CN210143014U - 时间相位解码装置和包括其的量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出时间相位解码装置和包括其的量子密钥分发系统。该时间相位解码装置包括分束器、分别经两个臂与分束器光耦合的两个偏振反相正交旋转反射装置、相位调制器、单个单光子探测器。每个反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，经该输入端口耦合至相应臂。两个输出端口经设置有90度法拉第旋转器的传输光路彼此光耦合。单光子探测器耦合至分束器的未耦合至两个臂的端口中之一，用于在一个脉冲周期内对连续的第一、第二和第三时隙的信号进行探测。相位调制器设置于分束器前端、两个臂中之一上或一个反射装置的传输光路上。本实用新型的方案能抗偏振诱导衰落，且有助于消除或降低多探测器产生的安全性问题。

Description

时间相位解码装置和包括其的量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种时间相位解码装置和量子密钥分发系统。

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。

地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输，因为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，所以采用不等臂干涉仪进行相位编码或包含一组相位编码的时间相位编码方案是量子密钥分发应用的主要编码方案。然而，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。因此，光脉冲经长距离光纤传输以及经不等臂干涉仪两臂光纤传输后，通过不等臂干涉仪进行相位解码干涉时存在偏振诱导衰落的问题，导致解码干涉不稳定，造成误码率升高。若使用纠偏设备，会增加系统复杂度和成本，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。此外，时间相位编码量子密钥分发系统的解码通常包含时间基解码光路和相位基解码光路以分别对时间基和相位基进行选基解码探测，这需要四个探测器，系统成本高，且由于四个探测器性能存在不一致从而存在潜在的攻击漏洞。

对于时间相位编码方案，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时间相位解码装置和基于该解码装置的量子密钥分发系统，以解决时间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。并且，本实用新型使得可以使用减少数量的探测器，由此消除或降低多探测器产生的安全性问题，并可观地降低制造成本和系统复杂度。

本实用新型提供至少以下技术方案：

1.一种时间相位解码装置，包括：分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置、相位调制器、单个单光子探测器，其中，

每个所述反射装置为偏振反相正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述偏振分束器的输入端口耦合至所述两个臂中的相应臂，所述偏振分束器的两个输出端口经传输光路彼此光耦合，所述传输光路上设置有90度法拉第旋转器；

所述单光子探测器耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的一个端口，用于在一个脉冲周期内对连续的第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号进行探测，其中所述一个脉冲周期包括所述第一时隙、第二时隙和第三时隙，

其中所述相位调制器设置于所述分束器前端，或者设置于所述两个臂中至少之一上，或者设置于至少一个包括偏振分束器的反射装置的传输光路上。

2.根据方案1所述的时间相位解码装置，还包括设置在所述单光子探测器与所述分束器的所述一个端口之间的光环形器，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光环形器经由其第二端口耦合至所述分束器的所述一个端口，所述光环形器经由其第三端口耦合至所述单光子探测器，其中所述光环形器的第一端口为所述时间相位解码装置的输入端口，从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，从所述分束器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲由所述光环形器的第三端口输出。

3.根据方案1所述的时间相位解码装置，其中所述相位调制器随机调制0度相位或180度相位。

4.根据方案1所述的时间相位解码装置，其中，

所述相位调制器设置于所述分束器前端，为偏振无关相位调制器；或者

所述相位调制器设置于所述两个臂中至少之一上，为双折射相位调制器；或者

所述相位调制器设置于至少一个包括偏振分束器的反射装置的传输光路上，为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。

5.一种时间相位解码装置，包括：分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置、第一单光子探测器、第二单光子探测器和光环形器，其中，

每个所述反射装置为偏振反相正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述偏振分束器的输入端口耦合至所述两个臂中的相应臂，所述偏振分束器的两个输出端口经传输光路彼此光耦合，所述传输光路上设置有90度法拉第旋转器；

所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，并经由其第二端口耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的一个端口，所述光环形器的第一端口为所述时间相位解码装置的输入端口，由所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，由所述分束器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲由所述光环形器的第三端口输出；

所述第一单光子探测器耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的另一个端口，用于对从所述另一个端口输出的光脉冲进行探测；

所述第二单光子探测器耦合至所述光环形器的第三端口，用于对从所述光环形器的第三端口输出的光脉冲进行探测，

其中，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器中的一个在一个脉冲周期内至少对连续的第一时隙和第二时隙的信号进行探测，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器中的另一个在一个脉冲周期内至少对连续的第二时隙和第三时隙的信号进行探测，其中所述一个脉冲周期包括所述第一时隙、第二时隙和第三时隙。

