CN211826788U - 一种偏振调制装置及量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种偏振调制装置及量子密钥分发系统，装置集成于硅基板上，包括第一分束器、功率控制器、第一相移器、第二分束器、第二相移器和合束器，第一分束器的输出端分别连接一功率控制器，其中一路上额外设置有第一相移器，两路分别连接第二分束器的不同输入端，第二分束器的两个输出端连接至合束器，其中一路上额外设置有第二相移器。本实用新型能够解决因相移器吸收而产生的偏振对比度较差的问题。

Description

一种偏振调制装置及量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型属于量子密钥分发技术领域，具体涉及一种偏振调制装置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。

偏振编码的QKD系统是以光子偏振态为信息载体实现密钥分发。光子偏振态制备在QKD系统中至关重要。光子偏振态制备准确度、偏振消光比直接决定了商用QKD系统长期误码率及安全性。

据发明人了解，目前光子偏振态的制备主要存在以下缺点：因相移器吸收而产生的偏振对比度较差的问题，同时，由于结构限制，无法进行补偿，或者补偿结果无法兼顾所有偏振态。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种偏振调制装置及量子密钥分发系统，本实用新型能够解决因相移器吸收而产生的偏振对比度较差的问题。

根据一些实施例，本实用新型采用如下技术方案：

一种偏振调制装置，集成于硅基板上，包括第一分束器、功率控制器、第一相移器、第二分束器、第二相移器和合束器，其中：

第一分束器的输出端分别连接一功率控制器，其中一路上额外设置有第一相移器，两路分别连接第二分束器的不同输入端，第二分束器的两个输出端连接至合束器，其中一路上额外设置有第二相移器。

作为可选择的实施方式，第一分束器、功率控制器、第一相移器、第二分束器、第二相移器和合束器之间通过光波导连接。

作为可选择的实施方式，所述第二分束器的上臂设置有第二相移器。

作为可选择的实施方式，所述功率控制器为功率补偿模块。

作为可选择的实施方式，所述功率补偿模块包括但不限于可调光衰减器、强度调制器等能调控光功率输出的器件。

作为可选择的实施方式，所述功率控制器被配置为由直流偏置电压驱动。

作为可选择的实施方式，所述第一分束器为1*2分束器。

作为可选择的实施方式，所述第二分束器为2*2分束器。

作为可选择的实施方式，所述合束器是指具有光合束功能器件，用于让信号光发生干涉或者合成目标偏振态，包含但不限于2*1MMI、2*2MMI等功率合成、分束器件，偏振旋转分束器、2D光栅等偏振合成器件。

一种量子密钥分发系统，包括上述偏振调制装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型利用功率控制器补偿相移器带来的功率损失，平衡干涉结构两臂的光强比例，能够明显提升偏振调制装置所制备偏振态对比度。

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是现有技术方案一的原理示意图；

图2是现有技术方案二的原理示意图；

图3是本实施例的结构示意图。

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。

为具体说明本实用新型的改进，先介绍现有的两种典型方案。

方案一：以中国专利201721907018.5为例进行说明，这种技术方案采用硅光子片上集成技术实现量子密钥发送端光学系统功能。如图1所示，采用两级MZ干涉结构。偏振调制装置由两级MZ干涉仪串联构成，用于制备水平(|H>)、竖直(|V>)、45°(|P>)和-45°(|N>)偏振态。两级干涉结构中相移器一般采用带宽较高的载流子色散型相移器，需要用动态脉冲电压来驱动。第一级干涉结构中两臂的相位差被调制为0和π时，第二级干涉相位差任意，可分别对应制备出|H>、|V>偏振态。第一级两臂相位差为π/2前提下，第二级两臂相位差被调制为0和π时，对应制备出|P>、|N>偏振态。

这种方案实际上是通过控制载流子浓度来改变波导折射率，进而控制了相移大小。但是改变相移的同时也改变了波导对光信号的吸收效率。波导与相移器交叠的范围内载流子浓度越高，波导对光信号的吸收也越高。制备水平偏振态(|H>)时需要第一级干涉结构两臂相位差为0，使信号光从第二级干涉结构的上臂发生干涉相长，下臂干涉相消。制备竖直偏振态(|V>)需要相位差为π，信号光在上臂相消下臂相长。但是考虑相移器对信号光的吸收后，相移器对|H>态与|V>态的吸收不一致，最后导致不能达到完美的干涉相长或相消状态。最后制备的|H>态与|V>态的偏振夹角较差。第二级干涉结构在制备±45°偏振态时也面临同样问题。由于干涉臂分光比是固定的，此方案无法针对此问题做补偿。

