CN210578570U - 集成波导解码装置和量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

提供一种集成波导解码装置和量子密钥分发系统。集成波导解码装置包括：集成波导偏振分束旋转装置，其包括一个输入端口和两个输出端口，用于将一路输入光脉冲偏振分束为分别在两个传输光路上传输的第一路光脉冲和第二路光脉冲，并对两路光脉冲之一的偏振态进行旋转，使得在旋转后两路光脉冲的偏振态相同；以及第一和第二集成波导不等臂马赫‑曾德尔干涉仪，其分别设置在两个传输光路上与集成波导偏振分束旋转装置的两个输出端口光耦合，并且用于分别对两路光脉冲进行相位解码；两个集成波导不等臂马赫‑曾德尔干涉仪中的每一个分别包括分束器、合束器以及将二者光耦合的第一和第二子光路。上述集成波导解码装置能增加系统的可靠性和稳定性。

Description

集成波导解码装置和量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种集成波导解码装置和包括该集成波导解码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。

目前量子密钥分发设备光路模块大多采用分立光器件集成，易受振动、环境稳定变化影响，进而影响系统两端设备的稳定性和可靠性，且设备体积大。尤其是量子密钥分发编解码模块的光路，包含光器件多、盘纤设计难度大，受环境干扰编解码不稳定。此外，相位编码以及时间比特-相位编码量子密钥分发系统，因光纤制作存在非理想情况，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，进行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。

如何实现集成化的稳定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亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提出一种集成波导解码装置和基于该解码装置的量子密钥分发系统，以解决相位编码以及时间比特-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以及解码光路的集成波导设计。

本实用新型提供至少以下技术方案：

1.一种集成波导解码装置，其特征在于，包括：集成波导偏振分束旋转装置、第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪，其中，

所述集成波导偏振分束旋转装置包括一个输入端口和两个输出端口，所述集成波导偏振分束旋转装置被配置用于将入射的一路输入光脉冲偏振分束为分别在两个传输光路上传输的第一路光脉冲和第二路光脉冲，并对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲之一的偏振态进行旋转，使得在旋转后所述第一路光脉冲和第二路光脉冲的偏振态相同；

所述第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪分别设置在所述两个传输光路上且分别与所述集成波导偏振分束旋转装置的两个输出端口光耦合，并且被配置用于分别对所述第一路光脉冲和所述第二路光脉冲进行相位解码；

其中，所述第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪中的每一个分别包括分束器、合束器以及在所述分束器和所述合束器之间光耦合的第一子光路和第二子光路。

2.根据方案1所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导偏振分束旋转装置为偏振分束旋转器。

3.根据方案1所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导偏振分束旋转装置包括偏振分束器和与该偏振分束器的两个输出端口之一光耦合的偏振旋转器，其中所述偏振分束器的输入端口为所述集成波导偏振分束旋转装置的输入端口，所述偏振旋转器被设置位于所述偏振分束器的两个输出光路之一上以对通过其传输的光脉冲的偏振态进行旋转。

4.根据方案1所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导解码装置还包括一个或两个集成波导偏振旋转合束装置，所述集成波导偏振旋转合束装置包括两个输入端口和一个输出端口，所述两个输入端口中的一个与第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的一个输出端口光耦合，所述两个输入端口中的另一个与第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的一个输出端口光耦合。

5.根据方案4所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导偏振旋转合束装置为偏振旋转合束器。

6.根据方案4所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导偏振旋转合束装置包括偏振合束器和与该偏振合束器的两个输入端口之一光耦合的偏振旋转器，所述偏振合束器的输出端口为所述集成波导偏振旋转合束装置的输出端口，所述偏振旋转器被设置位于所述偏振合束器的两个输入光路之一上以对通过其传输的光脉冲的偏振态进行旋转。

7.根据方案1至6中任一项所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导解码装置还包括一个或两个相位调制器，所述相位调制器被设置位于所述第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的第一子光路或第二子光路上，设置位于所述第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的第一子光路或第二子光路上，和/或设置位于所述第一或第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的输入光路上，用于对光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

8.一种相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，包括：

根据方案1至7中任一项所述的集成波导解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码。

9.一种时间比特-相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，包括：

根据方案1至7中任一项所述的集成波导解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码。

10.根据方案9所述的时间比特-相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，所述集成波导解码装置被设置用于将每个脉冲周期内的输入光脉冲解码为第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号输出，所述每个脉冲周期包括所述第一时隙、所述第二时隙和所述第三时隙。

本实用新型采用集成波导设计的集成波导解码装置，对于任意偏振态的输入光脉冲可以实现相位编码以及时间比特-相位编码量子密钥分发系统中相位基的稳定解码干涉输出，解决了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。此外，采用集成波导设计，解码光路体积大大减小，增加了终端设备的可靠性和稳定性。本实用新型提供了一种集成化应用的抗偏振诱导衰落的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集成波导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集成波导解码装置的组成结构示意图；

