CN213585800U - 基于光纤连接的量子通信系统的接收器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，涉及量子通信领域，包括电动偏振控制器、波分复用器、偏振检测器和解码器，其中，电动偏振控制器被配置为通过光纤接收发送端发送的光束，波分复用器被配置为根据波长将该光束分束，得到第一路光信号和第二路光信号，其中，第二路光信号被预先配置为携带待传输信号的量子光，偏振检测器被配置为检测第一路光信号的偏振态偏移信息，电动偏振控制器还被配置为响应于第一路光信号的偏振态偏移信息，对第一路光信号的偏振态进行校准，将第一路光信号的偏振态调节至初始的偏振态，提高了抗扰动性、效率且成本较低。

Description

基于光纤连接的量子通信系统的接收器

技术领域

本实用新型涉及量子通信领域，具体涉及一种基于光纤连接的量子通信系统的接收器。

背景技术

量子密钥分发（Quantum Key Distribution，简称QKD）作为一种全新的安全通信技术，近年来受到广泛的关注，在量子密钥分发过程中，一般采用光子作为安全通信的物理载体并利用光子的偏振态进行编码。

量子密钥分发的过程一般通过光纤传输光子的方式实现，也可以通过自由空间（大气）传输光子的方式实现。由于发送端产生的光子通过普通的单模光纤至接收器时，光子会发生折射，使得光子的偏振态发生改变，而光子的偏振态的改变会增加量子通信的误码率，使得基于偏振态编码的量子密钥分发变得困难。因此，在量子密钥分发过程中，如何实现有效地进行偏振态补偿是一个必须解决的技术问题。

当前的QKD系统主要通过实时监测误码率并采用偏振补偿算法实现量子密钥分发过程中的实时偏振补偿，通过特定偏振态的校准光对在QKD系统的参数进行初始化，如果QKD系统的误码率较高，容易导致QKD系统中断，需要再次通过特定偏振态的校准光对QKD系统的参数进行初始化。在QKD系统扰动较大情况下，平均每3-5分钟甚至更短时间就需要重新启动初始化过程，需要多次校正才能使得偏振补偿性能指标达到理想值，导致现有的QKD系统存在抗扰动性差、效率低的缺陷。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种基于光纤连接的量子通信系统的接收器，用以解决现有技术存在的抗扰动性差、效率低的缺陷。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种基于光纤连接的量子通信系统的接收器，该接收器包括：

第一电动偏振控制器，被配置为通过单模光纤接收发送端发送的光束；

波分复用器，被配置为根据波长将所述光束分束，得到第一路光信号和第二路光信号，其中，所述第二路光信号被预先配置为携带待传输信息的量子光；

偏振检测器，被配置为检测所述第一路光信号的偏振态偏移信息；

所述第一电动偏振控制器还被配置为响应于所述第一路光信号的偏振态偏移信息，对所述第一路光信号的偏振态进行补偿，将所述第一路光信号的偏振态调节至其初始的偏振态；

解码器，被配置为基于BB84协议，从所述第二路光信号解码出待传递的信息。

作为本实用新型一个优选的实施例，所述第二路光信号初始的偏振态为H 偏振态、V 偏振态、P 偏振态或N偏振态中的一者。

作为本实用新型一个优选的实施例，所述第一路光信号初始的偏振态与所述第二路光信号初始的偏振态相同。

作为本实用新型一个优选的实施例，还包括分束器，所述分束器被配置为将所述第一路光信号分束，得到正交的第三路光信号和第四路光信号。

作为本实用新型一个优选的实施例，还包括光电探测器，所述光电探测器被配置为探测所述第四路光信号，其中，所述第四路光信号为时钟信号光。

作为本实用新型一个优选的实施例，所述偏振检测器被配置为实时检测所述第三路光信号的功率并根据所述第三路光信号的功率与所述第一路光信号的峰值功率的比值，确定所述第一路光信号的偏振态偏移信息。

作为本实用新型一个优选的实施例，所述分束器与所述波分复用器、所述光电探测器、所述偏振检测器之间以及所述偏振检测器与所述第一电动偏振控制之间采用保偏光纤连接。

作为本实用新型一个优选的实施例，所述第一路光信号的波长与所述第二路光信号的波长不相同。

作为本实用新型一个优选的实施例，所述解码器包括：

第一偏振分束器，被配置为将所述第二路光信号中H偏振态的光子和V偏振态的光子分束到第二偏振分束器，并且将所述第二路光信号中P偏振态的光子和N偏振态的光子分束到第三偏振分束器；

