉输出,具备环境干扰免疫的相位基解码功能,从而使得能够实现稳定的环境干扰免疫的相位编码量子密钥分发解决方案。另外,通过在接收端将输入光脉冲分束为两路光脉冲后分别对这两路光脉冲进行相位解码,在相位解码的过程中对每路光脉冲进行直流选基调制,可有利地降低与解码选基时的相位调制相关的要求,尤其对于高速系统而言避免了解码选基时的高速相位调制要求。本实用新型的量子密钥分发解码方案能够抗偏振诱导衰落,能良好地适用于存在环境干扰的高速量子密钥分发应用情形。
附图说明
图1为本实用新型一优选实施例的相差控制的直流调制量子密钥分发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差控制的直流调制量子密钥分发相位解码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差控制的直流调制量子密钥分发相位解码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差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置的组成结构示意图。
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差控制的直流调制量子密钥分发相位解码方法如图1所示,具体包括以下步骤:
步骤S101:将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为第一路光脉冲和第二路光脉冲。
具体的,入射的输入光脉冲是任意偏振态的,可以是线偏振的、圆偏振的或者椭圆偏振的完全偏振光,也可以是部分偏振光或者非偏振光。
优选地,将入射的一路输入光脉冲按50:50分束为两路光脉冲。
步骤S102:分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码。
如本领域技术人员会理解的,每一路光脉冲可以看成由两个正交偏振态组成。自然地,由一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲也可以同样看成由与该路光脉冲相同的两个正交偏振态组成。
根据一种可能的实施方式,分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码可包括:
对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲,
将该路光脉冲分束为两路子光脉冲;以及
分别在两条子光路上传输所述两路子光脉冲,并将所述两路子光脉冲作相对延时后合束输出,
其中控制该路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
在图1的方法中,在分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码的过程中如下所述进行相位调制:在分束至合束的过程中,对所述第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制,和/或对所述第二路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。
这里,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。
关于一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经相应的两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍,举例而言,假设这两个正交偏振态分别为x偏振态和y偏振态,将x偏振态在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差表示为Δx,将y偏振态在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差表示为Δy,则该路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍可以表示为:
Δx–Δy=2π.m,
其中m为整数,可以为正整数、负整数或零。
在一种可能的实施方式中,对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲:用于传输该路光脉冲分束得到的两路子光脉冲的两条子光路包括对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路,和/或在这两条子光路上具有对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光器件。在这种情况下,控制该路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍包括:分别保持这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条子光路上传输时偏振态不变;以及,调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小,使得这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。可选地,这可以通过以下任一实现:i)将所述两条子光路配置为保偏光纤光路,将所述保偏光纤光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件;ii)将所述两条子光路配置为自由空间光路,将所述两条光路上的光器件配置为偏振保持光器件。本文中,“保偏光纤光路”是指采用保偏光纤传输光脉冲的光路或保偏光纤连接形成的光路。“非双折射光器件”是指对于不同的偏振态(例如,两个正交偏振态)具有相同折射率的光器件。另外,偏振保持光器件也可称为保偏光器件。
在一种可能的实施方式中,可将上述两条子光路配置为自由空间光路,将所述两条光路上的光器件配置为非双折射光器件。在这种情况下,这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条子光路上传输时偏振态保持不变,并且这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差可以相同。
