CN216122449U - 具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片及系统。该光芯片包括第一强度调制模块、第二强度调制模块、第三强度调制模块以及第一相位调制模块，且形成有第一耦合光栅型光信号输入接口、第二耦合光栅型光信号输入接口、第三光信号输入接口、以及第一和第二光信号输出接口，从而允许在光信号上实现多种编码方案。

Description

具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片及系统

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，具体涉及一种能够提供多种编码功能的量子密钥分发光芯片，以及利用光芯片实现的量子密钥分发系统。

背景技术

基于量子不确定性原理的量子密钥分发是一种已被理论证明无条件安全的实用化量子通信技术，是当前日益严重的信息安全问题的终极解决方案。随着量子通信向工程化、规模化、高性能深入发展，对投入实际应用的产品要求日益提高，包括设备自身的稳定性、可靠性、可制造性、可测试性、购置成本、运营维护成本等。现有实际器件具有各种性能缺陷和不完美因素，这将日益成为阻碍量子通信产业化飞速发展进程的因素。当代主流通信设备发展、演进方向，无外乎三个方面：1)更小尺寸、更低成本；2)更低功耗，绿色通信；3)更好的稳定性、可靠性和广泛的环境适应性。要解决以上问题，普遍适用的解决方案是持续提高产品的集成度，通过集成电子学、光电和光学单元，降低内部互连复杂度，缩减尺寸，降低功耗，通过封装技术改进机械、气候环境适应能力。因此，对于量子通信产品中光学、光电、电子学功能以及数据处理等综合集成的需求已日益迫切，受到国内外研究机构和产业主流公司的关注与重视。

然而，现有的量子密钥分发方案通常都是基于非光芯片实现方式设计的，直接将其以光芯片方式实现可能存在一些问题。例如，在传统的用于时间相位编码的量子密钥分发系统中，采用了等臂干涉仪与不等臂干涉仪相结合的方案。然而，在将此方案直接用于实现光芯片时，由于在芯片上刻蚀较长的臂长差存在很大的技术难度，在小型芯片上进行长臂长差的刻蚀工艺难，难以布局，刻蚀一致性差，衰减大，且一旦刻蚀了不能大幅度调整臂长差的设置值等，因此，难以获得满意的用于时间相位编码的量子密钥分发系统的光芯片。

同时，随着QKD协议的发展，2018年提出了一种新型的相位编码协议，即TF-QKD协议。相比于现有BB84协议，TF-QKD协议有了更多的编码调制需求，对于芯片衰减控制将要求更为严格。同时，兼容BB84协议和TF-QKD协议需要仔细设计，才能同时满足不同协议的需求。

实用新型内容

针对这一问题，本实用新型公开了一种基于硅基芯片实现的可提供多种编码功能的光芯片，以及基于该光芯片实现的量子密钥分发系统。借助本实用新型的光芯片结构，可以避免因刻蚀工艺限制造成不等臂干涉仪臂长差精确控制上的不足，允许以简单、稳定且易于控制的芯片光路结构，在连续光和脉冲光形式的光信号上满足包括BB84协议、TF-QKD协议在内的多种协议下的编码需求，制备相应的量子态；同时，在各种协议对应的编码过程中，均允许在光信号上实现低的光学损耗，这对于光芯片设计和参数测试标校而言是极其有利的。此外，根据本实用新型的光芯片还允许以低的功耗提供芯片调控功能。由此，实现一种低功耗且能够实现多种编码功能的光芯片。

具体而言，本实用新型的第一方面涉及一种具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片，其包括第一强度调制模块、第二强度调制模块、第一相位调制模块以及第一和第二功率监测单元，且形成有第一耦合光栅型光信号输入接口、第二耦合光栅型光信号输入接口和第一光信号输出接口；

