CN209233847U - 基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特‑相位解码装置及相应的系统。该装置包括：前置分束器，被配置用于将输入光脉冲分束为第一路和第二路光脉冲，并将第二路光脉冲输出用于时间比特解码；相位解码器，被配置用于对第一路光脉冲进行相位解码，相位解码器包括第一分束器、第一合束器、两条子光路和相位调制器，至少一条子光路包含至少一个偏振正交旋转装置，其被配置用于将一路子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，两条子光路及其上的光器件被构造成控制第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。本实用新型能实现环境干扰免疫的时间比特‑相位编码量子密钥分发方案。

Description

基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置 及系统

技术领域

本实用新型涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码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，地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输，而光脉冲在光纤量子信道传输过程中，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，产生随机双折射效应。量子密钥分发时间-相位协议采用一组时间基和一组相位基编码，时间基采用两个不同时间位置的时间模式来编码，相位基采用前后光脉冲的两个相位差来编码。受光纤随机双折射的影响，光脉冲经长距离光纤传输后到达接收端时，其偏振态发生了随机变化。时间- 相位编码中的时间基解码不受偏振态变化的影响，然而相位基在干涉解码时，因传输光纤和编解码干涉仪光纤双折射影响，存在偏振诱导衰落问题，导致解码干涉不稳定，造成误码率升高，若增加纠偏设备，增加了系统复杂度和成本，且对架空光缆、路桥光缆等强干扰情况难以稳定应用。对量子密钥分发时间-相位编码方案，如何解决时间比特-相位编码量子密钥分发应用中相位基解码时因偏振诱导衰落引起的相位解码干涉不稳定，以实现稳定高效地进行相位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

为解决上述问题至少之一，本实用新型提出一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置和系统。

本实用新型提供至少以下技术方案：

1.一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述时间比特-相位解码装置包括：

前置分束器，被配置用于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；以及，

与所述前置分束器光耦合的相位解码器，被配置用于对所述第一路光脉冲进行相位解码，

所述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子光路，其中

所述第一分束器被配置用于将所述第一路光脉冲分束为两路子光脉冲；

所述两条子光路用于分别传输所述两路子光脉冲，并用于实现所述两路子光脉冲的相对延时；

所述第一合束器被配置用于将相对延时后的所述两路子光脉冲合束输出，

其中，在所述两条子光路中的所述至少一条子光路中包含至少一个偏振正交旋转装置，所述偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该偏振正交旋转装置后，该一路子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，并且

其中在所述相位解码器中，所述两条子光路及其上的光器件被构造成，控制该第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，

其中所述相位解码器具有位于所述第一分束器前端或位于所述两条子光路中的任一子光路上的相位调制器，所述相位调制器被配置用于对通过其的光脉冲按照量子密钥分发协议随机地进行0度相位调制或180度相位调制，

其中所述前置分束器还被配置用于将所述第二路光脉冲输出用于进行时间比特解码。

2.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两条子光路配置为保偏光纤光路，所述两条子光路及其上的光器件被进一步构造成，控制保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条子光路中的一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条子光路中的另一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍。

3.根据方案1或2所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特- 相位解码装置，其特征在于，

所述两条子光路均包含一个偏振正交旋转装置，且每个偏振正交旋转装置位于所在子光路的中点。

4.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述偏振正交旋转装置为90度法拉第旋转器或者半波片。

5.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位解码器还包括：

位于所述两条子光路中的任一子光路上的保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器被配置用于调节其所在的光路的保偏光纤长度；和/或

位于所述两条子光路中的任一子光路上的双折射相位调制器，所述双折射相位调制器被配置用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。

6.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位调制器为偏振无关相位调制器。

7.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，

所述相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的光路结构；或者，

所述相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构，其中所述第一合束器与所述第一分束器为同一器件，所述相位解码器还包括：

两个反射镜，所述两个反射镜分别位于所述两条子光路上，并且分别被配置用于将来自所述第一分束器的经所述两条子光路传输来的所述两路子光脉冲反射回所述第一分束器，

其中所述第一分束器被配置用于将反射回的所述两路子光脉冲合束后输出。

8.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器和所述第一合束器以及所述第一分束器和所述第一合束器之间光路上的光器件为偏振保持光器件或非双折射光器件。

