CN210745163U - 一种量子通信时间相位编码装置及密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于量子通信的时间相位编码装置及密钥分发系统。编码装置，包括：第一干涉仪，其经配置以接收光信号，并生成具有时间差的第一信号和第二光信号；以及第二干涉仪，其经配置以基于第一信号和第二信号生成沿第一光路传输的第三光信号和第五光信号和沿第二光路传输的第四光信号和第六光信号；其中，第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的一者或者对第五光信号和第六光信号中的一者增加或减少π相位；以及分别对第三光信号和第四光信号中的两者或者对第五光信号和第六光信号中的两者增加或减少π相位。本实用新型通过增加π相位来实现时间相位编码，相位调制精度高、成码率高。

Description

一种量子通信时间相位编码装置及密钥分发系统

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，特别地涉及一种用于量子通信的时间相位编码装置以及量子密钥分发系统。

背景技术

保密技术是通信技术的核心之一。目前最常用的RSA加密算法在理论上并不是绝对安全的。量子保密通信作为在量子力学、现代通信以及现代密码学等基础上发展出来的新兴技术，基于量子力学的基本原理，利用“一次一密”的方式对信息进行加密，具有不可破译的特性，拥有无可比拟的安全优势。

BB84协议是量子保密通信领域最为基础的量子密钥分发协议。BB84协议是利用单光子四个偏振态进行编码，这四个偏振态分属两组共轭基，同组基内两个偏振态相互正交，不同组基内的偏振态非正交。BB84协议利用了正交量子态可严格区分以及无法对共轭基偏振态进行精确测量的特性，实现了安全的密钥分发。

随着量子密钥分发的理论和技术的不断发展，BB84协议存在的缺陷也暴露出来。第一，现有技术条件下，目前尚无技术成熟、可以大规模商业化应用的BB84协议所要求的单光子光源，通常采用的是弱相干光源，但是采用该光源的量子密钥分发系统会受到光子数分离攻击，从而使得系统安全性降低。第二，BB84协议采用的是偏振态进行编码，容易受到光纤偏振扰动的影响，导致传输距离短、误码率高等问题。

针对BB84协议存在的问题，发展出了诱骗态BB84协议，并在诱骗态BB84协议基础上发展出了时间相位编码方式。时间相位编码采用时间基矢以及相位基矢进行编码，可以做到完全的偏振无关性，而且能大大降低接收端插损，从而提高系统的成码率、成码距离，以及实现抗外界环境扰动的稳定性，同时还能够适应长距离架空光缆环境。

图1示出了一种用于实现时间相位编码的现有技术。如图1所示，光源输出的光脉冲进入Sagnac干涉仪，在经过分束器BS后形成沿相反方向传播的两个相干光，经设置在环形光路上的相位调制器PM调相后生成并输出两路干涉光，经第一光路out1和第二光路out2传输至合束器合成一路输出编码光。在该现有技术中，相位调制器PM在两个相干光之间可以调制出0、π/2、π、3π/2四种不同的相位差。

如图2所示，当相位差为0或π时，编码装置只输出单个脉冲信号，但二者出现的时间位置不同。因此，通过将相位差调制为0或π时，可以获得时间位置不同的单个光脉冲信号，实现时间编码。当相位差为π/2时，在同一个时间周期内，编码装置会输出两个连续的且相位差为0的光脉冲信号；当相位差为3π/2时，在同一个时间周期内，编码装置会输出两个连续的且相位差为π的光脉冲信号。因此，通过将相位差调制为π/2或3π/2，可以获得具有不同相位差的光脉冲对，实现相位编码。