在一种可能的实现中,对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲:在用于对该路光脉冲分束得到的两路子光脉冲进行传输的两条子光路中的至少一条子光路上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器。保偏光纤拉伸器适于调节其所在的光路的保偏光纤长度。双折射相位调制器适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制,因而可被设置来影响和调整该路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差。例如,双折射相位调制器可以为铌酸锂相位调制器,通过控制施加至铌酸锂晶体的电压,可以对通过该铌酸锂相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。由此,双折射相位调制器可用于影响和调整该路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差。
对一个光脉冲进行直流相位调制可通过多种手段实现,这些手段可包括:调制自由空间光路的长度,或者调制光纤的长度,或者调制偏振无关相位调制器等。例如,可通过用电机改变自由空间光路的长度来实现期望的直流相位调制。再如,可通过利用压电效应的光纤拉伸器来调制光纤的长度,由此实现相位调制。另外,相位调制器可以是适于电压控制的其他类型,通过施加合适的直流电压至偏振无关相位调制器来对光脉冲的两个正交偏振态进行相同的相位调制,可实现期望的直流相位调制。在直流相位调制的情况下,无需变换施加至相位调制器的电压。
在一个优选实施例中,对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一所作的相位调制与对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的另一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一所作的相位调制相差90度。
本实用新型一优选实施例的一种相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置如图2所示,包括以下组成部分:前置分束器201;第一分束器202、第一合束器204及它们之间的两条第一子光路;以及,第二分束器205、第二合束器207及它们之间的两条第二子光路。两条第一子光路之一上设置有第一直流相位调制器203,两条第二子光路之一上设置有第二直流相位调制器206。第一分束器202、第一合束器204及它们之间的两条第一子光路总体可称为第一相位解码器,第二分束器205、第二合束器207及它们之间的两条第二子光路总体可称为第二相位解码器。
前置分束器201用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲。
第一相位解码器与前置分束器201光耦合,用于接收上述两路光脉冲中的一路光脉冲并对其进行相位解码。为方便起见,该一路光脉冲在下文中亦称为第一路光脉冲。
第二相位解码器与前置分束器201光耦合,用于接收上述两路光脉冲中的另一路光脉冲并对其进行相位解码。为方便起见,该另一路光脉冲在下文中亦称为第二路光脉冲。
第一分束器202用于将第一路光脉冲分束为两路第一子光脉冲,以分别经两条第一子光路传输并由这两条第一子光路作相对延时后由第一合束器204合束输出。第一直流相位调制器203用于对经其所在的两条第一子光路之一传输的第一子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。具体地,两条第一子光路用于分别传输这两路第一子光脉冲,并用于实现这两路第一子光脉冲的相对延时。可通过调节第一分束器202与第一合束器204之间的两条第一子光路中任一的光路物理长度来实现两路第一子光脉冲的相对延时。第一合束器204用于将经两条第一子光路传输来的这两路第一子光脉冲合束输出。
第二分束器205用于将第二路光脉冲分束为两路第二子光脉冲,以分别经两条第二子光路传输并由这两条第二子光路作相对延时后由第二合束器207合束输出。第二直流相位调制器206用于对经其所在的两条第二子光路之一传输的第二子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。具体地,两条第二子光路用于分别传输这两路第二子光脉冲,并用于实现这两路第二子光脉冲的相对延时。可通过调节第二分束器205与第二合束器207之间的两条第二子光路中任一的光路物理长度来实现两路第二子光脉冲的相对延时。第二合束器207用于将经两条第二子光路传输来的这两路第二子光脉冲合束输出。
尽管图2示出第一相位解码器和第二相位解码器均具有直流相位调制器,但第一相位解码器和第二相位解码器中的仅一个具有直流相位调制器是可能的。在任一情况下,优选地,可用的直流相位调制器导致在第一相位解码器和第二相位解码器中的一个相位解码器中所作的相位调制相对于在第一相位解码器和第二相位解码器中的另一个相位解码器中所作的相位调制相差90度。
根据本实用新型,在第一和第二相位解码器中的每个相位解码器中,两条子光路及其上的光器件构造成使得相应一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
就此而言,一个光路对于两个正交偏振态可以存在双折射或不存在双折射,取决于该光路的类型。例如,自由空间光路对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态不存在双折射,而保偏光纤光路对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态通常存在彼此差异较大的双折射。另外,光路上的一个光器件对于两个正交偏振态可以存在双折射或不存在双折射,取决于该光器件的类型。例如,一个非双折射光器件对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态不存在双折射,而一个偏振保持光器件对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态通常存在彼此差异较大的双折射。
对于第一和第二相位解码器中的每一个相位解码器,可以可选地有如下设置:
●相位解码器中的分束器与合束器之间的两条子光路为自由空间光路,这两条子光路中的光器件,包括直流相位调制器——如果有的话,为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。对于该设置,在有偏振保持光器件的情况下,偏振保持光器件本身导致输入至该相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
●相位解码器中的分束器与合束器之间的两条子光路为保偏光纤光路,这两条子光路中的光器件,包括直流相位调制器——如果有的话,为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。