图3为本实用新型一优选实施例的集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的组成结构示意图。

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。

图1为本实用新型一优选实施例的集成波导解码装置的组成结构示意图。

如图1所示，本实用新型一优选实施例的集成波导解码装置包括以下组成部分：集成波导偏振分束旋转装置101、第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪102和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪103。

所述集成波导偏振分束旋转装置101包括一个输入端口和两个输出端口。所述集成波导偏振分束旋转装置101被配置用于将入射的一路输入光脉冲偏振分束为分别在两个传输光路上传输的第一路光脉冲和第二路光脉冲，并对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲之一的偏振态进行旋转，使得在旋转后所述第一路光脉冲和第二路光脉冲的偏振态相同。所述集成波导偏振分束旋转装置101的所述输入端口为该集成波导解码装置的输入端口。

所述第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪102和所述第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪103分别设置在所述两个传输光路上且分别与所述集成波导偏振分束旋转装置的两个输出端口光耦合，并且被配置用于分别对所述第一路光脉冲和所述第二路光脉冲进行相位解码。

优选的，所述集成波导偏振分束旋转装置101可以为偏振分束旋转器；也可以为由偏振分束器和偏振旋转器构造成的器件。在所述集成波导偏振分束旋转装置101为由偏振分束器和偏振旋转器构造成的器件时，所述偏振分束器的输入端口为所述集成波导偏振分束旋转装置101的输入端口，所述偏振旋转器被设置位于所述偏振分束器的两个输出光路之一上以对通过其传输的光脉冲的偏振态进行旋转。

第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪102的一个输出端口和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪103的一个输出端口可以作为集成波导解码装置的输出端口。或者，第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪102的两个输出端口和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪103的两个输出端口都可以作为集成波导解码装置的输出端口。

在一个实施方案中，所述集成波导解码装置还可以包括一个或两个集成波导偏振旋转合束装置，所述集成波导偏振旋转合束装置包括两个输入端口和一个输出端口，所述两个输入端口中的一个与第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的一个输出端口光耦合，所述两个输入端口中的另一个与第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的一个输出端口光耦合。

本文中的集成波导偏振旋转合束装置可以是偏振旋转合束器。当然，集成波导偏振旋转合束装置还可以包括偏振合束器和与该偏振合束器的两个输入端口之一光耦合的偏振旋转器，所述偏振合束器的输出端口为所述集成波导偏振旋转合束装置的输出端口，所述偏振旋转器被设置位于所述偏振合束器的两个输入光路之一上以对通过其传输的光脉冲的偏振态进行旋转。

图2为本实用新型另一优选实施例的集成波导解码装置的组成结构示意图。

图2中所示的集成波导解码装置包括以下组成部分：偏振分束旋转器201、第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪202、第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪203、第一偏振旋转合束器204和第二偏振旋转合束器205。

如图2所示，集成波导解码装置包括两个偏振旋转合束器204和205，其中第一偏振旋转合束器204和第二偏振旋转合束器205均分别包括两个输入端口和一个输出端口。其中，第一偏振旋转合束器204的两个输入端口分别与第一和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪102和103各自的一个输出端口光耦合，第二偏振旋转合束器205的两个输入端口分别与第一和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪102和103各自的另一个输出端口光耦合。所述第一偏振旋转合束器204的输出端口206和第二偏振旋转合束器205的输出端口207均可作为集成波导解码装置的输出端口。有利地，图1或图2中的传输光路或耦合光路均为集成波导。

具体的，偏振分束旋转器201的输入端口200作为集成波导解码装置的输入端口。偏振分束旋转器201的两个输出端口分别与第一和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪202和203的输入端口光耦合。第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪202的一个输出端口和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪203的一个输出端口分别与第一偏振旋转合束器204的两个输入端口光耦合。第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪202的另一个输出端口和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪203的另一个输出端口分别与偏振旋转合束器205的两个输入端口光耦合。第一和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪202和203的长臂和/或短臂可以均包含一个相位调制器。

工作时，光脉冲经偏振分束旋转器201的输入端口200进入偏振分束旋转器201并由偏振分束旋转器201分成两路光脉冲。来自偏振分束旋转器201的一路光脉冲经集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪202解码后分别输入至第一偏振旋转合束器204和第二偏振旋转合束器205，来自偏振分束旋转器201的另一路光脉冲经集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪203解码后分别输入至第一偏振旋转合束器204和第二偏振旋转合束器205。第一偏振旋转合束器204将来自第一和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪202和203解码输出的光脉冲合束后由端口206输出，第二偏振旋转合束器205将来自第一和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪202和203解码输出的光脉冲合束后由端口207输出。

在一个实施方案中，所述第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和所述第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪中的每一个可以分别包括分束器、合束器以及在所述分束器和所述合束器之间光耦合的第一子光路(例如，长臂)和第二子光路(例如，短臂)。所述长臂和短臂的臂长差对应的时间延时可以与编码光脉冲中的每个信号周期内的两路光脉冲之间的时间延时相同。