9.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述时间比特-相位解码装置还包括第二分束器，所述第二分束器光耦合至所述前置分束器，并且被配置用于接收所述第二路光脉冲并将所述第二路光脉冲分束后输出用于进行时间比特解码。

10.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括：

根据方案1～9中任一项所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-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时间比特- 相位解码；和/或

根据方案1～9中任一项所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-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时间比特- 相位编码。

利用本实用新型的方案，可实现多个优点。例如，针对时间比特-相位编码量子密钥分发应用，本实用新型通过在干涉仪两臂中采用偏振正交旋转装置，易于控制相位基解码中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，由此实现环境干扰免疫的相位基解码功能，使得能够实现稳定的环境干扰免疫的时间比特-相位编码量子密钥分发解决方案。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，同时避免对复杂的纠偏设备的需要。

附图说明

图1为用于本实用新型一优选实施方案的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置的相应方法的流程图；

图2为本实用新型一优选实施方案的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-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方案的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-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方案的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置的组成结构示意图；

图5为本实用新型另一优选实施方案的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置的组成结构示意图；

图6为本实用新型另一优选实施方案的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-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方案，其中，附图构成本申请的一部分，并与本实用新型的实施方案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。

图1为用于本实用新型一优选实施方案的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置的相应方法的流程图，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。

步骤S102：按照量子密钥分发协议，对所述第一路光脉冲进行相位解码并对所述第二路光脉冲进行时间比特解码。

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 (例如，正交的x偏振态和y偏振态)组成。同样，由第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲也可以看成由与该第一路光脉冲相同的两个正交偏振态组成。

步骤S103：对第一路光脉冲进行相位解码可包括：

将所述第一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，在所述两条子光路中的所述至少一条子光路中包含至少一个偏振正交旋转装置，所述偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该偏振正交旋转装置后，该一路子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，并且

其中控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。

另外，对于图1的方法，在对第一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：在第一路光脉冲分束之前，对第一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制；或者，在第一路光脉冲分束至合束的过程中，对在所述两条子光路上传输的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行相位调制。在第一路光脉冲分束之前对第一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制可以通过对该第一路光脉冲中的相邻的前后两个输入光脉冲之一进行相位调制来实现。

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。

关于控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差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，则所述第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，或者说所述第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，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，用于传输第一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第一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第一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，所述控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：对于没有设置偏振正交旋转装置的子光路，分别保持这两个正交偏振态中的每一个偏振态在分束至合束的过程中经该子光路传输时保持偏振态不变，和/或对于设置有偏振正交旋转装置的子光路，分别保持经所述偏振正交旋转装置进行偏振正交旋转前保持其对应的正交偏振态不变和进行偏振正交旋转后保持其对应的正交偏振态不变；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中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，换言之，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方式实现：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)将所述两条子光路之一配置为自由空间光路，将所述两条子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，所述控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：

所述两条子光路配置为保偏光纤光路，控制保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条子光路中的一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条子光路中的另一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍，从而进一步使得该第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，换言之，使得该第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所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍。

在一种可能的实施方式中，所述控制所述第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：

所述两条子光路均包含一个偏振正交旋转装置，且每个偏振正交旋转装置位于所在子光路的中点。

在一种可能的实施方式中，可将两条子光路配置为自由空间光路，将所述两条子光路上的光器件配置为非双折射光器件。

在一种可能的实施方式中，在用于对第一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，因而保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器可被设置来调整该第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态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第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所述两条子光路传输的相位差之差。

对一个光脉冲进行相位调制可通过偏振无关相位调制器实现。偏振无关相位调制器适于对光脉冲的两个正交偏振态进行相同的相位调制，所以被称为偏振无关的。举例而言，偏振无关相位调制器可以由两个双折射相位调制器串联或并联实现。根据情况，可以通过多种具体手段来实现相位调制。例如，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，或者利用串联或并联光波导相位调制器等。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，可实现期望的相位调制。

在一个优选实施方案中，对第一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制包括：对第一路光脉冲随机地进行0度相位调制或180度相位调制。在一个优选实施方案中，对在所述两条子光路上传输的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行相位调制包括：对在所述两条子光路上传输的两路子光脉冲中之一随机地进行0度相位调制或180度相位调制。这里，随机地进行0度相位调制或180度相位调制是指随机地进行选自0度相位调制和180度相位调制这两者中的相位调制。