●相位解码器还包括光纤拉伸器和/或双折射相位调制器。光纤拉伸器可位于相位解码器的分束器与合束器之间的两条子光路中的任一子光路上,可用于调节其所在的子光路的保偏光纤长度。通过借助于光纤拉伸器调整保偏光纤长度,可有利地易于实现输入至该相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。此外,光纤拉伸器也可用作直流相位调制器使用。双折射相位调制器可位于所述两条子光路中的任一子光路上,可用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的相位调制。通过控制该双折射相位调制器,通过其的光脉冲的两个正交偏振态各自所经受的相位调制之差可调整。如此,通过利用双折射相位调制器,可方便地影响和调整输入至相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差,易于实现所述差为2π的整数倍。该双折射相位调制器可以为前文所述的铌酸锂相位调制器。
●相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构,干涉仪两臂的光路(即,相位解码器的分束器与合束器之间的两条子光路)采用保偏光纤,这两条子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。这种情况下,两条子光路中的光器件导致输入至该相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
●相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。此时,相位解码器的合束器与分束器为同一器件。在此情况下,相位解码器还包括两个反射镜,这两个反射镜分别位于用于传输相位解码器的分束器分束得到的两路子光脉冲的两条子光路上,分别用于将来自相位解码器的分束器的经所述两条子光路传输来的两路子光脉冲反射回去以便由相位解码器的与分束器为同一器件的合束器合束输出。此外,不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口之一可以为同一端口,并且相位解码器还包括光环形器。该光环形器可位于相位解码器的分束器前端。来自前置分束器201的相应一路光脉冲可从光环形器的第一端口输入并从光环形器的第二端口输出至相位解码器的分束器,来自相位解码器的合束器(与相位解码器的分束器为同一器件)的合束输出可输入至光环形器的第二端口并从光环形器的第三端口输出。
●相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构——此时相位解码器的合束器与分束器为同一器件。干涉仪两臂的光路(即,与为同一器件的分束器和合束器光耦合的、分别用于传输相位解码器的分束器分束得到的两路子光脉冲的两条子光路)采用保偏光纤,这两条子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍。这种情况下,两条子光路中的其他光器件导致输入至该相位解码器的光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
“保偏光纤拍长”是本领域公知的概念,指保偏光纤的两个本征偏振态沿保偏光纤传输产生2π的相位差所对应的保偏光纤长度。
对于图2的实施例,第一分束器和第二分束器优选采用保偏分束器,第一合束器和第二合束器优选采用保偏合束器。
本实用新型另一优选实施例的一种相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置如图3所示,采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构,包括以下组成部分:前置分束器303、保偏分束器304和309、保偏光纤拉伸器305和310、保偏合束器306和311。
前置分束器303的一侧的两个端口301和302之一作为相位解码装置的输入端。保偏分束器304和保偏合束器306构成第一保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的组成部分,保偏分束器304和保偏合束器306之间的两条第一子光路(即,第一保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂)为保偏光纤光路,保偏光纤拉伸器305插入第一保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两个臂中的任一臂。保偏分束器309和保偏合束器311构成第二保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的组成部分,保偏分束器309和保偏合束器311之间的两条第二子光路(即,第二保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂)为保偏光纤光路,保偏光纤拉伸器310插入第二保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两个臂中的任一臂。
工作时,入射光脉冲经前置分束器303的端口301或302进入分束器303、由分束器303分成两路光脉冲进行传输。
来自前置分束器303的一路光脉冲输入至保偏分束器304并由保偏分束器304分束为两路第一子光脉冲以分别经保偏分束器304与保偏合束器306之间的两条第一子光路传输。这两路第一子光脉冲中的一路经保偏光纤拉伸器305进行直流相位调制后传输至保偏合束器306,另一路直接经保偏光纤传输至保偏合束器306,这两路第一子光脉冲在相对延时后经保偏合束器306合束并在合束后由端口307或308输出。保偏分束器304与保偏合束器306之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。
来自前置分束器303的另一路光脉冲输入至保偏分束器309并由保偏分束器309分束为两路第二子光脉冲以分别经保偏分束器309与保偏合束器311之间的两条第二子光路传输。这两路第二子光脉冲中的一路经保偏光纤拉伸器310进行直流相位调制后传输至保偏合束器311,另一路直接经保偏光纤传输至保偏合束器311,这两路第二子光脉冲在相对延时后经保偏合束器311合束并在合束后由端口312或313输出。保偏分束器309与保偏合束器311之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。
保偏光纤拉伸器305和310除了用于直流相位调制以外,另一个用途是可以用来调整保偏光纤长度分别实现保偏分束器304与保偏合束器306之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍,以及保偏分束器309与保偏合束器311之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍:即,分别实现输入第一保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪和第二保偏不等臂马赫-曾德尔干涉仪的光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
