CN210670099U - 单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统。其中，单片硅基集成芯片包括第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元、第一光强衰减单元和随机数产生单元；所述第一分束器包括一个输入端和两个输出端，第一分束器的输入端用于接收激光信号，两个输出端分别输出上光路信号和下光路信号；所述诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次串联在第一分束器的第一输出端；所述随机数产生单元与第一分束器的第二输出端连接；所述第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次通过硅波导相连；所述第一分束器和随机数产生单元之间通过硅波导相连。本实用新型有效减少了量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。
Description
技术领域
本实用新型属于量子通信技术领域，尤其涉及一种单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随机数是一种广泛使用的基础资源，而随机数发生器就是用来产生随机数序列的一种器件。性能良好的随机数发生器在众多领域比如量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样等都有广泛应用。为满足人们日益增长的带宽需求，在现代高速大容量的光传输技术中普遍采用多进制调制方式以提高光谱利用率。在多进制调制信号的处理方面相干光接收技术也成为光通信领域研究发展的热点。相干光通信系统的接收机灵敏度高，传输的中继距离长，更有利于充分利用光纤的带宽，提高通信质量。
现有量子密钥分发(QKD)系统工作原理如图1所示，激光器在脉冲驱动下输出较弱的脉冲光，此脉冲光输入诱骗态调制单元进行诱骗态调制，通常诱骗态调制单元为强度调制器，经过诱骗态调制后的光输入到编码单元中进行信息编码，编码单元通常是基于光子相位信息、光子偏振态信息或者光子(间)时间相位信息等进行信息编码，诱骗态调制单元和编码单元需在随机数源的驱动下分别进行随机诱骗态调制和随机信息编码，经过信息编码后的光经过光强衰减单元后衰减至单光子水平并输出。图1中的激光器、诱骗态调制单元、编码单元和光强衰减单元通过光纤连接，脉冲驱动输出电信号至激光器，随机数源输出数字信号至诱骗态调制单元和编码单元。其中，如图1所示的随机数源是通过FPGA基于振荡环的非相干时间采样或基于FPGA的热噪声产生并输出数字信号。
发明人发现，现有随机数源是物理随机数而非量子随机数源，这样使得量子密钥分发系统仍存在安全性问题；另外，现有的量子密钥分发系统均是由分立器件搭建而成，因此，存在体积庞大，成本高昂且功耗高的问题。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型的第一个方面提供一种单片硅基集成芯片，其集成量子密钥分发及量子随机数产生的功能，能够减少量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种单片硅基集成芯片，包括第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元、第一光强衰减单元和随机数产生单元；所述第一分束器包括一个输入端和两个输出端，第一分束器的输入端用于接收激光信号，两个输出端分别为第一输出端和第二输出端，对应输出上光路信号和下光路信号；所述诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次串联在第一分束器的第一输出端；所述随机数产生单元与第一分束器的第二输出端连接；
所述第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次通过硅波导相连；所述第一分束器和随机数产生单元之间通过硅波导相连。
作为一种实施方式，所述随机数产生单元包括第二分束器、第二光强衰减单元、第三光强衰减单元、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第二分束器包括两个输入端和两个输出端，其中一个输入端无光输入作为真空态输入端，另一个输入端与第一分束器的第二输出端相连；所述第二光强衰减单元和第一光电探测器依次串联在第二分束器的第一输出端；所述第三光强衰减单元和第二光电探测器依次串联在第二分束器的第二输出端。
作为一种实施方式，所述随机数产生单元还包括减法器，所述减法器的输入端分别与第一光电探测器和第二光电探测器的输出端相连，减法器的输出端输出差分电流。
作为一种实施方式，所述第一光强衰减单元为掺杂结构为PIN的硅基可调光衰减器。
作为一种实施方式，所述第二光强衰减单元和第三光强衰减单元均为掺杂结构为PIN的硅基可调光衰减器。
作为一种实施方式，所述诱骗态调制单元为光强度调制器。
作为一种实施方式，所述第二分束器的第一输出端、第二光强衰减单元和第一光电探测器依次通过硅波导相连，所述第二分束器的第二输出端、第三光强衰减单元和第二光电探测器依次通过硅波导相连。
为了解决上述问题，本实用新型的第二个方面提供一种量子密钥分发系统，其包括集成量子密钥分发及量子随机数产生的功能的单片硅基集成芯片，能够减少量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种量子密钥分发系统，包括：