该现有技术虽然可以实现时间相位编码，但是却存在着如下技术问题：第一，相位调制器PM需要在两个相干光之间可以调制出0、π/2、π、3π/2四种不同的相位差，使得编码方法较为复杂。第二，相位调制器PM需要调制出四种不同的相位差，因此需要加载四种不同的电压。在高频次的调相过程中，相位调制器PM在四种不同电压之间切换会导致加载电压的不稳定，从而导致相位调制精度变差，影响编码的成码率。第三，为了保证相位调制器PM较为稳定的加载工作电压从而保证调相精度，需要专门的结构复杂的相位调制校准装置，增加了系统结构的复杂性。第四，编码装置生成的两路干涉光，需要经两个不同的光路传输至合束器合成一路生成编码光，也增加了系统结构的复杂性。因此，针对现有技术存在的技术问题，需要一种编码方法简便，相位调制器加载电压稳定、相位调制精度高、结构简单、成码率高的时间相位编码装置及密钥分发系统。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提出了一种用于量子通信的时间相位编码装置，包括：第一干涉仪，其经配置以接收光信号，并生成具有时间差的第一信号和第二光信号；以及第二干涉仪，其经配置以基于第一信号生成沿第一光路传输的第三光信号和沿第二光路传输的第四光信号；基于第二信号生成沿第一光路传输的第五光信号和沿第二光路传输的第六光信号；其中，第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的一者增加或减少π相位；或者对第五光信号和第六光信号中的一者增加或减少π相位；以及其中，第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的两者增加或减少π相位；或者对第五光信号和第六光信号中的两者增加或减少π相位。

如上所述的时间相位编码装置，其中第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的一者增加或减少π相位或者对第五光信号和第六光信号中的一者增加或减少π相位，输出具有时间差的两个光信号中的一者。

如上所述的时间相位编码装置，其中第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的两者增加或减少π相位或者对第五光信号和第六光信号中的两者增加或减少π相位，输出具有相位差为0或π相位的两组光信号中的一者。

如上所述的时间相位编码装置，其中，第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的一者或两者增加或减少π相位时，保持第五光信号和第六光信号的相位不变；或者对第五光信号和第六光信号中的一者或两者增加或减少π相位时，保持第三光信号和第四光信号相位不变。

如上所述的时间相位编码装置，其中第二干涉仪包括第一输出光路和第二输出光路。

如上所述的时间相位编码装置，其中第二干涉仪包括第一分束单元和第二分束单元以及第一分束单元和第二分束单元之前的第一光路和第二光路。

如上所述的时间相位编码装置，其中第二干涉仪为Sagnac干涉仪；第一光路和第二光路为Sagnac干涉仪环路光路的两个相向的光路。

如上所述的时间相位编码装置，其中第一相位调制器和第二相位调制器同为Sagnac干涉仪环路光路上的相位调制器，所述相位调制器两侧与Sagnac干涉仪光入口之间的距离不同。

如上所述的时间相位编码装置，进一步包括光隔离器，其设置在第一干涉仪与第二干涉仪之间。

如上所述的时间相位编码装置，进一步包括环形器，其设置在第一干涉仪与第二干涉仪之间。

如上所述的时间相位编码装置，其中，环形器包括第一接口、第二接口和第三接口；其中从第一接口进入的光信号从第二接口输出，从第二接口进入的光信号从第三接口输出；环形器的第一接口与第一干涉仪的输出连接；环形器的第二接口与第二干涉仪的输出连接；环形器第三接口作为时间相位编码装置的输出。

如上所述的时间相位编码装置，其中第一相位调制器或第二相位调制器仅具有调整π相位的工作电压。

如上所述的时间相位编码装置，其中第一相位调制器或第二相位调制器仅工作在调整0或π相位的工作状态。

如上所述的时间相位编码装置，其中，第一干涉仪为不等臂干涉仪。

如上所述的时间相位编码装置，其中，第一干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪或者迈克尔逊干涉仪。