优选地，所述集成波导解码装置还可以包括一个或两个相位调制器，所述相位调制器被设置位于所述第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的第一子光路或第二子光路上，设置位于所述第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的第一子光路或第二子光路上，和/或设置位于所述第一或第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的输入光路上，用于对光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。例如，第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和/或第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪可以包含相位调制器，所述相位调制器可以位于第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和/或第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的长臂或短臂上，或位于第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和/或第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的输入光路上，用于对光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

图3为本实用新型一优选实施例的集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的组成结构示意图。

如图3所示，该集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪具体包括以下组成部分：集成波导分束器302、集成波导延时线303、相位调制器304以及集成波导合束器305。

集成波导分束器302的一侧的端口301作为集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的输入端，集成波导合束器305的另一侧的两个端口306和307作为集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的输出端，集成波导延时线303和相位调制器304分别插入马赫-曾德尔干涉仪的两个臂。工作时，光脉冲经集成波导分束器302的端口301进入集成波导分束器302分成两路传输，一路经过集成波导延时线303延时，另一路经相位调制器304进行相位调制，相对延时后的在两条光路上传输的光脉冲经集成波导合束器305合成一路后，经由端口306或307输出。当集成波导延时线303和相位调制器304位于马赫-曾德尔干涉仪的同一臂时，上述结果不受影响。

另一方面，提供一种相位编码量子密钥分发系统，其包括设置在所述量子密钥分发系统的接收端的上述集成波导解码装置，以用于解码。

或者，也可提供一种时间比特-相位编码量子密钥分发系统，其包括设置在所述量子密钥分发系统的接收端的集成波导解码装置，以用于解码。在该实施方案中，所述集成波导解码装置还可以设置用于将每个脉冲周期内的输入光脉冲解码为第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号输出。可以理解的是所述每个脉冲周期包括所述第一时隙、所述第二时隙和所述第三时隙。

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)

1.一种集成波导解码装置，其特征在于，包括：集成波导偏振分束旋转装置、第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪，其中，

所述集成波导偏振分束旋转装置包括一个输入端口和两个输出端口，所述集成波导偏振分束旋转装置被配置用于将入射的一路输入光脉冲偏振分束为分别在两个传输光路上传输的第一路光脉冲和第二路光脉冲，并对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲之一的偏振态进行旋转，使得在旋转后所述第一路光脉冲和第二路光脉冲的偏振态相同；

所述第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪分别设置在所述两个传输光路上且分别与所述集成波导偏振分束旋转装置的两个输出端口光耦合，并且被配置用于分别对所述第一路光脉冲和所述第二路光脉冲进行相位解码；

其中，所述第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪和第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪中的每一个分别包括分束器、合束器以及在所述分束器和所述合束器之间光耦合的第一子光路和第二子光路。

2.根据权利要求1所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导偏振分束旋转装置为偏振分束旋转器。

3.根据权利要求1所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导偏振分束旋转装置包括偏振分束器和与该偏振分束器的两个输出端口之一光耦合的偏振旋转器，其中所述偏振分束器的输入端口为所述集成波导偏振分束旋转装置的输入端口，所述偏振旋转器被设置位于所述偏振分束器的两个输出光路之一上以对通过其传输的光脉冲的偏振态进行旋转。

4.根据权利要求1所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导解码装置还包括一个或两个集成波导偏振旋转合束装置，所述集成波导偏振旋转合束装置包括两个输入端口和一个输出端口，所述两个输入端口中的一个与第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的一个输出端口光耦合，所述两个输入端口中的另一个与第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的一个输出端口光耦合。

5.根据权利要求4所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导偏振旋转合束装置为偏振旋转合束器。

6.根据权利要求4所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导偏振旋转合束装置包括偏振合束器和与该偏振合束器的两个输入端口之一光耦合的偏振旋转器，所述偏振合束器的输出端口为所述集成波导偏振旋转合束装置的输出端口，所述偏振旋转器被设置位于所述偏振合束器的两个输入光路之一上以对通过其传输的光脉冲的偏振态进行旋转。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的集成波导解码装置，其特征在于，所述集成波导解码装置还包括一个或两个相位调制器，所述相位调制器被设置位于所述第一集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的第一子光路或第二子光路上，设置位于所述第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的第一子光路或第二子光路上，和/或设置位于所述第一或第二集成波导不等臂马赫-曾德尔干涉仪的输入光路上，用于对光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

8.一种相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，包括：

根据权利要求1至7中任一项所述的集成波导解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码。

9.一种时间比特-相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，包括：

根据权利要求1至7中任一项所述的集成波导解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码。

10.根据权利要求9所述的时间比特-相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，所述集成波导解码装置被设置用于将每个脉冲周期内的输入光脉冲解码为第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号输出，所述每个脉冲周期包括所述第一时隙、所述第二时隙和所述第三时隙。

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