CN213342242U

CN213342242U - 基于时分复用的解码装置、qkd系统及量子保密通信系统

Info

Publication number: CN213342242U
Application number: CN202022423707.7U
Authority: CN
Inventors: 汤艳琳; 刘仁德; 许穆岚; 李东东; 唐世彪
Original assignee: Quantumctek Co Ltd
Current assignee: Quantumctek Co Ltd
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2030-10-26

Abstract

本实用新型公开了一种低插损的基于时分复用的解码装置、量子密钥分发(QKD)系统和量子保密通信系统。在该解码装置中，利用两个不同光程的保偏光纤光路连接两个单模转保偏偏振分束器的对应分束端，借助两个单模转保偏偏振分束器的配对使用，为例如偏振编码信号光提供时分复用功能，而无需光耦合器，由此避免由于光耦合器带来的额外插入损耗，减少系统损耗，提高系统效率。

Description

基于时分复用的解码装置、QKD系统及量子保密通信系统

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，特别涉及一种低插损的基于时分复用的解码装置、量子密钥分发(QKD)系统和量子保密通信系统。

背景技术

图1示意性地示出了现有技术的基于偏振编码的量子密钥分发(QKD)系统中常用的解码装置。如图1所示，在用于偏振编码的解码装置中，通常利用两个偏振分束器分别完成两个基矢偏振态的检测，基于两个偏振分束器获得的四种偏振态分别进入四个单光子探测器进行探测，由此实现对偏振编码的解码。如图1所示，现有技术中使用的偏振分束器均为单模偏振分束器，其公共端和两个分束端均为单模光纤。

在图1的解码装置中，相同基矢偏振态使用不同单光子探测器进行探测，当用于相同基矢的两个单光子探测器在时域上存在效率差异时，会导致在量子密钥分发系统中出现安全漏洞。由于不同单光子探测器在时域上往往存在效率差异，因此要产生两个完全一致的单光子探测器难以实现。

对此，技术人员通常容易想到利用时分复用方案来解决这一问题，其中，通过在各基矢检测光路中设置时分复用单元，使得能够利用同一单光子探测器完成对同一基矢下的两个偏振态的检测，例如图2中示出的基于时分复用单元的解码装置那样。如图2所示，现有技术中往往借助光耦合器来实现时分复用单元，其中通常将偏振分束器的两个分束端与光耦合器的两个分束端连接，通过控制连接不同分束端的光纤的长度，使得相同基矢下不同偏振态的光子将以特定的延时差进入光耦合器，最后按照该特定的延时差先后进入同一单光子探测器进行探测，其中，偏振态(量子态)的识别可以根据单光子探测器的响应时间来实现。在这种时分复用单元中，由于偏振分束器为单模偏振分束器，其分束端利用单模尾纤输出，因此，所使用的光耦合器只能是单模尾纤的单模光耦合器。

但由于光耦合器存在3dB固有损耗，损耗往往大于3dB，将使得光路插入损耗增加至少3dB，相应的能进入单光子探测器的信号至少损失一半，大大降低了系统的有效探测效率，严重影响系统性能。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型提出了一种低插损的基于时分复用的解码装置，其中利用两个不同光程的保偏光纤光路连接两个单模转保偏偏振分束器的对应分束端，借助两个单模转保偏偏振分束器的配对使用，为例如偏振编码信号光提供时分复用功能，而无需光耦合器，从而能够相对于现有技术实现更低的插入损耗，可以在避免因探测器差异引发的安全漏洞的同时，减少系统的插入损耗，改善系统有效探测效率。