第二偏振分束器，被配置为将所述第二路光信号中H偏振态的光子分束到第一单光子探测器，将所述第二路光信号中V偏振态的光子分束到第二单光子探测器；

第三偏振分束器，被配置为将所述第二路光信号中P偏振态的光子分束到第三单光子探测器，并且将所述第二路光信号中N偏振态的光子分束到第四单光子探测器；

第一单光子探测器，被配置为探测所述第二路光信号中H偏振态的光子；

第二单光子探测器，被配置为探测所述第二路光信号中V偏振态的光子；

第三单光子探测器，被配置为探测所述第二路光信号中P偏振态的光子；

第四单光子探测器，被配置为探测所述第二路光信号中N偏振态的光子。

作为本实用新型一个优选的实施例，所述解码器还包括：

第二电动偏振控制器，被配置为实时调节所述第一偏振分束器输出的H偏振态的光子和V偏振态的光子的偏振态，以防止所述第二路光信号中H偏振态的光子和V偏振态的光子的偏振态发生偏移；

第三电动偏振控制器，被配置为实时调节所述第一偏振分束器输出的P偏振态的光子和N偏振态的光子的偏振态，以防止所述第二路光信号中P偏振态的光子和N偏振态的光子的偏振态发生偏移。

本实用新型实施例提供的基于光纤连接的量子通信系统的接收器具有以下有益效果：

（1）利用第一路光信号作为同步光对第二路光信号的偏振态进行同步及实时调节，避免了现有技术中需要中止量子密钥分发过程进行偏振态补偿，抗扰动性好、效率高；

（2）相较于基于自由空间的量子密钥分发过程中的接收器，不需要望远镜装置，结构简单，成本较低。

附图说明

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要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图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获得其他的附图。

图1为现有的基于光纤连接的量子通信系统的接收器结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于光纤连接的量子通信系统的接收器结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的基于光纤连接的量子通信系统的接收器的解码器结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的基于光纤连接的量子通信系统的接收器的解码器另一结构示意图。

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、完整的描述，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的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。

实施例一

如图1所示，现有的QKD系统通过实时侦测偏振探测器探测到的偏振光的功率值，并将其反馈给控制单元，控制单元通过计算波片应转动的角度值，控制电机驱动波片转动，实现了对QKD系统实时进行偏振补偿。该方案存在的缺陷为在QKD系统扰动较大情况下，每3-5分钟甚至更短时间就需要再次进行初始化，需要多次校正才能使得偏振补偿性能指标达到理想值，导致现有的基于光纤连接的量子通信系统的接收器存在抗扰动性差、效率低的缺陷。

实施例二

下面对本实用新型实施例提供的基于光纤连接的量子通信系统的接收器进行详细说明：

作为本实用新型一个具体的实施例，如图2所示，本实用新型实施例提供的基于光纤连接的量子通信系统的接收器包括第一电动偏振控制器、波分复用器、偏振检测器、解码器，其中：

第一电动偏振控制器被配置为通过单模光纤接收发送端发送的光束。

具体地，发送端发送的光束可以两路激光器发出的两束光信号，也可以为多路激光器发出的多束光信号，本实用新型实施例对此不做限制。

波分复用器被配置为根据波长将光束分束，得到第一路光信号和第二路光信号，其中，第二路光信号被预先配置为携带待传输信号的量子光。

偏振检测器，被配置为检测第一路光信号的偏振态偏移信息。

作为一个可选的实施例，偏振检测器通过检测从第一路光信号中分束出来的一束光信号的功率来检测第一路光信号的偏振态偏移信息。

第一电动偏振控制器，还被配置为响应于第一路光信号的偏振态偏移信息，对第一路光信号的偏振态进行校准，将第一路光信号的偏振态调节至其初始的偏振态。

作为本实用新型一个可选的实施例，第一路光信号初始的偏振态与第二路光信号初始的偏振态相同。

具体地，在对第二光信号进行解码之前，由于第二路光信号初始的偏振态与第一路光信号初始的偏振态一致，因此第一路光信号的偏振态与第二路光信号的偏振态在经由光纤传输到接收器之后发生的偏移也一致。因此，可基于接收器接收到的第一路光信号偏振态的偏移信息来确定第一路光信号偏振态是否发生偏移，实现了QKD系统能够在不中断QKD系统的情况下实现对光信号的偏振态进行补偿，从而有效地确保了QKD系统成码的连续性并且提升了系统解码的准确率。