6.根据方案5所述的时间相位解码装置，还包括：

设置于所述两个臂中至少之一上的直流相位调制器；或者

设置于至少一个包括偏振分束器的反射装置的传输光路上的直流相位调制器。

7.根据方案1～6中任一项所述的时间相位解码装置，其中，所述传输光路为偏振保持光路。

8.根据方案7所述的时间相位解码装置，其中，所述偏振保持光路为保偏光纤光路。

9.根据方案1～6中任一项所述的时间相位解码装置，其中，所述两个反射装置为相同构造的偏振反相正交旋转反射装置，或为不同构造的偏振反相正交旋转反射装置。

10.一种量子密钥分发系统，包括：

根据方案1～9中任一项所述的时间相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码。

本实用新型通过创造性的构造，使得能够对任意偏振态的输入光脉冲稳定地进行编解码干涉，由此实现了意想不到的有益效果。利用本实用新型的方案，对于任意偏振态的输入光脉冲可以实现在时间相位编码量子密钥分发系统中相位基解码干涉仪处的稳定干涉输出，解决了时间相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落造成系统无法稳定工作的问题。并且，本实用新型使得可以采用减少数量的探测器(一个或两个单光子探测器)，由此消除或降低多探测器产生的安全性问题，并可观地降低制造成本和系统复杂度。本实用新型提供了一种易于实现和应用的抗偏振诱导衰落的时间相位编码量子密钥分发解码方案。

附图说明

图1为本实用新型一优选实施例的时间相位解码装置的组成结构示意图；

图2为本实用新型另一优选实施例的时间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时间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时间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例的时间相位解码装置的组成结构示意图；

图6为可用于本实用新型的时间相位解码装置的一种偏振反相正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图7为可用于本实用新型的时间相位解码装置的一种具有相位调制功能的偏振反相正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图8为示意性示出一个脉冲周期内的第一时隙、第二时隙和第三时隙的图。

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时间相位解码装置如图1所示，包括以下组成部分：分束器101、两个反射装置102和103、单光子探测器104。

两个反射装置102和103分别经两个臂(图1中的上臂和下臂)与分束器101光耦合。

根据本实用新型，两个反射装置102和103均为偏振反相正交旋转反射装置。

这里，偏振反相正交旋转反射装置是指一种能够对所反射的光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射、即在反射入射的光脉冲时将该光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置，其中反射后正交偏振态之间的相位与反射前正交偏振态之间的相位相差180度。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，沿光路传输到一个偏振反相正交旋转反射装置的x偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即y偏振态，沿光路传输到该反射装置的y偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即x偏振态，并且反射后y偏振态和x偏振态之间的相位与反射前x偏振态和y偏振态之间的相位相差180度。

分束器101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以分别沿两个臂传输。

两个臂用于分别传输所述两路光脉冲。

图1的装置还包括相位调制器，所述相位调制器可设置于分束器101前端或设置于所述两个臂中至少之一上或设置于反射装置102和103中的至少一个内，并根据量子密钥分发协议对经其传输的光脉冲进行相位调制。在所述两个臂中或两个反射装置102和103中的每个均包括相位调制器的情况下，这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，取决于具体的应用。

时间相位解码装置可以只包含一个单光子探测器，如图1所示的单光子探测器104。单光子探测器104耦合至分束器101的一个输出端口，用于在一个脉冲周期内对第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号进行探测。此时，所述相位调制器可随机调制0度相位或180度相位。

可能的是，时间相位解码装置包含两个单光子探测器，此时装置还包括光环形器。借助于图1进行说明，两个单光子探测器中的一个(例如图1所示的单光子探测器104)耦合至分束器101一侧的一个端口，用于对从该端口输出的光脉冲进行探测。所述光环形器可位于分束器101前端，耦合至分束器101该侧的另一个端口。所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口。从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由其第二端口输出至分束器101，从所述光环形器的第二端口输入的光脉冲由其第三端口输出。两个单光子探测器中的另一个耦合至所述光环形器的第三端口，用于对所述光环形器的第三端口输出的光脉冲进行探测。两个单光子探测器中的任一个在一个脉冲周期内至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，两个单光子探测器中的另一个在一个脉冲周期内至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测。此时，所述相位调制器为直流相位调制器。