所述第一和第二耦合光栅型光信号输入接口被设置用于允许光信号输入所述光芯片；

所述第一光信号输出接口被设置用于允许从所述光芯片向外输出光信号；

所述第一强度调制模块通过波导直接连接所述第一耦合光栅型光信号输入接口，用于对光信号进行强度调制，使不同量子态的光信号之间满足预设光强关系；

所述第二强度调制模块通过波导直接连接所述第二耦合光栅型光信号输入接口，同时还连接所述第一强度调制模块，用于对来自所述第二耦合光栅型光信号输入接口或第一强度调制模块的光信号进行强度调制，以在所述光信号上实现诱骗态编码；

所述第一相位调制模块连接所述第二强度调制模块，用于对所述第二强度调制模块输出的光信号进行相位调制，以在所述光信号上实现相位编码；

所述第一功率监测单元设于所述第一强度调制模块之后，用于监测由所述第一强度调制模块输出的光信号的功率；

所述第二功率监测单元设于所述第二强度调制模块之后，用于监测由所述第二强度调制模块输出的光信号的功率。

进一步地，所述功率监测单元包括分光元件和监测光电二极管，其中，所述分光元件用于将所述光信号分出一部分，以由所述监测光电二极管进行检测。

进一步地，所述第一和/或第二强度调制模块包括等臂干涉仪，所述等臂干涉仪具有两个多模干涉耦合器、形成于所述两个多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的相位调制器。

更进一步地，所述等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有相移器，用于寻找所述等臂干涉仪的最佳工作点。

优选地，所述相位调制器为载流子色散型相位调制器，并且/或者所述相移器为热调谐型相移器。

进一步地，本实用新型的光芯片还包括用于对同步光信号进行功率控制的同步光路；以及/或者，用于将由所述第一光信号输出接口输出的光信号衰减至预设水平的衰减监控模块。

更进一步地，所述衰减监控模块包括可调衰减器和第五多模干涉耦合器；

所述可调衰减器被设置用于允许对所述光信号进行衰减；

所述第五多模干涉耦合器被设置用于将由所述可调衰减器输出的光信号分光，形成光芯片输出光信号和输出光强监控光信号，所述输出光强监控光信号用于允许监测所述光芯片输出光信号的光强。

优选地，所述第五多模干涉耦合器为2*2的多模干涉耦合器；并且，所述衰减监控模块还包括监控光电二极管，其被设置成连接所述第五多模干涉耦合器，以允许对经所述第一光信号输出接口反向注入所述光芯片的攻击光进行监测。

更进一步地，所述同步光路包括可调衰减器和第六多模干涉耦合器；所述可调衰减器被设置用于允许对所述同步光信号的功率进行控制；所述第六多模干涉耦合器被设置用于将由所述可调衰减器输出的同步光信号分光，形成同步光输出信号和同步光监控信号，所述同步光监控信号用于允许监测所述同步光输出信号的光强。

更进一步地，本实用新型的光芯片还形成有输出光强监控接口、同步光输入接口和同步光输出接口；

输出光强监控接口被设置用于允许所述输出光强监控光信号从所述光芯片向外输出；

所述同步光输入接口被设置用于允许所述同步光信号输入所述光芯片；

所述同步光输出接口被设置用于允许同步光信号从所述光芯片向外输出。

进一步地，本实用新型的光芯片还可以包括第三强度调制模块，

所述第一、第二和第三强度调制模块中的一个被设置用于允许对连续光形式的光信号进行斩波，生成脉冲光形式的光信号；

所述第一、第二和第三强度调制模块中的另一个被设置用于允许对所述光信号进行诱骗态编码；

所述第一、第二和第三强度调制模块中的又一个被设置用于允许实现所述光信号在参考光脉冲和量子光脉冲之间的切换。

更进一步地，所述第三强度调制模块包括等臂干涉仪，其具有两个多模干涉耦合器、形成于所述两个多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的相位调制器。

更进一步地，所述第三强度调制模块中的等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有相移器，用于寻找所述等臂干涉仪的最佳工作点。