根据一种可能的实施方式，对所述第二路光脉冲进行时间比特解码包括：将所述第二路光脉冲直接输出用于探测；或者将所述第二路光脉冲分束后输出用于探测。

本实用新型一优选实施方案的一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-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、分束器202(也可称为“第二分束器”)、分束器203(也可称为“第一分束器”)、相位调制器204、合束器205(也可称为“第一合束器”)、以及偏振正交旋转装置206或207。分束器203、合束器205及它们之间的两条子光路总体可称为相位解码器。所述偏振正交旋转装置206或207被配置用于将经其传输的一路子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该偏振正交旋转装置后，该一路子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态。

优选地，所述偏振正交旋转装置206或207可以为90度法拉第旋转器或者半波片。所述90度法拉第旋转器能够将沿保偏光纤慢轴传输的子光脉冲旋转到沿保偏光纤快轴传输，和/或将沿保偏光纤快轴传输的子光脉冲旋转到沿保偏光纤慢轴传输，从而实现子光脉冲的两个正交偏振态的偏振正交旋转。对于所述半波片，在光脉冲的两个正交偏振态之一的极化方向被设置为与半波片的快轴或慢轴的夹角为45度时，半波片就可以将子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，从而实现子光脉冲的偏振正交旋转。

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。

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，相位解码器接收的该一路光脉冲在下文中亦称为第一路光脉冲。

分束器202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(亦称为“第二路光脉冲”)，并将该另一路光脉冲分束后输出用于进行时间比特解码。这里，需要说明的是，分束器202是可选的。由前置分束器201将该另一路光脉冲直接输出用于进行时间比特解码也是可能的。

分束器203用于将来自前置分束器201的第一路光脉冲分束为两路子光脉冲，以分别经两条子光路传输并由这两条子光路作相对延时后由合束器205 合束输出。相位调制器204用于对经其所在的两条子光路之一传输的子光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。具体地，两条子光路用于分别传输这两路子光脉冲，并用于实现这两路子光脉冲的相对延时。可通过调节分束器203与合束器205之间的两条子光路中任一子光路的光路物理长度来实现两路子光脉冲的相对延时。合束器205用于将经两条子光路传输来的这两路子光脉冲合束输出。

优选地，所述两条子光路被配置为保偏光纤，所述两条子光路及其上的光器件被进一步构造成，控制所述保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条子光路中的一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条子光路中的另一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍，从而使得第一路输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态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。

优选地，相位调制器204用于对通过其的子光脉冲随机地进行0度相位调制或180度相位调制。如本领域中已知的，这种相位调制方式有时也被称为“交流相位调制”。

根据本实用新型，在相位解码器中，两条子光路及其上的光器件被构造成，控制该第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，换言之，使得第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可以为自由空间光路，这两条子光路中的光器件，包括相位调制器——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第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。

·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，其中，在所述两条子光路中的所述至少一条子光路中包含至少一个偏振正交旋转装置(例如，90度法拉第旋转器或者半波片)，所述偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该偏振正交旋转装置后，该一路子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态。另外，这两条子光路中的光器件，包括相位调制器——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第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。此外，光纤拉伸器也可用作相位调制器使用。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，可用于对通过其的子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，通过其的子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第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，假设干涉仪的两臂分别包含一个偏振正交旋转装置206和一个偏振正交旋转装置207。假设分束器至一臂中的偏振正交旋转装置206的距离为L1、该一臂中的偏振正交旋转装置206至合束器的距离为L2，分束器至另一臂中的偏振正交旋转装置207的距离为L3、该另一臂中的偏振正交旋转装置207至合束器的距离为L4，长度关系可优选地满足(L1－L2)－(L3－L4)＝nβ，其中n为正整数、负整数或零，β为保偏光纤拍长。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第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。在一个优选实施方案中，两个偏振正交旋转装置可以分别位于两臂的中点，也即是L1＝L2且L3＝L4，长度关系满足(L1－L2)－(L3－L4)＝0。