根据本实用新型的另一个方面，提出一种量子密钥分发系统，其包括如上所述任一时间相位编码装置。

本实用新型的用于量子通信的时间相位编码装置及密钥分发系统编码方法简便，相位调制器加载电压稳定、相位调制精度高、成码率高。

附图说明

图1示出了现有技术用于时间相位编码的编码装置；

图2示出了图1所示的时间相位编码装置的时间编码及其方法；

图3示出了根据本实用新型的时间相位编码装置的结构示意图；

图4A示出了本实用新型一个实施例的时间相位编码装置的结构示意图；

图4B示出了图4A所示的时间相位编码装置的时间编码和相位编码的调制示意图；

图5A示出了本实用新型一个实施例的时间相位编码装置的结构示意图；

图5B示出了图5A所示的时间相位编码装置的时间编码和相位编码的调制示意图；

图6示出了本实用新型一个实施例的时间相位编码装置的结构示意图；

图7示出了本实用新型一个实施例的时间相位编码装置的结构示意图；

图8示出了本实用新型一个实施例的时间相位编码装置的结构示意图；

图9示出了本实用新型一个实施例的时间相位编码方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。

图3示出了根据本实用新型的时间相位编码装置的一个示例性实施例。通过图3的实施例，能够示例性地说明本实用新型时间相位编码装置的原理及基本结构。

如图3所示，本实用新型的时间相位编码装置可以包括第一干涉仪102和第二干涉仪104。第二干涉仪104包括相位调制器。第一干涉仪102接收光信号4并输出具有时间差的两个相干光信号41和42。第二干涉仪102接收来自第一干涉仪的两个相干光信号41和42并分光成两路具有时间差的相干光信号411和412以及421和422。相位调制器对相干光信号411和412以及421和422的相位进行调制后，相干光信号411和412以及421和422发生干涉，生成时间相位编码光信号。

以下是一个相位调制器对相干光信号411和412以及421和422的相位进行调制的例子，其中0或π表示相位调制量。如表1所示，前两种情况调制出了时间编码，后两种情况调制出了相位编码。

表1：

如以下所详细介绍的，通过相位调制器对相干光信号411和412以及421和422的相位调制可以以多种方式进行，其中，相位调制器仅需要一种相位调制电压，即调制π相位的调制电压。例如，相位调制器仅需要两种电压，优选为0V和5V，可以对经过其的相干光信号的相位进行调制，使相干光信号增加π相位或保持相位不变。这样不但能够使得电路更为简单，也可以使得工作更稳定，有利于提高成码率。

在一些实施例中，第一干涉仪102可以包括分束单元11、光路12、光路13以及合束单元14。第一干涉仪102可以接收一个光信号4。光信号4来自单光子光源。例如，经过衰减的脉冲激光器。在脉冲激光器里，每个脉冲的能量是一定的，每个脉冲包含的光子数目也就是大致不变的。在激光器的外部光路上，把光束衰减足够多的倍数就可以得到可用的单光子光源。再例如，可以利用固体中的单个发光中心制备单光子光源。固体中的单个发光中心可以是天然的，例如金刚石中的NV色心；也可以人工制备的例如半导体单量子点。当然，其他方式的单光子光源也可以应用于本实用新型中来提供光信号。

在第一干涉仪102中，信号4经过分束单元11后生成相干光信号41和42。二者分别沿光路12和13传播，然后经合束单元14合束后输出；其中，光路12和光路13具有光程差，因此，第一干涉仪1输出的是具有时间差的两个相干光信号41和42。

在一些实施例中，分束单元11的例子可以为分束器，例如包括半透半反膜的分光镜。作为示例，分束单元11可以具有50:50的分光比。在一些实施例中，合束单元14可以为合束器。

现有技术中已有能够实现输出具有时间差的两个相干光信号功能的光学器件，例如不等臂干涉仪。这些光学器件都可以应用于此而成为本实用新型的第一干涉仪102的实例。

作为示例，第一干涉仪102可以为马赫-曾德尔干涉仪，进一步地可以为光纤马赫-曾德尔干涉仪。作为示例，第一干涉仪102可以为迈克尔逊干涉仪，进一步地可以为光纤迈克尔逊干涉仪。

图4A示出了根据本实用新型一个实施例的第二干涉仪104的示意图。如图所示，第二干涉仪104包括：第一分束单元302、第一光路22和第二光路23、以及第二分束单元304；其中第一光路22与第二光路23的光程完全一致以保证经过第二分束单元后发生干涉；其中第一光路22和第二光路23分别包括第一相位调制器306和第二相位调制器308。

在一些实施例中，第一分束单元302距离第一相位调制器306的光程为L1，第一相位调制器306距离第二分束输出单元304的光程为L2；相应地，第一分束单元302距离第二相位调制器308的光程为L2，第二相位调制器308距离第二分束输出单元304的光程为L1。在一些实施例中，L1和L2可以相同或不同。

第二分束单元304包括两个输入：第一输入光路A1和第二输入光路A2；以及，两个输出：第一输出光路B1或第二输出光路B2。经过第一光路22的光信号从第一输入光路A1进入第二分束单元304并分别从第一输出光路B1或第二输出光路B2输出。同样地，经过第二光路23的光信号从第二输入光路A2进入第二分束单元304并也分别从第一输出光路B1或第二输出光路B2输出。由于第一光路22和第二光路23的光信号为相干光信号，并且第一光路22和第二光路23的光程一致，即使对于分立的光信号，在第二分束单元的第一输出光路B1或第二输出光路B2也会发生干涉。