具体而言，本实用新型的基于时分复用的解码装置可以包括分束单元，以及分别与所述分束单元的两个分束端连接的第一基矢测量光路和第二基矢测量光路；

所述第一基矢测量光路包括第一时分复用单元和第一单光子探测器；

所述第二基矢测量光路包括第二时分复用单元和第二单光子探测器；

所述第一和第二基矢测量光路中的至少一个中设有偏振控制器；

其特征在于：

所述第一时分复用单元包括第一和第二单模转保偏偏振分束器，所述第二时分复用单元包括第三和第四单模转保偏偏振分束器；

所述第一、第二、第三和第四单模转保偏偏振分束器中的每一个具有公共端、第一分束端和第二分束端，且所述公共端为单模传输，所述第一和第二分束端为保偏传输；

所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的第一分束端之间通过第一保偏光纤光路进行连接，且所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的第二分束端之间通过第二保偏光纤光路进行连接，使得分别由所述第一单模转保偏偏振分束器的第一和第二分束端输出的信号光均由所述第二单模转保偏偏振分束器的公共端输出给所述第一单光子探测器；

所述第三和第四单模转保偏偏振分束器的第一分束端之间通过第三保偏光纤光路进行连接，且所述第三和第四单模转保偏偏振分束器的第二分束端之间通过第四保偏光纤光路进行连接，使得分别由所述第三单模转保偏偏振分束器的第一和第二分束端输出的信号光均由所述第四单模转保偏偏振分束器的公共端输出给所述第二单光子探测器；以及，

所述第一和第二保偏光纤光路具有彼此不同的光程，且所述第三和第四保偏光纤光路具有彼此不同的光程。

进一步地，所述公共端为单模尾纤，所述第一和第二分束端为保偏尾纤。

进一步地，所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端同为透射端或反射端，所述第二分束端对应的同为反射端或透射端；或者，所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端分别为透射端和反射端，所述第二分束端对应的分别为反射端和透射端；以及，

所述第三和第四单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端同为透射端或反射端，所述第二分束端对应的同为反射端或透射端；或者，所述第三和第四单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端分别为透射端和反射端，所述第二分束端对应的分别为反射端和透射端。

进一步地，所述第一、第二、第三和第四保偏光纤光路通过慢轴或快轴对准连接来实现。

可选地，所述第一、第二、第三和第四保偏光纤光路借助法兰连接或者光纤熔接实现。

优选地，所述第一和第二基矢测量光路中均设有所述偏振控制器。

进一步地，所述信号光可以承载有偏振编码信息。

本实用新型的另一方面公开了一种基于偏振编码的量子密钥分发系统，其包括上述解码装置。

本实用新型的又一方面公开了一种量子保密通信系统，其包括上述量子密钥分发系统。

借助本实用新型中改进的时分复用单元，可以减少现有技术因采用光耦合器提供时分复用功能而带来的额外插入损耗，提高解码装置的探测效率，从而改善基于偏振编码方案的量子密钥分发和量子保密通信系统的系统效率。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。

图1示出了现有技术中常用的基于偏振编码方案的解码装置；

图2示出了现有技术中用在基于偏振编码方案的解码装置中的时分复用单元；

图3示出了根据本实用新型的低插损的基于时分复用的解码装置，其尤其适用于基于偏振编码方案的系统。

具体实施方式

在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。

图3示出了根据本实用新型的低插损的基于时分复用的解码装置。

如图3所示，该解码装置可以包括分束单元，以及分别与分束单元的两个分束端连接的第一基矢测量光路和第二基矢测量光路。

第一基矢测量光路可以包括第一时分复用单元和第一单光子探测器，第二基矢测量光路可以包括第二时分复用单元和第二单光子探测器，并且第一和第二基矢测量光路中的至少一个上还设置有偏振控制器，用于为信号光提供偏振补偿。

在优选示例中，可以在第一和第二基矢测量光路中均设置偏振控制器。

第一时分复用单元可以包括第一单模转保偏偏振分束器和第二单模转保偏偏振分束器。

第一单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中：公共端借助单模光纤进行光传输；第一和第二分束端借助保偏光纤进行光传输，例如慢轴保偏传输或者快轴保偏传输。

