CN210041849U - 一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统，发送端包括依次连接的脉冲激光器、强度调制器、光纤隔离器、相位编码单元以及电可调衰减器，所述接收端包括光纤环形器、相位解码单元、第一单光子探测器以及第二单光子探测器，相位编解码单元是由一个不等臂MZ(Mach‑Zehnder)干涉仪和一个Sagnac环构成。与现有技术相比，本实用新型可以自动补偿MZ干涉仪长短臂的偏振变化，保证走长短臂的两路脉冲偏振一致，从而实现抗信道偏振扰动；对相位调制器的电压幅度要求较低；由于Sagnac环的引入，一个光脉冲的两个偏振分量分别从相反的方向经过相位调制器，相当于整个光脉冲只经过一次调相，因此插损小，而且系统工作速率不受结构限制，可达到GHz以上，大幅度提高了密钥生产率。

Description

一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统。

背景技术

光纤量子密钥分发系统一般采用单模光纤作为传输信道，但由于光纤信道存在固有双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会发生变化，且会随着外界环境的变化而改变，从而使得光子在进入接收端时偏振态无法预测。因此，传统的基于双不等臂马赫-增德尔干涉环方案的量子密钥分发系统稳定性差，容易受到环境干扰。

为了提高量子密钥分发系统的稳定性与实用性，研究者提出了两类解决方案。其中一类是主动偏振补偿，在接收端增加偏振补偿模块，通过反馈控制进行偏振跟踪与补偿，这类方案会增加系统复杂度，耗时耗资源，且误码率偏高；另外一类是对偏振态被动补偿，如Plug-and-play(即插即用)往返式量子密钥分发系统，使用法拉第镜将入射光偏振态旋转90度的特性，来抵消光纤信道对光子偏振态的作用，从而保证系统的稳定性。但是，由于其往返式结构，使得这种方案存在安全隐患，容易受到木马攻击，而且系统的工作频率受到限制，光纤的拉曼散射效应也会增加系统噪声。还有一种解决方案是在发送端增加一个消偏器，在光子进入光纤信道之前进行偏振态随机化，这样可以消除光纤双折射效应以及环境扰动对偏振态的影响，在接收端增加一个偏振分束器进行起偏，可以获得稳定的干涉结果。但是这个方案会增加一倍的损耗，使系统的效率降低了一半。

实用新型内容

针对现有技术存在以上缺陷，本实用新型提供一种简单的偏振编码量子密钥分发系统如下：

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，所述发送端包括依次连接的脉冲激光器、强度调制器、光纤隔离器、相位编码单元以及电可调衰减器，所述接收端包括光纤环形器、相位解码单元、第一单光子探测器以及第二单光子探测器，所述光纤环形器一端口通过光纤连接发送端的电可调衰减器，二端口通过相位解码单元连接第一单光子探测器，三端口连接第二单光子探测器，

所述相位编码单元包括2X2单模光纤分束器、2X2偏振分束器、相位调制器以及法拉第旋转器，所述2X2单模光纤分束器的三端口、四端口分别通过长短臂光纤连接2X2偏振分束器的一端口、二端口，所述2X2偏振分束器的三端口、四端口分别通过保偏光纤连接法拉第旋转器以及相位调制器，且相位调制器与法拉第旋转器之间通过保偏光纤相连，所述相位编码单元的单模光纤分束器一端口连接光纤隔离器、二端口连接电可调衰减器，

所述相位解码单元的结构与相位编码单元一致，相位解码单元的2X2单模光纤分束器一端口连接光纤环形器的二端口，其二端口连接第一单光子探测器。

优选地，所述发送端与接收端所用光纤除了相位解码单元与相位解码单元内所使用的保偏光纤，其余均为单模光纤。

本实用新型还提供了一种偏振无关的相位编码量子密钥分发方法，包括以下步骤：

1)激光器触发：脉冲激光器通过触发信号以一定重复频率产生一系列的脉冲光；

2)诱骗态调制：光脉冲通过强度调制器被其进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发射端偏振制备：经过强度调制器调制过的光脉冲进入相位编码单元，首先被2X2单模光纤分束器分成两个脉冲分别进入MZ干涉仪长短臂，然后由Sagnac环内的相位调制器进行随机相位调制，使得从MZ干涉仪输出的两个脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2；