作为本实用新型一个可选的实施例，第二路光信号初始的偏振态为H 偏振态、V偏振态、P 偏振态或N偏振态中的一者，也可以为其他角度的偏振态，本实用新型对此不做限制。其中，H偏振态的偏振角度为0度，V偏振态的偏振角度为90度，P偏振态的偏振角度为45度，N偏振态的偏振角度为135度。

作为本实用新型一个可选的实施例，该接收器还包括分束器，该分束器被配置为将第一路光信号分束，得到正交的第三路光信号和第四路光信号。

作为本实用新型一个可选的实施例，该接收器还包括光电探测器，该光电探测器被配置为探测第四路光信号，其中，第四路光信号为时钟信号光，以实现发送端和接收器之间的时钟同步。

作为本实用新型一个可选的实施例，偏振检测器被配置为实时检测第三路光信号的功率并根据第三路光信号的功率与第一路光信号的峰值功率的比值，确定第一路光信号的偏振态偏移信息。

作为本实用新型一个优选的实施例，分束器与波分复用器、光电探测器、偏振检测器之间以及偏振检测器与第一电动偏振控制之间采用保偏光纤连接。

作为本实用新型一个可选的实施例，第一路光信号的波长与第二路光信号的波长不相同，以使得波分复用器能够将第一路光信号和第二路光信号分束出来。

作为本实用新型一个可选的实施例，波分复用器与电动偏振控制器之间通过保偏光纤连接，分束器与波分复用器、光电探测器及偏振检测器之间分别通过保偏光纤连接，以防止第一路光信号及第二路光信号在该接收器传输过程中发生偏移，进一步提高了发送端的抗扰动性，可靠性较强。

作为本实用新型一个具体的实施例，分束器为消偏器。其中，消偏器也称退偏器，是将偏振光变成非偏振光的一种偏振器件。消偏器的工作方式为将输入的光束分成两束正交的光信号。

解码器被配置为基于BB84协议，从第二路光信号解码出待传递的信息。

作为本实用新型一个可选的实施例，如图3所示，在解码器与波分复用器之间以及解码器内部各个元器件之间采用保偏光纤连接的情况下，该解码器包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器。其中：

第一偏振分束器，被配置为将第二路光信号中H偏振态的光子和V偏振态的光子分束到第二偏振分束器，并且将第二路光信号中P偏振态的光子和N偏振态的光子分束到第三偏振分束器；

第二偏振分束器，被配置为将第二路光信号中H偏振态的光子分束到第一单光子探测器，将第二路光信号中V偏振态的光子分束到第二单光子探测器；

第三偏振分束器，被配置为将第二路光信号中P偏振态的光子分束到第三单光子探测器，并且将第二路光信号中N偏振态的光子分束到第四单光子探测器；

第一单光子探测器，被配置为探测第二路光信号中H偏振态的光子；

第二单光子探测器，被配置为探测第二路光信号中V偏振态的光子；

第三单光子探测器，被配置为探测第二路光信号中P偏振态的光子；

第四单光子探测器，被配置为探测第二路光信号中N偏振态的光子。

作为本实用新型一个可选的实施例，如图4所示，在解码器与波分复用器之间以及解码器内部各个元器件之间采用单模光纤连接的情况下，该解码器还包括：

第二电动偏振控制器，被配置为实时调节第一偏振分束器输出的H偏振态的光子和V偏振态的光子的偏振态，以防止第二路光信号中H偏振态的光子和V偏振态的光子的偏振态发生偏移；

第三电动偏振控制器，被配置为实时调节第一偏振分束器输出的P偏振态的光子和N偏振态的光子的偏振态，以防止第二路光信号中P偏振态的光子和N偏振态的光子的偏振态发生偏移。