在一些实施例中，相干光信号41和42进入第二干涉仪104以后，经过分束单元302后分成了两路信号：相干光信号411和412以及421和422分别沿第一光路22、第二光路23传播。相干光信号411和421在第一光路22上经过第一相位调制器306调整相位；相干光信号412和422在第二光路23上经过第二相位调制器308调整相位。由于光程相同，相干光信号411和412将同时到达第二分束单元304。同样地，相干光信号421和422将同时到达第二分束单元304。进一步地，在第一输出光路B1或第二输出光路B2，相干光信号411和412的分量分别发生干涉；相干光信号421和422的分量也发生干涉。

在一些实施例中，第一和第二分束单元302和304的例子可以为分束器，例如包括半透半反膜的分光镜。作为示例，第一和第二分束单元302和304可以具有50:50的分光比。

图4B示出了图4A所示的时间相位编码装置的时间编码和相位编码的调制方法示意图，例如采用与表1类似的方式，在分束输出单元的第一输出(输出A)，其结果如下：

表2：

参考图4B，以下详细说明信号相位的调制过程：

在图4B的第一行：从激光器发出的2个周期光信号4和5。

在图4B的第二行：2个周期光信号4经过第一干涉仪(MZ干涉仪)生成4个信号：相干光信号41和42以及相干光信号51和52。

在图4B的第三行：光信号41和42经过第二干涉仪的第一分束单元后形成光信号411和412和光信号421和422；其中，光信号411和421经第一光路22传播(第三行上半部分)，光信号412和422经第二光路23传播(第三行下半部分)。同样地，光信号51和52经过第二干涉仪的第一分束单元后形成光信号511和512和光信号521和522；其中，光信号511和521经第一光路22传播(第三行上半部分)，光信号512和522经第二光路23传播(第三行下半部分)。

如图4B的第三行左侧所示，第一相位调制器306调制光信号411和521的相位，例如将二者的相位增加π；保持光信号421和511的相位不变。而第二相位调制器308不对光信号412、422、512和522的相位进行调整，保持其相位不变。

在图4B的第四行左侧所示：到达第二分束单元304的光信号。由于光程相同，光信号411、421、511和521与光信号412、422、512和522分别同时到达。在图4B的第五行左侧所示：在分束单元304的第一输出光路B1：光信号411与光信号412的相位相差π而发生消光，没有任何输出；光信号421与光信号422的相位相同而输出光信号；由于能量守恒，光信号411与光信号412的能量叠加到光信号421与光信号422的输出光中。同样地，光信号511与光信号512的相位相同而输出光信号；光信号521与光信号522的相位相差π而发生消光，没有任何输出；由于能量守恒，光信号521与光信号522的能量叠加到光信号511与光信号512的输出光中。由于相位调制器的调制方式不同，光信号4和5实现了不同时间的输出，实现了时间编码。

在图4B的第六行左侧所示：分束单元304的第二输出光路B2与第二输出光路B1的区别在于二者相位相差π。由此，在分束单元304的第二输出光路B2：光信号411与光信号412的相位相差π+π而保持不变，输出光信号；光信号421与光信号422的相位相同变为相差π而发生消光；由于能量守恒，光信号421与光信号422的能量叠加到光信号411与光信号412的输出光中。同样地，光信号511与光信号512的相位变为相差π而发生消光；光信号521与光信号522的相位相差π+π相同而输出光信号。由于能量守恒，光信号511与光信号512的能量叠加到光信号521与光信号522的输出光中。由于相位调制器的调制方式不同，光信号4和5实现了不同时间的输出，也能够实现时间编码。

如图4B的第三行右侧所示，第一相位调制器306调制光信号421的相位，例如将其相位增加π。第二相位调制器308调制光信号422的相位，例如将其相位增加π。对于其余信号：第一光路22的光信号411、511和521；和第二光路的光信号412、512和522都保持其相位不变。