在优选示例中，第一单模转保偏偏振分束器的公共端可以为单模尾纤，第一和第二分束端可以为保偏尾纤。

第二单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中：公共端借助单模光纤进行光传输；第一和第二分束端借助保偏光纤进行光传输，例如慢轴保偏传输或者快轴保偏传输。

在优选示例中，第二单模转保偏偏振分束器的公共端可以为单模尾纤，第一和第二分束端可以为保偏尾纤。

第一单模转保偏偏振分束器的第一分束端通过第一保偏光纤光路连接第二单模转保偏偏振分束器的第一分束端，并且第一单模转保偏偏振分束器的第二分束端通过第二保偏光纤光路连接第二单模转保偏偏振分束器的第二分束端，以使得由第一单模转保偏偏振分束器的分束端输出的信号光能够由第二单模转保偏偏振分束器的公共端输出。

作为示例，第一和第二单模转保偏偏振分束器的第一分束端可以同为透射端或者反射端，第二分束端对应的可以同为反射端或者透射端。第一和第二单模转保偏偏振分束器的第一分束端也可以分别为透射端和反射端，第二分束端对应的可以分别为反射端和透射端。

根据本实用新型，第一保偏光纤光路和第二保偏光纤光路具有不同的光程，以在分别在第一保偏光纤光路和第二保偏光纤光路中传输的信号光之间实现预设的时间延迟。

在优选示例中，第一和第二单模转保偏偏振分束器的分束端之间可以通过慢轴对准。第一(第二)保偏光纤光路可以是借助法兰连接或者光纤熔接实现的。

第一单模转保偏偏振分束器的公共端可以作为第一时分复用单元的输入端，用于接收由分束单元的第一分束端输出的偏振编码信号光。

第二单模转保偏偏振分束器的公共端可以作为第一时分复用单元的输出端，用于连接第一单光子探测器。

第二时分复用单元可以包括第三单模转保偏偏振分束器和第四单模转保偏偏振分束器。

第三单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中：公共端借助单模光纤进行光传输；第一和第二分束端借助保偏光纤进行光传输，例如慢轴保偏传输或者快轴保偏传输。

在优选示例中，第三单模转保偏偏振分束器的公共端可以为单模尾纤，第一和第二分束端可以为保偏尾纤。

第四单模转保偏偏振分束器包括公共端、第一分束端和第二分束端，其中：公共端借助单模光纤进行光传输；第一和第二分束端借助保偏光纤进行光传输，例如慢轴保偏传输或者快轴保偏传输。

在优选示例中，第四单模转保偏偏振分束器的公共端可以为单模尾纤，第一和第二分束端可以为保偏尾纤。

第三单模转保偏偏振分束器的第一分束端通过第三保偏光纤光路连接第四单模转保偏偏振分束器的第一分束端，并且第三单模转保偏偏振分束器的第二分束端通过第四保偏光纤光路连接第四单模转保偏偏振分束器的第二分束端，以使得由第三单模转保偏偏振分束器的分束端输出的信号光能够由第四单模转保偏偏振分束器的公共端输出。

作为示例，第三和第四单模转保偏偏振分束器的第一分束端可以同为透射端或者反射端，第二分束端对应的可以同为反射端或者透射端。第三和第四单模转保偏偏振分束器的第一分束端也可以分别为透射端和反射端，第二分束端对应的可以分别为反射端和透射端。