·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，在一个实施方案中，相位解码器也可以包括光环形器(未示出)。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。不过，在本实用新型的另一个实施方案中，也可以利用分束器的另一个端口(例如图5中分束器507的端口514，或图6中分束器 605的端口612)作为迈克尔逊干涉仪的输出端口。由于根据本实用新型的相位解码器的输出端口只需要一个，当相位解码器的输出端口与输入端口为同一端口时需要增加相应的光环形器；当相位解码器的输出端口与输入端口不同时，不需要光环形器。优选的，所述第一分束器与所述两个反射镜构成的所述干涉仪两臂的光路(即，相位解码器的分束器与两个反射镜之间的两条子光路)采用保偏光纤，干涉仪的两臂可分别包含一个偏振正交旋转装置，假设分束器至一臂中的偏振正交旋转装置的距离为L1、该一臂中的偏振正交旋转装置至两个反射镜中的一个反射镜的距离为L2，分束器至另一臂中的偏振正交旋转装置的距离为L3、该另一臂中的偏振正交旋转装置至两个反射镜中的另一个反射镜的距离为L4，考虑到子光脉冲沿两臂往返传输，在传输过程中经过保偏光纤慢轴或快轴传输的距离为对应保偏光纤长度的2倍，长度关系优选地满足2(L1－L2)－2(L3－L4)＝nβ，其中n为正整数、负整数或零，β为保偏光纤拍长。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第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。在一个优选实施方案中，两个偏振正交旋转装置可以分别位于两臂的中点，也即是L1＝L2且 L3＝L4，长度关系满足2(L1－L2)－2(L3－L4)＝0。

“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。

尽管图2示出在分束器203与合束器205之间设置相位调制器，即在分束至合束的过程中对分束得到的两路子光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制，但也可能的是，在分束器203前端设置相位调制器，即在第一路光脉冲分束之前按照量子密钥分发协议对其进行相位调制。此外，还可能的是，在前置分束器201之前设置相位调制器，即对入射的一路输入光脉冲进行相位调制。

另外，尽管图2中示出了相位解码器具有仅一个相位调制器，但在分束器203与合束器205之间的两条子光路中的每条子光路上各设置一个相位调制器也是可能的。在设置有两个相位调制器的情况下，两个相位调制器所调制的相位之差由量子密钥分发协议确定。

对于图2的实施方案，分束器203和合束器205优选为偏振保持光器件。或者说，分束器203和合束器205可以分别是保偏分束器和保偏合束器。关于偏振保持光器件，其存在两个正交的本征偏振态，对入射的本征偏振态的光脉冲保持偏振态不变，如本领域技术人员已知的。

图3示出根据本实用新型另一优选实施方案的一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置。如图3所示，其中的相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构。具体的，该量子密钥分发时间比特-相位解码装置包括以下组成部分：前置分束器303、分束器304、保偏分束器307、保偏光纤拉伸器309、相位调制器311、保偏合束器312、偏振正交旋转装置308和偏振正交旋转装置310。

前置分束器303的一侧的两个端口301和302之一作为量子密钥分发时间比特-相位解码装置的输入端。分束器304接收通过前置分束器303分束后的一路输入光脉冲并将其分束为两路子光脉冲。保偏分束器307和保偏合束器312构成不等臂马赫-曾德尔干涉仪的组成部分，保偏分束器307和保偏合束器312之间的两条子光路(即，不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂)可以为保偏光纤光路，保偏光纤拉伸器309和相位调制器311可插入不等臂马赫-曾德尔干涉仪的同一臂或者分别插入不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两个臂。不等臂马赫-曾德尔干涉仪两臂包含至少一个偏振正交旋转装置，例如可分别包含一个偏振正交旋转装置308和一个偏振正交旋转装置310。输入到保偏分束器307的光脉冲经不等臂马赫-曾德尔干涉仪解码后由端口313输出。

工作时，入射光脉冲经前置分束器303的端口301或302进入前置分束器303分束成两路光脉冲(第一路光脉冲和第二路光脉冲)传输，其中第一路光脉冲输入保偏分束器307分束为两路子光脉冲，该两路子光脉冲中的一路子光脉冲经偏振正交旋转装置308传输和保偏光纤拉伸器309调制(其中偏振正交旋转装置308和保偏光纤拉伸器309的设置顺序可变换，或者简称为“顺序无关”)，另一路子光脉冲经偏振正交旋转装置310传输和经相位调制器311随机调制0度或180度相位(顺序无关)，两路子光脉冲相对延时后经保偏合束器312合束后由端口313输出。从前置分束器303输出的第二路光脉冲输入分束器304分束为两路子光脉冲经端口305或306输出用于进行时间比特解码。