在图4B的第四行右侧所示：到达第二分束单元304的光信号。由于光程相同，光信号411、421、511和521与光信号412、422、512和522分别同时到达。

在图4B的第五行右侧所示：在分束单元304的第一输出光路B1：所有光信号411、421、511和521与光信号412、422、512和522的相位都相同，不会发生消光。光信号411、412与光信号421、422的输出光相位相差为0；而光信号511、512与光信号521、522的输出光相位相差为π。由于相位调制器的调制方式不同，光信号4和5实现了不同相位的输出，实现了相位编码。

在图4B的第五行右侧所示：在分束单元304的第二输出光路B2：所有光信号411、421、511、和521与光信号412、422、512和522的相位都相同，不会发生消光。光信号411、412与光信号421、422的输出光相位相差0；而光信号511、512与光信号521、522的输出光相位相差π。由于相位调制器的调制方式不同，光信号4和5实现了不同相位的输出，也能够实现相位编码。

在本实施例中，通过在第二干涉仪中分别对于分光后的具有时间差的信号分别或同时进行π相位的四种相位调制方式，实现了时间相位的编码；而且仅需要一种π相位的调制电压即可以实现。相比现有技术而言，调制方式简单而容易实现，对于调制器件的要求较低；而且不容易受前后信号快速变化的影响，能够大幅度地提高成码率。

图5A示出了本实用新型一个实施例的时间相位编码装置的示意图。如图所示，在本实施例中，第二干涉仪采用了Sagnac干涉仪。在Sagnac干涉仪的环路光路中包括相位调制器506，并且相位调制器506两侧距离分束器505的光程长度不同。

如图5A所示，编码装置500包括第一干涉仪502和第二干涉仪504。其中，第一干涉仪502从光源接收光信号并生成具有时间差的两个相干光信号。第一干涉仪503与图4A实施例中相同，可以为不等臂干涉仪，例如MZ干涉仪。第二干涉仪504为Sagnac干涉仪，其包括分束器505和环路光路507。在环路光路507上包括相位调制器506。相位调制器506两侧的环路光路长度L1和L2并不相同。换言之，经过分束器505后沿着环路光路相向传播的两个光信号到达相位调制器506的时间不同。这样，允许相位调制器506对于沿着环路光路相向传播的光信号分别进行相位调制。

图5B示出了图5A所示的时间相位编码装置的编码方法的示意图。与图4B所示的方法类似，Sagnac干涉仪504中环路光路相向传播的两个光路可以被认为是图4B实施例中的第一光路22和第二光路23。相位调制器506能够实现第一相位调制器306和第二相位调制器308的功能。Sagnac干涉仪504包括相互垂直的两个输出，分别对应于图4B实施例中的第一输出光路B1和第二输出光路B2。由于是环路光路，相向传播的光信号的光程完全相同，因此，从Sagnac干涉仪504第一输出光路B1和第二输出光路B2输出的相干光信号能够发生干涉。

在图5B的第一行：从激光器发出的2个周期光信号4和5。

在图4B的第二行：2个周期光信号4经过第一干涉仪(MZ干涉仪)生成4个信号：相干光信号41和42以及相干光信号51和52。

在图4B的第三行：光信号41和42经过Sagnac干涉仪的分束器505后形成光信号411和412和光信号421和422；其中，光信号411和421顺时针方向沿着环路光路(第三行上半部分)，光信号412和422逆时针方向沿着环路光路传播(第三行下半部分)。同样地，光信号51和52经过分束器505后形成光信号511和512和光信号521和522；光信号511和521顺时针方向沿着环路光路(第三行上半部分)，光信号512和522逆时针方向沿着环路光路传播(第三行下半部分)。

如图5B的第三行左侧所示，相位调制器506调制光信号411和521的相位，例如将二者的相位增加π；保持光信号421和511的相位不变；不对光信号412、422、512和522的相位进行调整，保持其相位不变。

在图5B的第四行左侧所示：再次到达分束器505的光信号。由于光程相同，光信号411、421、511、和521与光信号412、422、512和522分别同时到达。在图5B的第五行左侧所示：在第一输出光路B1：光信号411与光信号412的相位相差π而发生消光，没有任何输出；光信号421与光信号422的相位相同而输出光信号；由于能量守恒，光信号411与光信号412的能量叠加到光信号421与光信号422的输出光中。同样地，光信号511与光信号512的相位相同而输出光信号；光信号521与光信号522的相位相差π而发生消光，没有任何输出；由于能量守恒，光信号521与光信号522的能量叠加到光信号511与光信号512的输出光中。由于相位调制器的调制方式不同，光信号4和5实现了不同时间的输出，实现了时间编码。