根据本实用新型，第三保偏光纤光路和第四保偏光纤光路具有不同的光程，以在分别在第三保偏光纤光路和第四保偏光纤光路中传输的信号光之间实现预设的时间延迟。

在优选示例中，第三和第四单模转保偏偏振分束器的分束端之间可以通过慢轴对准。第三(第四)保偏光纤光路可以是借助法兰连接或者光纤熔接实现的。

第三单模转保偏偏振分束器的公共端可以作为第二时分复用单元的输入端，用于接收由分束单元的第二分束端输出的偏振编码信号光。

第四单模转保偏偏振分束器的公共端可以作为第二时分复用单元的输出端，用于连接第二单光子探测器。

下面继续结合图3，进一步说明本实用新型的基于时分复用的解码装置的工作原理。

在解码装置中，经传输信道进入解码装置的偏振编码信号光被分束单元分束，并分别经由第一分束端和第二分束端进入第一基矢测量光路和第二基矢测量光路。

由于第一和第二基矢测量光路的工作过程基本相同，因此，出于简洁目的，下面将以第一基矢测量光路为例说明其工作过程。

在第一基矢测量光路中，利用偏振控制器对偏振编码信号光进行偏振补偿。

随后，偏振编码信号光经由作为输入端的第一单模转保偏偏振分束器的公共端，输入第一时分复用单元中。

在第一时分复用单元中，由于第一单模转保偏偏振分束器的公共端借助单模光纤进行光传输，因此，其允许所有的偏振态通过并输入第一单模转保偏偏振分束器，分束成偏振态彼此正交的两个分量。

通过使第一和第二单模转保偏偏振分束器的分束端借助保偏光纤进行光传输，由第一单模转保偏偏振分束器的分束端输出的分量的偏振态确定，如此第一和第二单模转保偏偏振分束器可以配对使用，即，借助第一和第二单模转保偏偏振分束器的分束端光轴对准连接来实现用于分量传输的保偏光纤光路，从而允许由第一单模转保偏偏振分束器的分束端输出的两个分量以保偏的方式先后到达第二单模转保偏偏振分束器的分束端。此时，第二单模转保偏偏振分束器可以实现光耦合功能，使得在不同时间分别从第二单模转保偏偏振分束器的第一和第二分束端输入的两个分量，可以在不同时间从第二单模转保偏偏振分束器的公共端输出，由第一单光子探测器对其进行探测。

由此可见，在本实用新型的解码装置中，借助两个单模转保偏偏振分束器的配合使用即可以实现对光信号的时分复用，而无需借助光耦合器。由于单模转保偏偏振分束器从原理上不存在光耦合器的3dB固有插损，插损一般较小，商用器件一般都在1dB以内，典型值一般仅有0.8dB，因此，相比现有技术中采用通过光耦合器实现的时分复用单元的解码装置，可以大大降低因时分复用带来的插损，使得光子能以更高的概率到达单光子探测器，提升系统性能。

进一步地，本实用新型还提出了一种基于偏振编码方案的量子密钥分发系统，其采用上述解码装置，可以获得改善的系统效率。

更进一步地，本实用新型还可以提出一种量子保密通信系统，其由于采用上述量子密钥分发系统进行高效的量子密钥分发，同样可以获得改善的系统效率。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。

Claims

1.一种基于时分复用的解码装置，其包括分束单元，以及分别与所述分束单元的两个分束端连接的第一基矢测量光路和第二基矢测量光路；

其特征在于：

2.如权利要求1所述的解码装置，其中，所述公共端为单模尾纤，所述第一和第二分束端为保偏尾纤。

3.如权利要求1所述的解码装置，其中，所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端同为透射端或反射端，所述第二分束端对应的同为反射端或透射端；或者，所述第一和第二单模转保偏偏振分束器的所述第一分束端分别为透射端和反射端，所述第二分束端对应的分别为反射端和透射端；以及，

4.如权利要求1所述的解码装置，其中，所述第一、第二、第三和第四保偏光纤光路通过慢轴或快轴对准连接来实现。

5.如权利要求1所述的解码装置，其中，所述第一、第二、第三和第四保偏光纤光路借助法兰连接或者光纤熔接实现。

6.如权利要求1所述的解码装置，其中，所述第一和第二基矢测量光路中均设有所述偏振控制器。

7.如权利要求1所述的解码装置，其中，所述信号光承载有偏振编码信息。

8.一种QKD系统，其基于偏振编码且包括如权利要求1-7中任一项所述的解码装置。

9.一种量子保密通信系统，其包括如权利要求8所述的QKD系统。