时间相位编码光脉冲包括四种编码光脉冲状态，分别是两个时间比特编码光脉冲状态和两个相位编码光脉冲状态。如图8所示，两个时间比特编码光脉冲状态分别对应第一时隙光脉冲和第二时隙光脉冲；两个相位编码光脉冲状态分别对应第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为0度以及第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为180度的状态。时间相位编码的四种编码光脉冲解码后对应的状态为：时间比特编码第一时隙光脉冲解码后变为第一时隙和第二时隙前后两个子光脉冲；时间比特编码第二时隙光脉冲解码后变为第二时隙和第三时隙前后两个子光脉冲；相位编码对应第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为0度的状态解码后变为第一时隙、第二时隙和第三时隙三个子光脉冲，其中第二时隙为两个光脉冲干涉形成的子光脉冲，从分束器两个端口中的一个端口干涉相干相长输出；相位编码对应第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为180度的状态解码后变为第一时隙、第二时隙和第三时隙三个子光脉冲，其中第二时隙为两个光脉冲干涉形成的子光脉冲，从分束器两个端口中的另一个端口干涉相干相长输出。此时，所述相位调制器可以为直流相位调制器，并且设置于相应的时间相位解码装置的两个臂中至少之一上或设置于至少一个包括偏振分束器的反射装置的传输光路上。

在一种可能的应用中，装置只包含一个单光子探测器，该单光子探测器对一个脉冲周期内的三个时隙的信号进行探测。当发射端采用时间基编码时，若单光子探测器仅在第一时隙有响应或仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果和相位调制器调制的相位生成密钥；若单光子探测器仅在第一时隙或仅在第三时隙有响应，或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。

在另一种可能的应用中，装置包含两个单光子探测器，分别为第一单光子探测器和第二单光子探测器；第一单光子探测器对一个脉冲周期内的第一时隙和第二时隙的信号进行探测，第二单光子探测器对一个脉冲周期内的第二时隙和第三时隙的信号进行探测。当发射端采用时间基编码时，若第一单光子探测器仅在第一时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用时间基编码时，若第二单光子探测器仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第一时隙或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第三时隙或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。

在又一种可能的应用中，装置包含两个单光子探测器，分别为第一个单光子探测器和第二单光子探测器；第一单光子探测器和第二单光子探测器中的每个均对一个脉冲周期内的三个时隙的信号进行探测。当发射端采用时间基编码时，若第一单光子探测器仅在第一时隙有响应或仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用时间基编码时，若第二单光子探测器仅在第一时隙有响应或仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；第一单光子探测器仅在第一时隙或仅在第三时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第一时隙或仅在第三时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。

在所述相位调制器设置于分束器101前端的情况下，所述相位调制器可以是偏振无关相位调制器；在所述相位调制器设置于时间相位解码装置的两个臂中至少之一上的情况下，所述相位调制器可以是双折射相位调制器；在所述相位调制器设置于时间相位解码装置的反射装置内的情况下，所述相位调制器可以为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。单偏振相位调制器对一个偏振态施加相位调制、对另一个偏振态截止。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。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。

反射装置102和103分别用于将来自分束器101的经所述两个臂传输来的所述两路光脉冲反射回分束器101以由分束器101合束输出。

由于两个反射装置102和103均为偏振反相正交旋转反射装置，对于所述两路光脉冲中的每一路光脉冲：该路光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态，并且反射后正交偏振态之间的相位与反射前正交偏振态之间的相位相差180度。如此，对于图1的时间相位解码装置，利用偏振反相正交旋转反射装置处的偏振正交旋转反射，输入光脉冲的x偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两个臂传输的相位差恰好等于该光脉冲的y偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两个臂传输的相位差。

本实用新型提出了一种创造性的偏振反相正交旋转反射装置构造，即下文所述的构造1。

根据构造1，偏振反相正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，该传输光路为保偏光纤光路，该传输光路上设置有90度法拉第旋转器。由该偏振分束器的两个输出端口中的一个输出的光脉冲耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输，由该偏振分束器的两个输出端口中的另一个输出的光脉冲耦合至该保偏光纤的快轴进行传输。具有构造1的偏振反相正交旋转反射装置在用于本实用新型的时间相位解码装置时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至时间相位解码装置的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