在图5B的第六行左侧所示：在分束器505的第二输出光路B2：光信号411与光信号412输出光信号；光信号421与光信号422发生消光。同样地，光信号511与光信号512发生消光；光信号521与光信号522输出光信号。由于相位调制器的调制方式不同，光信号4和5实现了不同时间的输出，也能够实现时间编码。

如图5B的第三行右侧所示，由于光程差不同，光信号421和422达到相位调制器506的时间不同。由此，相位调制器506调制光信号421和422的相位，例如将其相位增加π。对于其余信号：第一光路22的光信号411、511和521；和第二光路的光信号412、512和522都保持其相位不变。

在图5B的第四行右侧所示：再次到达分束器505的光信号。由于光程相同，光信号411、421、511和521与光信号412、422、512和522分别同时到达。然而，经过相位调制后，光信号411与光信号412的相位相同；光信号411与光信号421的相位相差π；光信号421与光信号422的相位相同；光信号511与光信号512的相位相同；光信号521与光信号522的相位也相同。

在图5B的第五行右侧所示：在分束器505的第一输出光路B1：所有光信号411、421、511和521与光信号412、422、512和522的相位都相同，不会发生消光。光信号411、412与光信号421、422的输出光相位相差0；而光信号511、512与光信号521、522的输出光相位相差π。由于相位调制器的调制方式不同，光信号4和5实现了不同相位的输出，实现了相位编码。由此，通过Sagnac干涉仪，也能够实现本实用新型所述的时间相位编码。

在图4B的第五行右侧所示：在分束器505的第二输出光路B2：所有光信号411、421、511和521与光信号412、422、512和522的相位都相同，不会发生消光。光信号411、412与光信号421、422的输出光相位相差0；而光信号511、512与光信号521、522的输出光相位相差π。由于相位调制器的调制方式不同，光信号4和5实现了不同相位的输出，也能够实现相位编码。由此，通过Sagnac干涉仪，也能够实现本实用新型所述的时间相位编码。

图6示出了本实用新型的一个实施例的时间相位编码装置。与图5所示的实施例不同，在第一干涉仪与Sagnac干涉仪之间包括了用于输出的环形器。如图所示，本实用新型的时间相位编码装置包括：第一干涉仪602、Sagnac干涉仪604，以及在第一干涉仪602和Sagnac干涉仪604之间的环形器608。图6实施例的其余部分与图5所示的实施例类似，这里不再赘述。

在一些实施例中，环形器608包括三个光学接口：第一接口、第二接口和第三接口；其中从第一接口进入的光信号从第二接口输出，从第二接口进入的光信号从第三接口输出。如图所示，环形器608的第一接口与第一干涉仪602的输出连接；环形器608的第二接口与Sagnac干涉仪的第一输出光路B1连接；环形器608的第三接口作为时间相位编码装置的输出。通过引入环形器608，既能够实现能够Sagnac干涉仪的第一输出光路B1与第一干涉仪之间的隔离，也能够方便的实现编码光信号的输出。

图7示出了本实用新型的一个实施例的时间相位编码装置。与图6所示的实施例相同，在第一干涉仪与Sagnac干涉仪之间包括了用于输出的环形器。与图6所示实施例的不同之处在于，Sagnac干涉仪的第二输出光路B2作为了时间相位编码装置的另一个输出。这样，从图7所示实施例的时间相位编码装置能够输出两路编码光信号。

图8示出了本实用新型的一个实施例的时间相位编码装置。与图6所示的实施例类似，在第一干涉仪与Sagnac干涉仪之间包括了用于单向光隔离的隔离器808。隔离器808包括第一接口和第二接口；其中，从第一接口进入的光信号将从第二接口输出；而从第二接口进入的光信号将被屏蔽，无任何输出。在一些实施例中，隔离器808第一接口与第一干涉仪602的输出连接；隔离器808的第二接口与Sagnac干涉仪的第一输出光路B1连接，从而将Sagnac干涉仪的第一输出光路B1的输出光隔离。Sagnac干涉仪的第二输出光路B2作为了时间相位编码装置的输出。