方案二：以如专利201721742376.5为例，如图2所示，第一强度调制器用于调制信号光强，用于制备信号态、诱骗态。第二级强度调制器采用直流电压驱动，用于稳定偏振调制器两臂的光强比例。脉冲驱动电压驱动偏振调制器相移器，用于制备±45°(|P>、|N>)偏振光、左旋圆偏振光(|L>)、右旋圆偏振光(|R>)。

这种方案的第二级干涉结构亦采用载流子色散型相移器，在制备四种偏振态时亦存在与方案1同样的问题。虽然可调节第一级的干涉状态来补偿部分损耗，但是第二级需要调制的偏振态有4个，补偿结果无法兼顾所有偏振态。往往最终要取一个折中效果，偏振对比度依然较低。

为了解决上述问题，本实施例提出了一种硅基片上集成的高偏振对比度偏振调制装置，能够解决因相移器吸收、分束器分光不均和波导损耗差异而产生的偏振对比度较差的问题。

采用两级干涉结构组合而成，每级分别用一个相移器控制相移；具体的，如图3所示，包括1*2分束器1、功率控制器件2、功率控制器件3、相移器4、2*2分束器5、相移器6和偏振合成器件7。

其中，上述各个器件之间通过光波导依次相连。

1*2分束器件1将信号光按照光功率50:50分为两束，两出口通过光波导分别连接功率控制器件2，以及功率控制器件3和相移器4，分别用于控制光信号功率大小和调制光信号相位。两路光信号于2*2分束器5干涉后分为两路，其中上臂信号经过相移器6，下臂信号通过光波导与上臂信号于偏振合成器件7汇合，合成所需偏振态。

当制备|H>与|V>态时，如果不考虑相移器的相位相关损耗、1*2分束器1分光不均以及两臂波导损耗差异，两臂光信号调制之后光强完全相等。两路光信号在2*2分束器5中发生完全干涉。两臂的光信号相位差为0时，信号光完全走第二级干涉结构上臂，第二级上下两臂光程差任意，此时输出|H>态；相位差为π时，信号光完全走第二级干涉结构下臂，第二级上下两臂光程差任意，此时输出|V>态。

如果考虑相移器的相位相关损耗，在制备|H>态与|V>态时两臂的损耗不一致，导致在2*2分束器5中不能达到完全的消光与相长。表现为制备|H>态时大多数光走第二级上臂，但是有少许光会走下臂，这样最终输出的偏振态并非|H>态。同理|V>态制备中亦是如此。并且这样制备出的偏振夹角较差。仿真结果表明，当相移器相位相关(0与π相移)损耗差异达到1dB时(PN型相移器)，|H>态与|V>态在poincare球上角度会下降5°以上。

如果考虑1*2分束器1分光不均以及两臂波导损耗差异，两臂信号光在2*2分束器5干涉之前振幅不一致，会导致在2*2分束器5中不能达到完全的消光与相长。同样表现为制备|H>态时大多数光走第二级上臂，但是有少许光会走下臂，这样最终输出的偏振态并非|H>态。同理|V>态制备中亦是如此。并且这样制备出的偏振夹角较差。

本实施例由于在第一级干涉结构中加入功率控制器件2，平衡两臂之间光功率，降低制备|H>态与制备|V>态时两臂光强差。使光信号在第一级干涉中能尽可能达到最佳，所制备的|H>态与|V>态也更加趋近理想状态。

经补偿两臂信号的损耗差异之后，干涉状态更加理想，所制备的|H>态与|V>态的偏振对比度可明显提升。

同时，如图3所示，在第一级中增加一个功率控制器件3，能够有效解决1*2分束器1分光不均和两臂波导损耗差异问题。

制备|P>、|N>态时，信号光干涉后由2*2分束器5两端口以固定比例分别出射(理想比例为50:50)，分别经过第二级干涉结构两臂，由上臂的相移器6调制相位。

此时相移器6由一路动态驱动电路驱动。动态驱动电路分别下发两种脉冲电压，对应两种相位差(0、π)。之后在偏振合成器件7合成所需要的偏振态。当第二级干涉两臂信号相位差为0时，合成偏振态为|P>；当相位差为π时，合成偏振态为|N>；同样，第二级干涉结构中的相移器6依然会引入相位相关损耗，可以通过调节第一级干涉结构的干涉状态，控制第二级干涉结构的两臂的光强比例来补偿。