优选地，在所述第三强度调制模块的等臂干涉仪中，所述相位调制器为载流子色散型相位调制器，并且/或者，所述相移器为热调谐型相移器。

更进一步地，所述光芯片还包括第九多模干涉耦合器，其被设置用于允许将由所述第一相位调制模块输出的光信号分光，以使其分别朝向所述第三强度调制模块和衰减监控模块传输；

所述光芯片上还形成有第二光信号输出接口，其被设置用于允许由所述第三强度调制模块输出的光信号向外输出。

更进一步地，本实用新型的光芯片还包括第二相位调制模块，所述第二相位调制模块被设置在所述第九多模干涉耦合器和第三强度调制模块之间。

优选地，所述第一相位调制模块包括一个相位调制器，所述第二相位调制模块包括一个或多个相位调制器。

进一步地，本实用新型的光芯片还可以包括相干探测模块，用于允许探测所述光信号与频率参考光之间的频率差。

更进一步地，本实用新型的光芯片还形成有第三光信号输入接口，用于允许输入所述频率参考光；并且，

所述相干探测模块包括第十多模干涉耦合器和第十一多模干涉耦合器；

所述第十多模干涉耦合器被设置用于允许将经所述第一耦合光栅型光信号输入接口输入的光信号分光，以使其分别朝向所述第一强度调制模块和第十一多模干涉耦合器传输；

所述第十一多模干涉耦合器被设置用于允许所述频率参考光和光信号发生干涉，生成干涉光信号。

进一步地，光芯片还形成有第二监控接口，所述第二监控接口被设置成允许向外输出所述干涉光信号的一部分。

本实用新型的第二方面涉及一种量子密钥分发系统，其包括注入锁定激光器，以及上述光芯片；

所述注入锁定激光器被设置用于在一个时间周期内生成第一光信号、第二光信号和第三光信号中的一种；

所述第一光信号仅包含出现于一个时间周期内的第一时刻上的单个光脉冲；

第二光信号仅包含出现在一个时间周期内的第二时刻上的单个光脉冲；

第三光信号包括两个光脉冲，它们分别出现在一个时间周期内的所述第一和第二时刻上，且具有固定的相位差；

所述光芯片被设置用于对所述光信号进行基于BB84协议的时间相位编码。

本实用新型的第三方面涉及一种量子密钥分发系统，其包括锁频激光器，以及上述光芯片；

所述锁频激光器被设置用于生成为连续光形式的光信号；

所述光芯片被设置用于对所述光信号进行基于BB84协议的时间相位编码和基于TF-QKD协议的编码中的至少一种。

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示意性地示出了根据本实用新型的量子密钥分发光芯片的一种示例性实施方式；

图2示意性地示出了根据本实用新型的量子密钥分发系统的一种示例性实施方式；

图3示意性地示出了根据本实用新型的量子密钥分发光芯片的进一步实施方式；

图4示意性地示出了根据本实用新型的量子密钥分发系统的另一示例性实施方式。

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。

根据本实用新型，用于量子密钥分发的光芯片可以用于接收光信号，并对其进行编码，使其承载有编码信息，从而制备出具有相应量子态的光信号。

图1示出了根据本实用新型的量子密钥分发光芯片的一种示例性实施方式。

如图1所示，光芯片可以包括第一强度调制模块、第二强度调制模块和第一相位调制模块，且形成有第一耦合光栅型光信号输入接口1、第二耦合光栅型光信号输入接口2和第一光信号输出接口5。

第一和第二耦合光栅型光信号输入接口作为光芯片的输入端口，可以允许外部光源生成的光信号输入光芯片。

第一光信号输出接口作为光芯片的输出端口，用于允许例如制备有量子态的光信号从光芯片向外输出。

第一耦合光栅型光信号输入接口1通过波导连接第一强度调制模块，因此允许借助第一强度调制模块对输入的光信号进行强度调制，补偿例如在光信号上制备不同量子态时引入的不同光强衰减，保证所制备的不同量子态的光信号之间满足预设的光强关系，例如具有不同量子态的光信号具有相同的光强。