图9是根据本实用新型一个实施例的时间相位编码方法示意图。如图所示，本实用新型的时间相位编码方法包括如下步骤：

在步骤910，利用第一干涉仪，接收光信号并生成具有时间差的第一光信号和第二光信号；

在步骤920，利用Sagnac干涉仪，生成基于第一光信号的沿着环路光路相向传播的第三光信号和第四光信号；

在步骤930，利用Sagnac干涉仪，生成基于第二光信号的沿着环路光路相向传播的第五光信号和第六光信号；以及

在步骤930，利用在环路光路中的相位调制器对第三光信号和第四光信号中的一者增加或减少π相位；或者，对第五光信号和第六光信号的一者增加或减少π相位，输出具有时间差的两个光信号中的一者；以及

在步骤940，利用在环路光路中的相位调制器对第三光信号和第四光信号中的两者增加或减少π相位；或者，对第五光信号和第六光信号的两者增加或减少π相位，输出相位相差为0或π的两组光信号中的一者。

如本实用新型的一些实施例所显示的，通过在例如Sagnac干涉仪的第二干涉仪中对两个光路中传播的光信号的两者或者一者调制π相位，从而实现了时间相位编码。相位调制器仅需要具有一种π相位的调制电压即可以实现。相比现有技术而言，调制方式简单而容易实现，对于调制器件的要求较低，成码率高。而且，利用Sagnac干涉仪实现的编码器实施例中，系统结构简洁，容易实现，是一种高可靠的编码设备。

上述实施例仅供说明本实用新型之用，而并非是对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本实用新型公开的范畴。

Claims (16)

1.一种用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，包括：

第一干涉仪，其经配置以接收光信号，并生成具有时间差的第一信号和第二光信号；以及

第二干涉仪，其经配置以基于第一信号生成沿第一光路传输的第三光信号和沿第二光路传输的第四光信号；基于第二信号生成沿第一光路传输的第五光信号和沿第二光路传输的第六光信号；

其中，第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的一者增加或减少π相位；或者对第五光信号和第六光信号中的一者增加或减少π相位；以及

其中，第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的两者增加或减少π相位；或者对第五光信号和第六光信号中的两者增加或减少π相位。

2.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的一者增加或减少π相位或者对第五光信号和第六光信号中的一者增加或减少π相位，输出具有时间差的两个光信号中的一者。

3.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的两者增加或减少π相位或者对第五光信号和第六光信号中的两者增加或减少π相位，输出具有相位差为0或π相位的两组光信号中的一者。

4.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中，第一光路的第一相位调制器和第二光路中的第二相位调制器分别对第三光信号和第四光信号中的一者或两者增加或减少π相位时，保持第五光信号和第六光信号的相位不变；或者对第五光信号和第六光信号中的一者或两者增加或减少π相位时，保持第三光信号和第四光信号相位不变。

5.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中第二干涉仪包括第一输出光路和第二输出光路。

6.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中第二干涉仪包括第一分束单元和第二分束单元以及第一分束单元和第二分束单元之前的第一光路和第二光路。

7.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中第二干涉仪为Sagnac干涉仪；第一光路和第二光路为Sagnac干涉仪环路光路的两个相向的光路。

8.根据权利要求7所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中第一相位调制器和第二相位调制器同为Sagnac干涉仪环路光路上的相位调制器，所述相位调制器两侧与Sagnac干涉仪光入口之间的距离不同。

9.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，进一步包括光隔离器，其设置在第一干涉仪与第二干涉仪之间。

10.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，进一步包括环形器，其设置在第一干涉仪与第二干涉仪之间。

11.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中，环形器包括第一接口、第二接口和第三接口；其中从第一接口进入的光信号从第二接口输出，从第二接口进入的光信号从第三接口输出；环形器的第一接口与第一干涉仪的输出连接；环形器的第二接口与第二干涉仪的输出连接；环形器第三接口作为时间相位编码装置的输出。

12.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中第一相位调制器或第二相位调制器仅具有调整π相位的工作电压。

13.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中第一相位调制器或第二相位调制器仅工作在调整0或π相位的工作状态。

14.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中，第一干涉仪为不等臂干涉仪。

15.根据权利要求1所述的用于量子通信的时间相位编码装置，其特征在于，其中，第一干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪或者迈克尔逊干涉仪。

16.一种量子密钥分发系统，其包括权利要求1-15中任一项所述时间相位编码装置。

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