激光器、随机数后处理模块以及如上述所述的单片硅基集成芯片，所述激光器用于产生激光信号并输入至单片硅基集成芯片；
所述随机数后处理模块与随机数产生单元相连，用于产生量子随机数并由量子随机数对应发随机数字电压信号来驱动所述单片硅基集成芯片中的诱骗态调制单元和编码单元工作。
作为一种实施方式，所述随机数后处理模块包括依次串联连接的放大器、滤波器、ADC以及FPGA，所述随机数产生单元产生的信号依次经放大、滤波和模数转换后输入至FPGA。
作为一种实施方式，所述激光器还与脉冲驱动电路相连。
本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型的单片硅基集成芯片中集成了随机数产生单元，其中，随机数产生单元的第二分束器的两个端口，其中一个无光输入作为真空态输入端，另一个将接收到的光信号分成两路，每路光信号经相应衰减处理后，再转化成相应光电流；两路光电流作差后得到差分电流，差分电流经处理模块处理后产生量子随机数，其基于真空涨落原理，输出随机数为量子随机数，具备真正的安全性。其中，在量子力学中，真空涨落原理是在空间任意位置对于能量的暂时变化。
(2)本实用新型的单片硅基集成芯片集成了量子密钥分发及量子随机数产生的功能，借助第一分束器实现量子密钥分发系统与量子随机数发生器复用同一激光器的同时，还将第一分束器、量子密钥分发系统中的光学单元(即诱骗态调制单元、编码单元、第一光强衰减单元)与量子随机数发生器中的光学单元(即随机数产生单元)进行光学集成，从而有效减少了量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。
附图说明
构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1是本实用新型提供的现有量子密钥分发系统工作原理图；
图2是本实用新型实施例提供的单片硅基集成芯片结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的随机数产生单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。
本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。
实施例一
图2给出了本实施例的一种单片硅基集成芯片结构示意图。
下面结合附图来详细说明本实施例的单片硅基集成芯片的具体实施方案：
如图2所示，本实施例的单片硅基集成芯片，包括第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元、第一光强衰减单元和随机数产生单元；所述第一分束器包括一个输入端和两个输出端，第一分束器的输入端用于接收激光信号，两个输出端分别为第一输出端和第二输出端，对应输出上光路信号和下光路信号；所述诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次串联在第一分束器的第一输出端；所述随机数产生单元与第一分束器的第二输出端连接；
所述第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次通过硅波导相连；所述第一分束器和随机数产生单元之间通过硅波导相连。
本实施例中的硅波导具有优异的光学非线性特性和强的限光能力，能够与不同波段尤其在光通信“窗口”波段的光信号实现较好的相位匹配，提高光信号的传输效率。
作为一种具体实施方式，所述第一光强衰减单元为掺杂结构为PIN的硅基可调光衰减器。
作为一种实施方式，所述诱骗态调制单元为光强度调制器。
其中，集成在芯片中的光强度调制器既可以满足系统光强调制要求，又能极大减小目前商用分立强度调制器的体积(从10厘米量级缩小到毫米量级)。
在具体实施中，如图3所示，本实施例的随机数产生单元，包括第二分束器、第二光强衰减单元、第三光强衰减单元、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第二分束器包括两个输入端和两个输出端，其中一个输入端port1无光输入作为真空态输入端，另一个输入端port2与第一分束器的第二输出端相连；所述第二光强衰减单元和第一光电探测器依次串联在第二分束器的第一输出端；所述第三光强衰减单元和第二光电探测器依次串联在第二分束器的第二输出端。
在本实施例中，所述第二光强衰减单元和第三光强衰减单元均为掺杂结构为PIN的硅基可调光衰减器。
可以理解的，在其他的实施例中，第二光强衰减单元和第三光强衰减单元也可采用其他现有结构，本领域技术人员可以根据具体情况自行设置，在此不作详述。
作为一种实施方式，所述随机数产生单元还包括减法器，所述减法器的输入端分别与第一光电探测器和第二光电探测器的输出端相连，减法器的输出端输出差分电流。
作为一种实施方式，所述第二分束器的第一输出端、第二光强衰减单元和第一光电探测器依次通过硅波导相连，所述第二分束器的第二输出端、第三光强衰减单元和第二光电探测器依次通过硅波导相连。
本实施例的随机数产生单元中的第二分束器的两个端口，其中一个无光输入作为真空态输入端，另一个将接收到的光信号分成两路，每路光信号经相应光路上的光强衰减单元衰减处理后，再经相应光路上的光电探测器转化成相应光电流；两路光电流作差后得到差分电流，差分电流再经外围的随机数后处理模块处理后产生量子随机数，其基于真空涨落原理，输出随机数为量子随机数，具备真正的安全性。其中，在量子力学中，真空涨落原理是在空间任意位置对于能量的暂时变化。