作为一种优选示例，第一强度调制模块可以包括第一等臂干涉仪，其具有第一多模干涉耦合器(MM I)、第二多模干涉耦合器、形成于第一和第二多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于第一和/或第二臂上的第一相位调制器，如图1所示。

第一多模干涉耦合器用于对光信号进行1:1分光，以使光信号分别进入第一和第二臂。

第一相位调制器用于对第一和/或第二臂上的光信号进行高速电光相位调制，以在两臂上的光信号之间形成所需要的相位差。优选地，第一相位调制器可以采用载流子色散型相位调制器RF1。

第二多模干涉耦合器用于使两臂上经相位调制的光信号汇合并发生干涉。

进一步地，还可以在第一等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设置第一相移器，用于寻找第一等臂干涉仪的最佳工作点。优选地，第一相移器可以采用热调谐型相移器PS1。

第二耦合光栅型光信号输入接口2通过波导连接第二强度调制模块，因此允许借助第二强度调制模块对输入的光信号进行强度调制，在光信号上实现诱骗态编码，例如生成信号态、真空态或诱骗态。

同时，第二强度调制模块还可以与第一强度调制模块相连接，以允许借助第二强度调制模块对由第一强度调制模块输出的光信号进行强度调制，在光信号上实现诱骗态编码。

作为一种优选示例，第二强度调制模块可以包括第二等臂干涉仪，其具有第三多模干涉耦合器、第四多模干涉耦合器、形成于第三和第四多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于第一和/或第二臂上的第二相位调制器，如图1所示。

第三多模干涉耦合器用于对光信号进行1:1分光，以使光信号分别进入第一和第二臂。

第二相位调制器用于对第一和/或第二臂上的光信号进行高速电光相位调制，以在两臂上的光信号之间形成所需要的相位差。优选地，第二相位调制器可以采用载流子色散型相位调制器RF2。

第四多模干涉耦合器用于使两臂上经相位调制的光信号汇合并发生干涉。

进一步地，还可以在第二等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设置第二相移器，用于寻找第二等臂干涉仪的最佳工作点。优选地，第二相移器可以采用热调谐型相移器PS2。

第一相位调制模块用于对光信号进行相位调制，以允许在光信号上实现相位编码。作为优选示例，第一相位调制模块可以包括相位调制器PM，如图1所示。

作为优选示例，第一相位调制模块可以被设计成连接第二强度调制模块，用于对第二强度调制模块输出的光信号进行相位调制，形成承载有编码信息的光信号。

如图1所示，光芯片还包括第一和第二功率监测单元。第一功率监测单元设在第一强度调制模块之后，用于监测由第一强度调制模块输出的光信号的功率。第二功率监测单元设在第二强度调制模块之后，用于监测由第二强度调制模块输出的光信号的功率。

作为示例，功率监测单元可以包括分光元件和监测光电二极管(例如图1中的MPD1和MPD2)，其中，分光元件用于将强度调制模块输出的光信号分出一部分，以由监测光电二极管进行检测，实现对光信号的功率监测。

进一步地，光芯片上还可以包括衰减监控模块，用于允许在承载有编码信息的光信号从光芯片向外输出之前，将光信号的光强衰减至预设水平，例如单光子水平。

作为优选示例，衰减监控模块可以包括可调衰减器VOA，用于对光信号提供所需要的光强衰减。

进一步地，衰减监控模块还可以包括第五多模干涉耦合器，其用于将经可调衰减器作用的光信号分光，其中，一个分量形成为光芯片输出光信号，另一分量形成为输出光强监控光信号。由此，允许通过对输出光强监控光信号进行检测，获知光芯片输出光信号的光强信息，从而允许根据此光强信息控制可调衰减器的衰减值，保证光芯片输出光信号的光强为预设水平。