优选地，假设保偏分束器307与偏振正交旋转装置308之间长度为L1、偏振正交旋转装置308与保偏合束器312之间长度为L2、保偏分束器307与偏振正交旋转装置310之间长度为L3、偏振正交旋转装置310与保偏合束器 312之间长度为L4，调制保偏光纤拉伸器309，使得长度关系满足：

(L1－L3)－(L2－L4)＝nβ，或者说

(L1－L2)－(L3－L4)＝nβ，

其中β为保偏光纤拍长、n为整数；从而使得第一路光脉冲两个正交偏振态各自在不等臂马赫-曾德尔干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。

相位调制器311为偏振无关光器件。若不接相位调制器311，而通过保偏光纤拉伸器309实现相位调制器311的相位调制功能，上述结果不受影响。

图4示出根据本实用新型另一优选实施方案的一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，如图4所示，其中的相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构。该量子密钥分发时间比特-相位解码装置包括以下组成部分：前置分束器403、保偏分束器405、偏振正交旋转装置406 和408、保偏光纤拉伸器407、相位调制器409以及保偏合束器410。

前置分束器403的一侧的两个端口401和402之一作为时间比特-相位解码装置的输入端，用于接收入射的光脉冲。保偏分束器405和保偏合束器410 组成不等臂马赫-曾德尔干涉仪。保偏光纤拉伸器407和相位调制器409可插入不等臂马赫-曾德尔干涉仪的同一臂或者分别插入不等臂马赫-曾德尔干涉仪的两个臂。不等臂马赫-曾德尔干涉仪两臂中至少一臂包含至少一个偏振正交旋转装置，例如两臂可分别包含一个偏振正交旋转装置406和一个偏振正交旋转装置408，输入到保偏分束器405的光脉冲经不等臂马赫-曾德尔干涉仪解码后由端口411输出。

工作时，光脉冲经前置分束器403的端口401或402进入前置分束器403 分束成两路光脉冲传输，一路光脉冲由端口404直接输出；另一路光脉冲输入保偏分束器405分束为两路子光脉冲，其中一路子光脉冲经偏振正交旋转装置406传输和保偏光纤拉伸器407调制(顺序无关)，另一路子光脉冲经偏振正交旋转装置408传输和经相位调制器409调制(顺序无关)，两路子光脉冲相对延时后经保偏合束器410合束后由端口411输出。

优选地，假设保偏分束器405与偏振正交旋转装置406之间长度为L1’、偏振正交旋转装置406与保偏合束器410之间长度为L2’、保偏分束器405 与偏振正交旋转装置408之间长度为L3’、偏振正交旋转装置408与保偏合束器410之间长度为L4’，调制保偏光纤拉伸器407，使得长度关系满足：

(L1’－L3’)－(L2’－L4’)＝nβ，或者说

(L1’－L2’)－(L3’－L4’)＝nβ，

其中β为保偏光纤拍长、n为整数；从而使得输入光脉冲两个正交偏振态各自在不等臂马赫-曾德尔干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。

相位调制器409为偏振无关光器件。若不接相位调制器409，而通过保偏光纤拉伸器407实现相位调制器409的相位调制功能，上述结果不受影响。

图5示出本实用新型另一优选实施方案的一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，如图5所示，其中的相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。具体的，该量子密钥分发时间比特-相位解码装置包括以下组成部分：前置分束器503、分束器504、保偏分束器507、偏振正交旋转装置508和511、保偏光纤拉伸器509、相位调制器512、反射镜510 和513。