本实用新型另一优选实施例的一种相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置如图4所示,采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构,包括以下组成部分:前置分束器403、光环形器404和411、保偏分束器405和412、保偏光纤拉伸器407和414,以及反射镜406、408、413和415。
前置分束器403的一侧的两个端口401和402之一作为该相位解码装置的输入端。对于光环形器404和411中的每一个,由端口A输入的由端口B输出,由端口B输入的由端口C输出。保偏分束器405和反射镜406、408构成第一保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的组成部分,保偏分束器405与反射镜406、408之间的两条第一子光路(即,第一保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂)采用保偏光纤光路,保偏光纤拉伸器407插入第一保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中的任一臂。保偏分束器412和反射镜413、415构成第二保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的组成部分,保偏分束器412与反射镜413、415之间的两条第二子光路(即,第二保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂)采用保偏光纤光路,保偏光纤拉伸器414插入第二保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中的任一臂。
工作时,入射光脉冲经分束器403的端口401或402进入分束器403并由分束器403分束成两路光脉冲进行传输。
来自前置分束器403的一路光脉冲输入至光环形器404的端口A并经光环形器404的端口B输出至保偏分束器405,然后由保偏分束器405分束为两路第一子光脉冲以分别经第一保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂传输。这两路第一子光脉冲中的一路直接传输至反射镜406并由反射镜406反射回来,另一路经保偏光纤拉伸器407进行直流相位调制后传输至反射镜408再由反射镜408反射回来,反射回来的经相对延时后的两条第一子光脉冲经保偏分束器405合束并在合束后由端口410输出或经光环形器404的端口B输入后由光环形器404的端口C传输至端口409输出。保偏分束器405与反射镜406、408之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长一半的整数倍。
来自前置分束器403的另一路光脉冲输入至光环形器411的端口A并经光环形器411的端口B输出至保偏分束器412,然后由保偏分束器412分束为两路第二子光脉冲以分别经第二保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂传输。这两路第二子光脉冲中的一路直接传输至反射镜413并由反射镜413反射回来,另一路经保偏光纤拉伸器414进行直流相位调制后传输至反射镜415再由反射镜415反射回来,反射回来的经相对延时后的两路第二子光脉冲经保偏分束器412合束并在合束后由端口417输出或经光环形器411的端口B输入后由光环形器411的端口C传输至端口416输出。保偏分束器412与反射镜413、415之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长一半的整数倍。
保偏光纤拉伸器407和414除了用于直流相位调制以外,另一个用途是可以用来调整保偏光纤长度分别实现保偏分束器405与反射镜406、408之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长一半的整数倍,以及保偏分束器412与反射镜413、415之间的两条子光路保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长一半的整数倍:即,分别实现输入第一保偏不等臂迈克尔逊干涉仪和第二保偏不等臂迈克尔逊干涉仪的光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
本文中,术语“分束器”和“合束器”可互换使用,分束器亦可称为和用作合束器,反之亦然。
可以在量子密钥分发系统的接收端配置本实用新型的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,用于解码。另外,也可以在量子密钥分发系统的发射端配置本实用新型的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,用于相位编码。
通常,环境干扰引起通信双方传输光纤和编解码干涉仪光纤产生双折射,导致光脉冲在到达接收端解码干涉时偏振态随机变化,使得解码干涉存在偏振诱导衰落,影响量子保密通信系统工作稳定性。本实用新型能够实现光脉冲的两个正交偏振态同时在输出端口有效干涉输出,相当于对两个正交偏振态进行偏振分集处理,可有效解决偏振诱导衰落导致的干涉解码不稳定问题,实现环境干扰免疫的稳定相位解码,而无需使用偏振分束器和两个干涉仪对两个偏振态分别进行解码,另外也消除了对纠偏的需要。此外,通过采用直流相位调制,避免了高速相位调制要求。
通过具体实施方式的说明,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 (10)
1.一种相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,用于对入射的任意偏振态的一路输入光脉冲进行直流调制相位解码,其特征在于,所述相位解码装置包括:
前置分束器,所述前置分束器具有输入端口和两个输出端口,所述输入端口用于接收所述输入光脉冲,所述两个输出端口分别用于输出由所述输入光脉冲分束得到的第一路光脉冲和第二路光脉冲;
与所述前置分束器的所述两个输出端口中的一个输出端口光耦合的第一相位解码器,所述第一相位解码器包括第一分束器、第一合束器以及与所述第一分束器光耦合并与所述第一合束器光耦合的两条第一子光路,所述第一分束器经所述两条第一子光路耦合至所述第一合束器,其中所述两条第一子光路及其上的光器件构造成使得所述第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在所述第一分束器分束至所述第一合束器合束的过程中经所述两条第一子光路传输的相位差相差2π的整数倍;以及,