对于上述构造1的偏振反相正交旋转反射装置，偏振反相正交旋转反射装置中偏振分束器的两个输出端口之间的传输光路上可以插入有一个相位调制器。

这里，包括相位调制器的偏振反相正交旋转反射装置可以称为“具有相位调制功能的偏振反相正交旋转反射装置”。

回到图1的时间相位解码装置，反射装置102和103中至少之一可以为采用上述构造1的偏振反相正交旋转反射装置。在反射装置102和103中的一个反射装置为采用上述构造1的偏振反相正交旋转反射装置时，另一个反射装置可以为采用上述构造1的偏振反相正交旋转反射装置，也可以为其他构造的偏振反相正交旋转反射装置。所述其他构造的偏振反相正交旋转反射装置可以是例如90度旋转法拉第反射镜。

在一种可能的应用中，所述相位调制器位于反射装置102和/或反射装置103内，即位于相应的反射装置中偏振分束器的两个输出端口之间的传输光路上。反射装置102和103中的一个或两个可以包含相位调制器。例如，在反射装置102和103中的仅一个反射装置为采用上述构造1的偏振反相正交旋转反射装置时，该一个反射装置包含相位调制器。在反射装置102和103中的两个反射装置各采用上述构造1的偏振反相正交旋转反射装置时，这两个反射装置中的一个或两个可以包含相位调制器。

对于图1的时间相位解码装置，可以通过调节两个臂的长度和/或调节两个反射装置102和103中采用构造1的一个或两个反射装置中的传输光路，实现上述两路光脉冲的相对延时。

本实用新型一优选实施例的时间相位解码装置如图2所示，包括以下组成部分：分束器202、偏振反相正交旋转反射装置203和偏振反相正交旋转反射装置204(下文亦分别称为反射装置203和反射装置204)、单光子探测器205。

分束器202一侧的一个端口201作为时间相位解码装置的输入端口。分束器202与反射装置203和204构成不等臂迈克尔逊干涉仪。反射装置203和反射装置204中至少之一包含相位调制器。分束器202一侧的另一个端口与单光子探测器205光耦合。单光子探测器205用于接收不等臂迈克尔逊干涉仪输出的光脉冲信号。一个脉冲周期内输出至单光子探测器205的信号包含三个时隙，这三个时隙分别为第一时隙、第二时隙和第三时隙。单光子探测器205在一个脉冲周期内对第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号进行探测。

工作时，光脉冲经分束器202的端口201进入分束器202并由分束器202分束成两路光脉冲。来自分束器202的一路光脉冲经干涉仪一臂的光纤传输至反射装置203并由反射装置203反射回来，来自分束器202的另一路光脉冲经干涉仪另一臂的光纤传输至反射装置204并由反射装置204反射回来，其间反射装置203和/或204中的相位调制器对通过其的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经分束器202合束后由另一端口输出至单光子探测器205，单光子探测器205在一个脉冲周期内对三个时隙的信号进行探测。

本实用新型另一优选实施例的时间相位解码装置如图3所示，包括以下组成部分：光环形器302、分束器303、偏振反相正交旋转反射装置304和偏振反相正交旋转反射装置305(下文亦分别称为反射装置304和反射装置305)，以及单光子探测器306和307。

光环形器302包含三个端口，这三个端口分别为端口A、端口B和端口C。由光环形器302的端口A输入的光脉冲由其端口B输出，由光环形器302的端口B输入的光脉冲由其端口C输出。光环形器302的端口A也即端口301为装置的输入端口。分束器303与反射装置304和305构成不等臂迈克尔逊干涉仪。分束器303一侧的一个端口直接耦合至光环形器302的端口B，光环形器302的端口C耦合至单光子探测器307。分束器303一侧的另一个端口耦合至单光子探测器306。反射装置304和反射装置305中至少之一包含直流相位调制器。单光子探测器306接收由分束器303的上述另一端口输出的光脉冲信号，单光子探测器307接收由分束器303的上述一个端口输出至光环形器302并由光环形器302输出至单光子探测器307的光脉冲信号。一个脉冲周期内不等臂迈克尔逊干涉仪输出的信号包含三个时隙，这三个时隙分别为第一时隙、第二时隙和第三时隙。单光子探测器306和307中的一个在一个脉冲周期内至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，单光子探测器306和307中的另一个在一个脉冲周期内至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测。