4)电控可调衰减器：电可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级；

5)接收端解码：光信号通过光纤信道传输之后进入接收端，先通过一个光纤环形器，然后进入相位解码器，与编码相同，对信号光进行随机4相位调制，分别为0，π/2，π，3π/2；

6)接收端测量：用两路单光子探测器测量系统结果，用于后续处理产生安全密钥。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

1、本实用新型的偏振无关的相位编码量子密钥分发系统采用法拉第旋转器、相位调制器及保偏分束器构成了Sagnac环结构，Sagnac环结构可以自动补偿MZ干涉仪长短臂的偏振变化，保证走长短臂的两路脉冲偏振一致，从而实现抗信道偏振扰动；

2、由于经过长短臂的脉冲可以分别进行相位调制，因此对相位调制器的电压幅度要求较低；

3、由于Sagnac环的引入，一个光脉冲的两个偏振分量分别从相反的方向经过相位调制器，相当于整个光脉冲只经过一次调相，因此插损小，而且系统工作速率不受结构限制，可以达到GHz以上，大幅度提高了密钥生产率。

附图说明

图1为本实用新型一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统的原理框图。

图中：发送端100，脉冲激光器101，强度调制器102，光纤隔离器103，电可调衰减器104，2X2单模光纤分束器105，2X2偏振分束器106，相位调制器107，法拉第旋转器108，接收端200，光纤环形器201，第一单光子探测器202，第二单光子探测器203。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统，包括发送端100与接收端200，所述发送端100包括依次连接的脉冲激光器101、强度调制器102、光纤隔离器103、相位编码单元以及电可调衰减器104，所述接收端200包括光纤环形器201、相位解码单元、第一单光子探测器202以及第二单光子探测器203，所述光纤环形器201一端口通过光纤连接发送端100的电可调衰减器104，二端口通过相位解码单元连接第一单光子探测器202，三端口连接第二单光子探测器203，

所述相位编码单元包括2X2单模光纤分束器105、2X2偏振分束器106、相位调制器107以及法拉第旋转器108，所述2X2单模光纤分束器105的三端口、四端口分别通过长短臂光纤连接2X2偏振分束器106的一端口、二端口，所述2X2偏振分束器106的三端口、四端口分别通过保偏光纤连接法拉第旋转器108以及相位调制器107，且相位调制器107与法拉第旋转器108之间通过保偏光纤相连，所述相位编码单元的2X2单模光纤分束器105一端口连接光纤隔离器103、二端口连接电可调衰减器104，相位编解码单元实质上是由一个不等臂MZ(Mach-Zehnder)干涉仪和一个Sagnac环构成。其中，不等臂MZ干涉仪的长臂(l)有一段延时线(DL)，保证其与短臂(s)之间的臂长差为Δl，且MZ干涉仪和一个Sagnac环共用2X2偏振分束器106。

本实施例的相位编码单元工作原理如下：2X2单模光纤分束器105将入射光脉冲分成两个光脉冲，其中脉冲P1经过不等臂MZ干涉仪的长臂，脉冲P2经过MZ干涉仪的短臂。长臂的脉冲P1被2X2偏振分束器106分解为两个相互正交的偏振态光脉冲P1x和P1y，这两个偏振态光脉冲分别沿顺时针和逆时针经过Sagnac环结构，最后同时返回2X2偏振分束器106并合成为一个脉冲P11，并且回到MZ干涉仪的长臂。由于脉冲P1x和P1y从相反的方向在同一时刻到达相位调制器107，因此被调制了相同的相位θ_l，且最后合成的光脉冲P11的偏振态与入射光脉冲P1的偏振态相互垂直。光脉冲P11返回长臂后，再次经过2X2单模光纤分束器105分成两束光脉冲输出。经过MZ干涉仪短臂的光脉冲P2也会被2X2偏振分束器分解成两个相互正交的偏振态光脉冲P2x和P2y，二者经过Sagnac环同时到达相位调制器107然后被PM调制相位θ_s，接着在2X2偏振分束器106处合成为1个光脉冲P22，其偏振态与P2相互垂直，最后返回MZ干涉仪的短臂，并被2X2单模光纤分束器105分成两束光脉冲输出。最终，从相位编码单元输出两个时间间隔为2Δl/v(其中v为光在光纤中的传播速度)，相位差为θ_l-θ_s的前后两个光脉冲。另外，分别走长短臂的两个脉冲在Sagnac环内的相位调制器107中偏振方向是相互垂直的，而且到达相位调制器107的时间间隔为Δl/v，因此可以对长短臂的两个脉冲进行不同的相位调制。