与所述前置分束器的所述两个输出端口中的另一个输出端口光耦合的第二相位解码器,所述第二相位解码器包括第二分束器、第二合束器以及与所述第二分束器光耦合并与所述第二合束器光耦合的两条第二子光路,所述第二分束器经所述两条第二子光路耦合至所述第二合束器,其中所述两条第二子光路及其上的光器件构造成使得所述第二路光脉冲的两个正交偏振态各自在所述第二分束器分束至所述第二合束器合束的过程中经所述两条第二子光路传输的相位差相差2π的整数倍,
其中所述第一相位解码器具有位于所述两条第一子光路中至少之一上的直流相位调制器,和/或所述第二相位解码器具有位于所述两条第二子光路中至少之一上的直流相位调制器。
2.根据权利要求1所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述两条第一子光路为自由空间光路,所述两条第一子光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件;和/或
所述两条第二子光路为自由空间光路,所述两条第二子光路上的光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。
3.根据权利要求1所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述两条第一子光路为保偏光纤光路,所述两条第一子光路上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件;和/或
所述两条第二子光路为保偏光纤光路,所述两条第二子光路上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。
4.根据权利要求2或3所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,所述相位解码装置还包括:
位于所述两条第一子光路中的任一第一子光路上的第一保偏光纤拉伸器,和/或位于所述两条第一子光路中的任一第一子光路上的第一双折射相位调制器;和/或
位于所述两条第二子光路中的任一第二子光路上的第二保偏光纤拉伸器,和/或位于所述两条第二子光路中的任一第二子光路上的第二双折射相位调制器。
5.根据权利要求1~3中任一项所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,所述直流相位调制器用光纤拉伸器或长度可调的自由空间光路或偏振无关相位调制器实现。
6.根据权利要求1所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,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的结构。
7.根据权利要求1或3或6所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述第一相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构,所述两条第一子光路为保偏光纤光路,其中所述两条第一子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍;和/或
所述第二相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构,所述两条第二子光路为保偏光纤光路,其中所述两条第二子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的整数倍。
8.根据权利要求1或3或6所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述第一相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构,所述两条第一子光路为保偏光纤光路,其中所述两条第一子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍;和/或
所述第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构,所述两条第二子光路为保偏光纤光路,其中所述两条第二子光路的保偏光纤长度之差为保偏光纤拍长的一半的整数倍。
9.根据权利要求1或6所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其特征在于,
所述第一相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构,所述第一合束器与所述第一分束器为同一器件,所述第一相位解码器还包括:
两个第一反射镜,所述两个第一反射镜分别位于所述两条第一子光路上,分别用于将来自所述第一分束器的经所述两条第一子光路传输来的两路光脉冲反射回所述第一合束器;和,
第一光环形器,所述第一光环形器位于所述第一分束器前端,所述第一光环形器具有第一端口、第二端口和第三端口,所述第一光环形器的第一端口用于接收所述第一路光脉冲,所述第一光环形器的第二端口光耦合至所述第一分束器,所述第一光环形器的第三端口用于输出;和/或
所述第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构,所述第二合束器与所述第二分束器为同一器件,所述第二相位解码器还包括:
两个第二反射镜,所述两个第二反射镜分别位于所述两条第二子光路上,分别用于将来自所述第二分束器的经所述两条第二子光路传输来的两路光脉冲反射回所述第二合束器;和
第二光环形器,所述第二光环形器位于所述第二分束器前端,所述第二光环形器具有第一端口、第二端口和第三端口,所述第二光环形器的第一端口用于接收所述第二路光脉冲,所述第二光环形器的第二端口光耦合至所述第二分束器,所述第二光环形器的第三端口用于输出,
其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口之一为同一端口。
10.一种量子密钥分发系统,包括:
根据权利要求1~9中任一项所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其设置在所述量子密钥分发系统的接收端,用于相位解码;和/或
根据权利要求1~9中任一项所述的相差控制的直流调制量子密钥分发相位解码装置,其设置在所述量子密钥分发系统的发射端,用于相位编码。
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CN110493001A (zh) * | 2019-09-23 | 2019-11-22 | 中国电子科技集团公司电子科学研究院 | 一种连续变量量子密钥分发系统 |
CN114499686A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-13 | 中国科学技术大学 | 应用于光芯片的量子密钥分发系统的接收端系统 |
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