工作时，光脉冲经光环形器302的端口A也即端口301输入至光环形器302。由光环形器302的端口A输入至光环形器302的光脉冲经光环形器302的端口B输出至分束器303，并由分束器303分束成两路光脉冲。来自分束器303的一路光脉冲经干涉仪一臂的光纤传输至反射装置304并由反射装置304反射回来，来自分束器303的另一路光脉冲经干涉仪另一臂的光纤传输至反射装置305并由反射装置305反射回来，其间反射装置304和/或305中的直流相位调制器对通过其的光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经分束器303合束后由分束器303的上述另一端口输出至单光子探测器306，或者由分束器303的上述一个端口输出至光环形器302的端口B并经光环形器302的端口C输出至单光子探测器307。单光子探测器306至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，单光子探测器307至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测；或者，单光子探测器306至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测，单光子探测器307至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测。

本实用新型另一优选实施例的时间相位解码装置如图4所示，包括以下组成部分：分束器402、相位调制器403、偏振反相正交旋转反射装置404和偏振反相正交旋转反射装置405(下文亦分别称为反射装置404和反射装置405)、单光子探测器406。

分束器402一侧的端口401为装置的输入端口。分束器402与反射装置404和405构成不等臂迈克尔逊干涉仪。相位调制器403位于不等臂迈克尔逊干涉仪两个臂中任一臂上。分束器402一侧的另一个端口与单光子探测器406光耦合。单光子探测器406用于接收不等臂迈克尔逊干涉仪输出的光脉冲信号。一个脉冲周期内输出至单光子探测器406的信号包含三个时隙，这三个时隙分别为第一时隙、第二时隙和第三时隙。单光子探测器406在一个脉冲周期内对第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号进行探测。

工作时，光脉冲经分束器402的端口401进入分束器402并由分束器402分束成两路光脉冲。来自分束器402的一路光脉冲经干涉仪一臂上的相位调制器403进行相位调制后由反射装置404反射回来，来自分束器402的另一路光脉冲经干涉仪另一臂的光纤传输至反射装置405并由反射装置405反射回来。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经分束器402合束后由另一端口输出至单光子探测器406。单光子探测器406在一个脉冲周期内对三个时隙的信号进行探测。

相位调制器403随机调制0度相位或180度相位。相位调制器403可以是双折射相位调制器。

相位调制器403位于分束器402前端，上述结果不受影响。

本实用新型另一优选实施例的时间相位解码装置如图5所示，包括以下组成部分：光环形器502、分束器503、直流相位调制器504、偏振反相正交旋转反射装置505和偏振反相正交旋转反射装置506(下文亦分别称为反射装置505和反射装置506)，以及单光子探测器507和508。

光环形器502包含三个端口，这三个端口分别为端口A、端口B和端口C。由光环形器502的端口A输入的光脉冲由其端口B输出，由光环形器502的端口B输入的光脉冲由其端口C输出。光环形器502的端口A也即端口501为装置的输入端口。分束器503与反射装置505和506构成不等臂迈克尔逊干涉仪。直流相位调制器504位于不等臂迈克尔逊干涉仪的两个臂中的任一臂上。分束器503一侧的一个端口直接耦合至光环形器502的端口B，光环形器502的端口C耦合至单光子探测器508。分束器503一侧的另一个端口耦合至单光子探测器507。单光子探测器507接收由分束器503的上述另一端口输出的光脉冲信号，单光子探测器508接收由分束器503的上述一个端口输出至光环形器502并由光环形器502输出至单光子探测器508的光脉冲信号。一个脉冲周期内不等臂迈克尔逊干涉仪输出的信号包含三个时隙，这三个时隙分别为第一时隙、第二时隙和第三时隙。单光子探测器507和508中的一个在一个脉冲周期内至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，单光子探测器507和508中的另一个在一个脉冲周期内至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测。

工作时，光脉冲经光环形器502的端口A也即端口501输入至光环形器502。由光环形器502的端口A输入至光环形器502的光脉冲经光环形器502的端口B输出至分束器503，并由分束器503分束成两路光脉冲。来自分束器503的一路光脉冲经干涉仪一臂上的直流相位调制器504进行直流相位调制后由反射装置505反射回来，来自分束器503的另一路光脉冲经干涉仪另一臂的光纤传输至反射装置506并由反射装置506反射回来。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经分束器503合束后由分束器503的上述另一端口输出至单光子探测器507，或者由分束器503的上述一个端口输出至光环形器502的端口B并经光环形器502的端口C输出至单光子探测器508。单光子探测器507至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，单光子探测器508至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测；或者，单光子探测器507至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测，单光子探测器508至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测。直流相位调制器504可以是双折射相位调制器。