前置分束器503的一侧的两个端口501和502之一作为时间比特-相位解码装置的输入端，分束器504接收通过前置分束器503分束后的一路输入光脉冲并将其分束为两路子光脉冲。保偏分束器507和反射镜510、513组成不等臂迈克尔逊干涉仪，保偏光纤拉伸器509和相位调制器512可插入不等臂迈克尔逊干涉仪的同一臂或者分别插入不等臂迈克尔逊干涉仪的两个臂。不等臂迈克尔逊干涉仪两臂中至少一臂包含至少一个偏振正交旋转装置，例如两臂可分别包含一个偏振正交旋转装置508和一个偏振正交旋转装置511。输入到保偏分束器507的光脉冲经不等臂迈克尔逊干涉仪解码后由保偏分束器 507的端口514输出。在该示例中，保偏分束器507既起到保偏分束器的作用，也起到保偏合束器的作用。

工作时，光脉冲经前置分束器503的端口501或502进入前置分束器503 分束成两路光脉冲传输，即，第一路光脉冲和第二路光脉冲。第二路光脉冲输入到分束器504后，被分束为两路子光脉冲经由端口505或端口506输出用于时间比特解码。第一路光脉冲输入到保偏分束器507后被分束为两路子光脉冲，其中一路子光脉冲经偏振正交旋转装置508传输和保偏光纤拉伸器 509调制(顺序无关)后由反射镜510反射回来，另一路子光脉冲经偏振正交旋转装置511传输和经相位调制器512调制(顺序无关)后由反射镜513 反射回来，反射回来的相对延时的两路子光脉冲经保偏分束器507合束后由保偏分束器507的端口514输出，或者在安装有光环形器的情况下，也可以通过光环形器的端口输出。

优选地，假设保偏分束器507与偏振正交旋转装置508之间长度为L1”、偏振正交旋转装置508与反射镜510之间长度为L2”、保偏分束器507与偏振正交旋转装置511之间长度为L3”、偏振正交旋转装置511与反射镜513 之间长度为L4”，调制保偏光纤拉伸器509，使得长度关系满足：

2(L1”－L3”)－2(L2”－L4”)＝nβ，或者

2(L1”－L2”)－2(L3”－L4”)＝nβ

其中β为保偏光纤拍长、n为整数；从而使得第一路光脉冲两个正交偏振态各自在不等臂迈克尔逊干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。

相位调制器512为偏振无关光器件。若不接相位调制器512，而通过保偏光纤拉伸器509实现相位调制器512的相位调制功能，上述结果不受影响。

图6示出根据本实用新型的另一实施方案的一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间-相位解码装置。如图6所示，其中的相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。具体的，该量子密钥分发时间比特-相位解码装置包括以下组成部分：前置分束器603、保偏分束器605、偏振正交旋转装置606和 609、保偏光纤拉伸器607、相位调制器610、反射镜608和611。

前置分束器603的一侧的两个端口601和602之一作为时间比特-相位解码装置的输入端。保偏分束器605和反射镜608、611组成不等臂迈克尔逊干涉仪。保偏光纤拉伸器607和相位调制器610可插入不等臂迈克尔逊干涉仪的同一臂或者分别插入不等臂迈克尔逊干涉仪的两个臂。不等臂迈克尔逊干涉仪的两臂中至少一臂包含至少一个偏振正交旋转装置，例如，两臂可分别包含一个偏振正交旋转装置606和一个偏振正交旋转装置609。输入至分束器保偏605的光脉冲经不等臂迈克尔逊干涉仪解码后由保偏分束器605的端口612输出，或者在安装有光环形器的情况下，也可以通过光环形器的端口输出。

工作时，光脉冲经前置分束器603的端口601或602进入前置分束器603 分束成两路光脉冲传输，即，第一路光脉冲和第二路光脉冲。第二路光脉冲由端口604直接输出用于时间比特解码；第一路光脉冲输入保偏分束器605 分束为两路子光脉冲，一路子光脉冲经偏振正交旋转装置606传输和保偏光纤拉伸器607调制(顺序无关)后由反射镜608反射回来，另一路子光脉冲经偏振正交旋转装置609传输和经相位调制器610调制(顺序无关)后由反射镜611反射回来，反射回来的相对延时的两路子光脉冲经保偏分束器605 合束后由保偏分束器605的端口612输出。在该示例中，保偏分束器605既起到保偏分束器的作用，也起到保偏合束器的作用。