本领域技术人员应该明白，本实用新型实施例提供的基于光纤连接的量子通信系统的接收器不限在QKD系统中适用，也可以适用于其他量子通信系统。

本实用新型实施例提供的基于光纤连接的量子通信系统的接收器包括电动偏振控制器、波分复用器、偏振检测器和解码器，其中，电动偏振控制器被配置为通过光纤接收发送端发送的光束，波分复用器被配置为根据波长将该光束分束，得到第一路光信号和第二路光信号，其中，第二路光信号被预先配置为携带待传输信号的量子光，偏振检测器被配置为检测第一路光信号的偏振态偏移信息，电动偏振控制器还被配置为响应于第一路光信号的偏振态偏移信息，对第一路光信号的偏振态进行校准，将第一路光信号的偏振态调节至初始的偏振态，提高了抗扰动性、效率且成本较低。

可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于，包括：

第一电动偏振控制器，被配置为通过单模光纤接收发送端发送的光束；

波分复用器，被配置为根据波长将所述光束分束，得到第一路光信号和第二路光信号，其中，所述第二路光信号被预先配置为携带待传输信息的量子光；

偏振检测器，被配置为检测所述第一路光信号的偏振态偏移信息；

所述第一电动偏振控制器，还被配置为响应于所述第一路光信号的偏振态偏移信息，对所述第一路光信号的偏振态进行校准，将所述第一路光信号的偏振态调节至其初始的偏振态；

解码器，被配置为基于BB84协议，从所述第二路光信号解码出待传递的信息。

2.根据权利要求1所述的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于：

所述第二路光信号初始的偏振态为H 偏振态、V 偏振态、P 偏振态或N偏振态中的一者。

3.根据权利要求1所述的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于：

所述第一路光信号初始的偏振态与所述第二路光信号初始的偏振态相同。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于：

还包括分束器，所述分束器被配置为将所述第一路光信号分束，得到正交的第三路光信号和第四路光信号。

5.根据权利要求4所述的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于：

还包括光电探测器，所述光电探测器被配置为探测所述第四路光信号，其中，所述第四路光信号为时钟信号光。

6.根据权利要求5所述的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于：

所述偏振检测器，被配置为实时检测所述第三路光信号的功率并根据所述第三路光信号的功率与所述第一路光信号的峰值功率的比值，确定所述第一路光信号的偏振态偏移信息。

7.根据权利要求6所述的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于：

所述分束器与所述波分复用器、所述光电探测器、所述偏振检测器之间以及所述偏振检测器与所述第一电动偏振控制之间采用保偏光纤连接。

8.根据权利要求1所述的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于：

所述第一路光信号的波长与所述第二路光信号的波长不相同。

9.根据权利要求1所述的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于，所述解码器包括：

第一偏振分束器，被配置为将所述第二路光信号中H偏振态的光子和V偏振态的光子分束到第二偏振分束器，并且将所述第二路光信号中P偏振态的光子和N偏振态的光子分束到第三偏振分束器；

第二偏振分束器，被配置为将所述第二路光信号中H偏振态的光子分束到第一单光子探测器，将所述第二路光信号中V偏振态的光子分束到第二单光子探测器；

第三偏振分束器，被配置为将所述第二路光信号中P偏振态的光子分束到第三单光子探测器，并且将所述第二路光信号中N偏振态的光子分束到第四单光子探测器；

第一单光子探测器，被配置为探测所述第二路光信号中H偏振态的光子；

第二单光子探测器，被配置为探测所述第二路光信号中V偏振态的光子；

第三单光子探测器，被配置为探测所述第二路光信号中P偏振态的光子；

第四单光子探测器，被配置为探测所述第二路光信号中N偏振态的光子。

10.根据权利要求9所述的基于光纤连接的量子通信系统的接收器，其特征在于，所述解码器还包括：

第二电动偏振控制器，被配置为实时调节所述第一偏振分束器输出的H偏振态的光子和V偏振态的光子的偏振态，以防止所述第二路光信号中H偏振态的光子和V偏振态的光子的偏振态发生偏移；

第三电动偏振控制器，被配置为实时调节所述第一偏振分束器输出的P偏振态的光子和N偏振态的光子的偏振态，以防止所述第二路光信号中P偏振态的光子和N偏振态的光子的偏振态发生偏移。

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