图6示出了可用于本实用新型的时间相位解码装置的一种偏振反相正交旋转反射装置的组成结构示意图。

图6所示的偏振反相正交旋转反射装置包括以下组成部分：偏振分束器602、90度法拉第旋转器603。

偏振分束器602包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。与偏振分束器602的端口A相连的端口601既作为装置的输入端口也作为装置的输出端口。偏振分束器602的端口B通过传输光路与90度法拉第旋转器603的端口D连接，偏振分束器602的端口C通过传输光路与90度法拉第旋转器603的端口E连接。将偏振分束器602的端口B与90度法拉第旋转器603的端口D连接的传输光路以及将偏振分束器602的端口C与90度法拉第旋转器603的端口E连接的传输光路均为偏振保持光路，例如保偏光纤光路。工作时，输入光脉冲经端口601也即偏振分束器602的端口A输入偏振分束器602。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器602将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器602的端口B和端口C输出。由偏振分束器602的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲传输至90度法拉第旋转器603，经90度法拉第旋转器603作偏振正交旋转后的第一路光脉冲偏振态变换为y偏振态。由90度法拉第旋转器603的端口E输出的y偏振态的第一路光脉冲传输至偏振分束器的端口C并被输入偏振分束器602，并由偏振分束器602的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器602的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲传输至90度法拉第旋转器603，经90度法拉第旋转器603作偏振正交旋转后的第二路光脉冲偏振态变换为x偏振态。由90度法拉第旋转器603的端口D输出的x偏振态的第二路光脉冲传输至偏振分束器的端口B并被输入偏振分束器602，并由偏振分束器602的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。该偏振反相正交旋转反射装置实现输入光脉冲的两个正交偏振态由该装置反射输出时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态。采用90度法拉第旋转器603对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位相差180度。

图7示出了可用于本实用新型的时间相位解码装置的一种具有相位调制功能的偏振反相正交旋转反射装置的组成结构示意图。

图7所示的具有相位调制功能的偏振反相正交旋转反射装置包括以下组成部分：偏振分束器702、相位调制器703、90度法拉第旋转器704。

偏振分束器702包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器702的一个端口701，也即端口A，作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器702的端口B和端口C通过传输光路连接；更具体地，偏振分束器702的端口B通过传输光路与相位调制器703的端口D连接，相位调制器703的端口E通过传输光路与90度法拉第旋转器704连接，90度法拉第旋转器704通过传输光路与偏振分束器702的端口C连接。偏振分束器702的端口B与相位调制器703的端口D之间的传输光路、相位调制器703的端口E与90度法拉第旋转器704之间的传输光路、90度法拉第旋转器704与偏振分束器702的端口C之间的传输光路均为偏振保持光路，例如保偏光纤光路。

工作时，输入光脉冲经端口701也即偏振分束器702的端口A输入偏振分束器702。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器702将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器702的端口B和端口C输出。由偏振分束器702的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲传输至相位调制器703，由相位调制器703的端口D输入相位调制器703并经受相位调制。经相位调制后的第一路光脉冲由相位调制器703的端口E输出至90度法拉第旋转器704。第一路光脉冲经90度法拉第旋转器704进行偏振正交旋转后，其偏振态由x偏振态变换为y偏振态。由90度法拉第旋转器704输出的y偏振态的第一路光脉冲传输至偏振分束器702的端口C，由偏振分束器702的端口C输入偏振分束器702，并由偏振分束器702的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器702的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲传输至90度法拉第旋转器704，经90度法拉第旋转器704作偏振正交旋转后的第二路光脉冲偏振态变换为x偏振态。由90度法拉第旋转器704输出的x偏振态的第二路光脉冲传输至相位调制器703的端口E，由相位调制器703的端口E输入相位调制器703并经受相位调制。经相位调制后的第二路光脉冲由相位调制器703的端口D输出至偏振分束器702的端口B，由偏振分束器702的端口B输入偏振分束器702，并由偏振分束器702的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。采用90度法拉第旋转器704对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位相差180度。