优选地，假设保偏分束器605与偏振正交旋转装置606之间长度为L1”’、偏振正交旋转装置606与反射镜608之间长度为L2”’、保偏分束器605与偏振正交旋转装置609之间长度为L3”’、偏振正交旋转装置609与反射镜611 之间长度为L4”’，调制保偏光纤拉伸器607，使得长度关系满足：

2(L1”’－L3”’)－2(L2”’－L4”’)＝nβ，或者说

2(L1”’－L2”’)－2(L3”’－L4”’)＝nβ，

其中β为保偏光纤拍长、n为整数；从而使得第一路光脉冲的两个正交偏振态各自在不等臂迈克尔逊干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。

相位调制器610为偏振无关光器件。若不接相位调制器610，而通过保偏光纤拉伸器607实现相位调制器610的相位调制功能，上述结果不受影响。

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。

再一方面，本实用新型提供一种量子密钥分发系统，可以在量子密钥分发系统的接收端配置本实用新型的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，用于时间比特-相位解码。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基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特- 相位解码装置，用于时间比特-相位编码。

本实用新型通过在干涉仪两臂中采用偏振正交旋转装置，易于控制相位基解码中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。另外，本实用新型能够实现相位基解码中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。

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。

尽管已经详细地说明了示例实施方案，前述说明在所有方面都是说明性的而不是限制性的。应当理解，可以设计出多个其它改型和变体而不偏离示例实施方案的范围，这些都落入本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述时间比特-相位解码装置包括：

前置分束器，被配置用于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；以及，

与所述前置分束器光耦合的相位解码器，被配置用于对所述第一路光脉冲进行相位解码，

所述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子光路，其中

所述第一分束器被配置用于将所述第一路光脉冲分束为两路子光脉冲；

所述两条子光路用于分别传输所述两路子光脉冲，并用于实现所述两路子光脉冲的相对延时；

所述第一合束器被配置用于将相对延时后的所述两路子光脉冲合束输出，

其中，在所述两条子光路中的所述至少一条子光路中包含至少一个偏振正交旋转装置，所述偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该偏振正交旋转装置后，该一路子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，并且

其中在所述相位解码器中，所述两条子光路及其上的光器件被构造成，控制该第一路光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，

其中所述相位解码器具有位于所述第一分束器前端或位于所述两条子光路中的任一子光路上的相位调制器，所述相位调制器被配置用于对通过其的光脉冲按照量子密钥分发协议随机地进行0度相位调制或180度相位调制，

其中所述前置分束器还被配置用于将所述第二路光脉冲输出用于进行时间比特解码。

2.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述两条子光路配置为保偏光纤光路，所述两条子光路及其上的光器件被进一步构造成，控制保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条子光路中的一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条子光路中的另一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍。

3.根据权利要求1或2所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，

所述两条子光路均包含一个偏振正交旋转装置，且每个偏振正交旋转装置位于所在子光路的中点。

4.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述偏振正交旋转装置为90度法拉第旋转器或者半波片。

5.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位解码器还包括：

位于所述两条子光路中的任一子光路上的保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器被配置用于调节其所在的光路的保偏光纤长度；和/或

位于所述两条子光路中的任一子光路上的双折射相位调制器，所述双折射相位调制器被配置用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。

6.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述相位调制器为偏振无关相位调制器。

7.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，

所述相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的光路结构；或者，

所述相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构，其中所述第一合束器与所述第一分束器为同一器件，所述相位解码器还包括：

两个反射镜，所述两个反射镜分别位于所述两条子光路上，并且分别被配置用于将来自所述第一分束器的经所述两条子光路传输来的所述两路子光脉冲反射回所述第一分束器，

其中所述第一分束器被配置用于将反射回的所述两路子光脉冲合束后输出。

8.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述第一分束器和所述第一合束器以及所述第一分束器和所述第一合束器之间光路上的光器件为偏振保持光器件或非双折射光器件。

9.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-相位解码装置，其特征在于，所述时间比特-相位解码装置还包括第二分束器，所述第二分束器光耦合至所述前置分束器，并且被配置用于接收所述第二路光脉冲并将所述第二路光脉冲分束后输出用于进行时间比特解码。

10.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括：

根据权利要求1～9中任一项所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-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时间比特-相位解码；和/或

根据权利要求1～9中任一项所述的基于偏振正交旋转的量子密钥分发时间比特-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时间比特-相位编码。