由于第二级干涉结构只用于制备|P>、|N>两种偏振态，比起现有技术中出现的第二级制备|P>、|R>、|N>、|L>四种偏振态的方法，可以更方便补偿相移器引入的损耗差异，所制备的|P>、|N>态偏振对比度更高。

本实施例的第一级干涉结构中加入功率控制器件2，用于平衡补偿因相移器吸收而引起的两臂功率差异。功率控制器件2可用直流电压驱动，参数调配好之后，驱动电压固定不变。第二级干涉结构中只用一个相移器即可完成相移效果。

本实施例的第二级干涉结构制备的偏振态只有|P>、|N>两个。当相移器损耗降低了偏振对比度时，可通过调节第一级干涉状态来补偿。补偿效果要优于现有技术中，第二级干涉结构同时制备四种偏振态的情况。这是因为，现有技术方案二的调节过程中一般只能把其中一对角度调节到完美，但是另外一对夹角非常差，为了兼顾所有偏振态之间的对比度，往往会取折中的方式，调节第二级强度调制器两臂的相移差使得每对夹角基本一致，但与理想值都有一定的距离。

而本实施例的偏振调制装置和现有技术原理不同，所制备的|P>、|N>能达到比较高的偏振对比度。

需要注意的是，本实施例的功率控制器件2、功率控制器件3分别为1个功率补偿器件，来补偿相移器带来的功率损失。

但在其他实施例中，功率补偿器件还可以替换为可调光衰减器、强度调制器等能调控光功率输出的器件。

同样的，在其他实施例中，分束器为具有偏振无关光功率分束功能的器件，包括但不限于1*2MMI等功率分束器件。

在其他实施例中，合束器指具有光合束功能器件，用于让信号光发生干涉或者合成目标偏振态，包含但不限于2*1MMI、2*2MMI等功率合成、分束器件，偏振旋转分束器、2D光栅等偏振合成器件。

经过试验对比，在本实施例中，用功率补偿器件平衡干涉结构两臂的光强比例之后，所制备偏振态对比度均有明显提升，偏振夹角最大可提升19°。

综上，本实施例通过对偏振调制装置的结构进行改进，能够制备|H>、|V>、|P>、|N>四态，使得|P>、|N>态夹角可以调节到接近理想状态，|H>、|V>态夹角也可以通过调节功率补偿器件来提升。

另外针对1*2分束器1分光不均和两臂波导损耗差异问题，也可以利用功率补偿器件直接弥补。

上述实施例提供的方案，有效的解决了现有技术方案中存在的无法进行补偿，以及载流子色散效应的相移器在不同电压下对光信号产生不同相移，同时也会连带产生对光信号功率衰减的问题。

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。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种偏振调制装置，其特征是：集成于硅基板上，包括第一分束器、功率控制器、第一相移器、第二分束器、第二相移器和合束器，其中：

第一分束器的输出端分别连接一功率控制器，其中一路上额外设置有第一相移器，两路分别连接第二分束器的不同输入端，第二分束器的两个输出端连接至合束器，其中一路上额外设置有第二相移器。

2.如权利要求1所述的一种偏振调制装置，其特征是：第一分束器、功率控制器、第一相移器、第二分束器、第二相移器和合束器之间通过光波导连接。

3.如权利要求1所述的一种偏振调制装置，其特征是：所述第二分束器的上臂设置有第二相移器。

4.如权利要求1所述的一种偏振调制装置，其特征是：所述功率控制器为功率补偿模块。

5.如权利要求4所述的一种偏振调制装置，其特征是：所述功率补偿模块包括可调光衰减器、强度调制器。

6.如权利要求1所述的一种偏振调制装置，其特征是：所述功率控制器连接驱动电路，被配置为由直流偏置电压驱动。

7.如权利要求1所述的一种偏振调制装置，其特征是：所述第一分束器为1*2分束器。

8.如权利要求1所述的一种偏振调制装置，其特征是：所述第二分束器为2*2分束器。

9.如权利要求1所述的一种偏振调制装置，其特征是：所述合束器为2*1MMI、2*2MMI、偏振旋转分束器或2D光栅。

10.一种量子密钥分发系统，其特征是：包括权利要求1-9中任一项所述的偏振调制装置。

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