由端口D输入相位调制器703的第一路光脉冲和由端口E输入相位调制器703的第二路光脉冲以相同的偏振态输入相位调制器703并经受相同的相位调制，实现偏振无关相位调制。

相位调制器703可以为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。

相位调制器703和90度法拉第旋转器704的位置和连接顺序改变，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。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。

可以在量子密钥分发系统的接收端配置如上文所述的本实用新型的时间相位解码装置，用于解码。

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 (13)

1.一种时间相位解码装置，其特征在于，所述时间相位解码装置包括：分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置、相位调制器、单个单光子探测器，其中，

每个所述反射装置为偏振反相正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述偏振分束器的输入端口耦合至所述两个臂中的相应臂，所述偏振分束器的两个输出端口经传输光路彼此光耦合，所述传输光路上设置有90度法拉第旋转器；

所述单光子探测器耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的一个端口，用于在一个脉冲周期内对连续的第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号进行探测，其中所述一个脉冲周期包括所述第一时隙、第二时隙和第三时隙，

其中所述相位调制器设置于所述分束器前端，或者设置于所述两个臂中至少之一上，或者设置于至少一个包括偏振分束器的反射装置的传输光路上。

2.根据权利要求1所述的时间相位解码装置，其特征在于，所述时间相位解码装置还包括设置在所述单光子探测器与所述分束器的所述一个端口之间的光环形器，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光环形器经由其第二端口耦合至所述分束器的所述一个端口，所述光环形器经由其第三端口耦合至所述单光子探测器，其中所述光环形器的第一端口为所述时间相位解码装置的输入端口，从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，从所述分束器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲由所述光环形器的第三端口输出。

3.根据权利要求1所述的时间相位解码装置，其特征在于，所述相位调制器随机调制0度相位或180度相位。

4.根据权利要求1所述的时间相位解码装置，其特征在于，

所述相位调制器设置于所述分束器前端，为偏振无关相位调制器；或者

所述相位调制器设置于所述两个臂中至少之一上，为双折射相位调制器；或者

所述相位调制器设置于至少一个包括偏振分束器的反射装置的传输光路上，为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的时间相位解码装置，其特征在于，所述传输光路为偏振保持光路。

6.根据权利要求5所述的时间相位解码装置，其特征在于，所述偏振保持光路为保偏光纤光路。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的时间相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置为相同构造的偏振反相正交旋转反射装置，或为不同构造的偏振反相正交旋转反射装置。

8.一种时间相位解码装置，其特征在于，所述时间相位解码装置包括：分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置、第一单光子探测器、第二单光子探测器和光环形器，其中，

每个所述反射装置为偏振反相正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置包括具有输入端口和两个输出端口的偏振分束器，并经所述偏振分束器的输入端口耦合至所述两个臂中的相应臂，所述偏振分束器的两个输出端口经传输光路彼此光耦合，所述传输光路上设置有90度法拉第旋转器；

所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，并经由其第二端口耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的一个端口，所述光环形器的第一端口为所述时间相位解码装置的输入端口，由所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，由所述分束器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲由所述光环形器的第三端口输出；

所述第一单光子探测器耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的另一个端口，用于对从所述另一个端口输出的光脉冲进行探测；

所述第二单光子探测器耦合至所述光环形器的第三端口，用于对从所述光环形器的第三端口输出的光脉冲进行探测，

其中，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器中的一个在一个脉冲周期内至少对连续的第一时隙和第二时隙的信号进行探测，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器中的另一个在一个脉冲周期内至少对连续的第二时隙和第三时隙的信号进行探测，其中所述一个脉冲周期包括所述第一时隙、第二时隙和第三时隙。

9.根据权利要求8所述的时间相位解码装置，其特征在于，所述时间相位解码装置还包括：

设置于所述两个臂中至少之一上的直流相位调制器；或者

设置于至少一个包括偏振分束器的反射装置的传输光路上的直流相位调制器。

10.根据权利要求8～9中任一项所述的时间相位解码装置，其特征在于，所述传输光路为偏振保持光路。

11.根据权利要求10所述的时间相位解码装置，其特征在于，所述偏振保持光路为保偏光纤光路。

12.根据权利要求8～9中任一项所述的时间相位解码装置，其特征在于，所述两个反射装置为相同构造的偏振反相正交旋转反射装置，或为不同构造的偏振反相正交旋转反射装置。

13.一种量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥分发系统包括：

根据权利要求1～12中任一项所述的时间相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码。

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