本实施例的单片硅基集成芯片集成了量子密钥分发及量子随机数产生的功能，借助第一分束器实现量子密钥分发系统与量子随机数发生器复用同一激光器的同时，还将第一分束器、量子密钥分发系统中的光学单元(即诱骗态调制单元、编码单元、第一光强衰减单元)与量子随机数发生器中的光学单元(即随机数产生单元)进行光学集成，从而有效减少了量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。
实施例二
本实施例提供了一种量子密钥分发系统，其包括：
激光器、随机数后处理模块以及如图2所示的单片硅基集成芯片，所述激光器用于产生激光信号并输入至单片硅基集成芯片；
所述随机数后处理模块与随机数产生单元相连，用于产生量子随机数并由量子随机数对应发随机数字电压信号来驱动所述单片硅基集成芯片中的诱骗态调制单元和编码单元工作。
作为一种实施方式，所述随机数后处理模块包括依次串联连接的放大器、滤波器、ADC以及FPGA，所述随机数产生单元产生的信号依次经放大、滤波和模数转换后输入至FPGA。
在具体实施中，随机数后处理模块对所述随机数产生单元产生的信号进行信号放大、采集和量化等后处理并产生量子随机数。
需要说明的，随机数后处理模块也可采用现有的结构，本领域技术人员可以根据具体情况自行设置，在此不作详述。
作为一种实施方式，所述激光器还与脉冲驱动电路相连。
其中，脉冲驱动电路的结构为现有结构，此处不再累述。
本实施例的量子密钥分发系统包括集成量子密钥分发及量子随机数产生的功能的单片硅基集成芯片，使得整个量子密钥分发系统的体积、成本和功耗均大大减少。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单片硅基集成芯片，其特征在于，包括第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元、第一光强衰减单元和随机数产生单元；所述第一分束器包括一个输入端和两个输出端，第一分束器的输入端用于接收激光信号，两个输出端分别为第一输出端和第二输出端，对应输出上光路信号和下光路信号；所述诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次串联在第一分束器的第一输出端；所述随机数产生单元与第一分束器的第二输出端连接；
所述第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次通过硅波导相连；所述第一分束器和随机数产生单元之间通过硅波导相连。
2.如权利要求1所述的单片硅基集成芯片，其特征在于，所述随机数产生单元包括第二分束器、第二光强衰减单元、第三光强衰减单元、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第二分束器包括两个输入端和两个输出端，其中一个输入端无光输入作为真空态输入端，另一个输入端与第一分束器的第二输出端相连；所述第二光强衰减单元和第一光电探测器依次串联在第二分束器的第一输出端；所述第三光强衰减单元和第二光电探测器依次串联在第二分束器的第二输出端。
3.如权利要求2所述的单片硅基集成芯片，其特征在于，所述随机数产生单元还包括减法器，所述减法器的输入端分别与第一光电探测器和第二光电探测器的输出端相连，减法器的输出端输出差分电流。
4.如权利要求1所述的单片硅基集成芯片，其特征在于，所述第一光强衰减单元为掺杂结构为PIN的硅基可调光衰减器。
5.如权利要求2所述的单片硅基集成芯片，其特征在于，所述第二光强衰减单元和第三光强衰减单元均为掺杂结构为PIN的硅基可调光衰减器。
6.如权利要求1所述的单片硅基集成芯片，其特征在于，所述诱骗态调制单元为光强度调制器。
7.如权利要求2所述的单片硅基集成芯片，其特征在于，所述第二分束器的第一输出端、第二光强衰减单元和第一光电探测器依次通过硅波导相连，所述第二分束器的第二输出端、第三光强衰减单元和第二光电探测器依次通过硅波导相连。
8.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
激光器、随机数后处理模块以及如权利要求1-7中任一所述的单片硅基集成芯片，所述激光器用于产生激光信号并输入至单片硅基集成芯片；
所述随机数后处理模块与随机数产生单元相连，用于产生量子随机数并由量子随机数对应发随机数字电压信号来驱动所述单片硅基集成芯片中的诱骗态调制单元和编码单元工作。
9.如权利要求8所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述随机数后处理模块包括依次串联连接的放大器、滤波器、ADC以及FPGA，所述随机数产生单元产生的信号依次经放大、滤波和模数转换后输入至FPGA。
10.如权利要求8所述的量子密钥分发系统，其特征在于，所述激光器还与脉冲驱动电路相连。
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| CN201922371521.9U CN210670099U (zh) | 2019-12-24 | 2019-12-24 | 单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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