所述相位解码单元的结构与相位编码单元一致，相位解码单元的单模光纤分束器一端口连接光纤环形器201的二端口，其二端口连接第一单光子探测器202。

所述发送端100与接收端200所用光纤除了相位解码单元与相位解码单元内所使用的保偏光纤，其余均为单模光纤，由此，可以大幅度降低光纤铺设成本。

一种偏振无关的相位编码量子密钥分发方法，包括以下步骤：

1)激光器触发：脉冲激光器通过触发信号以一定重复频率产生一系列的脉冲光；

2)诱骗态调制：光脉冲通过强度调制器被其进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发射端偏振制备：经过强度调制器调制过的光脉冲进入相位编码单元，首先被2X2单模光纤分束器分成两个脉冲分别进入MZ干涉仪长短臂，然后由Sagnac环内的相位调制器进行随机相位调制，使得从MZ干涉仪输出的两个脉冲之间的相位差分别为0，π/2，π，3π/2；

4)电控可调衰减器：电可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级；

5)接收端解码：光信号通过光纤信道传输之后进入接收端，先通过一个光纤环形器，然后进入相位解码器，与编码相同，对信号光进行随机4相位调制，分别为0，π/2，π，3π/2；

6)接收端测量：用两路单光子探测器测量系统结果，用于后续处理产生安全密钥。

综合本实用新型的结构与原理可知，系统采用法拉第旋转器、相位调制器及保偏分束器构成了Sagnac环结构，Sagnac环结构可以自动补偿MZ干涉仪长短臂的偏振变化，保证走长短臂的两路脉冲偏振一致，从而实现抗信道偏振扰动；由于经过长短臂的脉冲可以分别进行相位调制，因此对相位调制器的电压幅度要求较低；由于Sagnac环的引入，一个光脉冲的两个偏振分量分别从相反的方向经过相位调制器，相当于整个光脉冲只经过一次调相，因此插损小，而且系统工作速率不受结构限制，可以达到GHz以上，大幅度提高了密钥生产率。

Claims (2)

1.一种偏振无关的相位编码量子密钥分发系统，包括发送端与接收端，其特征在于，所述发送端包括依次连接的脉冲激光器、强度调制器、光纤隔离器、相位编码单元以及电可调衰减器，所述接收端包括光纤环形器、相位解码单元、第一单光子探测器以及第二单光子探测器，所述光纤环形器一端口通过光纤连接发送端的电可调衰减器，二端口通过相位解码单元连接第一单光子探测器，三端口连接第二单光子探测器，

所述相位编码单元包括2X2单模光纤分束器、2X2偏振分束器、相位调制器以及法拉第旋转器，所述2X2单模光纤分束器的三端口、四端口分别通过长短臂光纤连接2X2偏振分束器的一端口、二端口，所述2X2偏振分束器的三端口、四端口分别通过保偏光纤连接法拉第旋转器以及相位调制器，且相位调制器与法拉第旋转器之间通过保偏光纤相连，所述相位编码单元的2X2单模光纤分束器一端口连接光纤隔离器、二端口连接电可调衰减器，

所述相位解码单元的结构与相位编码单元一致，相位解码单元的单模光纤分束器一端口连接光纤环形器的二端口，其二端口连接第一单光子探测器。

2.如权利要求1所述偏振无关的相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端与接收端所用光纤除了相位解码单元与相位解码单元内所使用的保偏光纤，其余均为单模光纤。

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