因此，如图1所示，第五多模干涉耦合器的两个输出端口可以分别连接光芯片的输出光强监控接口4和第一光信号输出接口5，以允许输出光强监控光信号和光芯片输出光信号向外输出。

优选地，在衰减监控模块中，第五多模干涉耦合器为2*2的多模干涉耦合器。此时，还可以在衰减监控模块中设置监控光电二极管(例如图1中的MPD3)，并将其与第五多模干涉耦合器连接，以提供对经第一光信号输出接口5反向注入光芯片的攻击光进行监控的功能。

光芯片上还可以设置有同步光路，用于允许对同步光信号进行功率控制。如图1所示，同步光路可以连接光芯片上的同步光输入接口6和同步光输出接口7，以允许同步光信号关于光芯片的输入/输出。

作为优选示例，同步光路可以包括可调衰减器，用于允许对同步光信号提供衰减功能，从而实现对其的功率控制。

进一步地，同步光路还可以包括第六多模干涉耦合器，其设在可调衰减器之后，用于将同步光信号分光，其中，一个分量用作同步光输出信号，另一个分量用作同步光监控信号。因此，可以在第六多模干涉耦合器上连接监控光电二极管(例如图1中的MPD4)，用于检测同步光监控信号，以获取同步光信号的光强信息，从而允许根据此光强信息控制可调衰减器的衰减值，保证将同步光输出信号的光强控制在预设水平上。

图2示出了根据本实用新型的量子密钥分发系统的一种具体实施方式，其至少可以用于在光信号上实现基于BB84协议的时间相位编码。

该量子密钥分发系统可以包括注入锁定激光器和上述光芯片。

注入锁定激光器作为光源，用于生成待编码的光信号。借助注入锁定激光器，可以在一个时间周期内产生两个连续的脉冲光信号，且两个脉冲光信号之间具有固定的相位差。

在本实用新型中，注入锁定激光器可以被控制成生成第一光信号、第二光信号和第三光信号中的一种。

第一光信号仅包含一个脉冲光信号，其出现在一个时间周期内的第一时刻上；第二光信号仅包含一个脉冲光信号，其出现在一个时间周期内的第二时刻上；第三光信号包括两个光脉冲，它们分别出现在一个时间周期内的第一和第二时刻上，且具有固定的相位差。其中，在一个时间周期内，第一时刻和第二时刻之间的时间间隔记为t。

因此，光芯片可以在第一或第二光信号上制备时间态Z1或Z0，在第三光信号上制备相位态X0或X1。同时，还可以实现诱骗态方案。

图3示出了根据本实用新型的光芯片的进一步实施方式，其可以用于在光信号上实现多种相位编码方案，例如基于BB84协议的时间相位编码，或者基于TF-QKD协议的多种编码方案。

如图3所示，在图1所示光芯片的基础上，该光芯片还可以包括第三强度调制模块，用于对光信号进行强度调制。

作为一种示例，第三强度调制模块可以包括第三等臂干涉仪，其具有第七多模干涉耦合器、第八多模干涉耦合器、形成于第七和第八多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于第一和/或第二臂上的第三相位调制器。

第七多模干涉耦合器用于对光信号进行1:1分光，以使光信号分别进入第一和第二臂。

第三相位调制器用于对第一和/或第二臂上的光信号进行高速电光相位调制，以在两臂上的光信号之间形成所需要的相位差。优选地，第三相位调制器可以采用载流子色散型相位调制器RF3。

第八多模干涉耦合器用于使两臂上经相位调制的光信号汇合并发生干涉。

进一步地，还可以在第三等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设置第三相移器，用于寻找第三等臂干涉仪的最佳工作点。优选地，第三相移器可以采用热调谐型相移器PS3。

本领域技术人员能够理解，对于脉冲光形式的光信号，图3所示的光芯片同样可以借助第一强度调制模块、第二强度调制模块和第一相位调制模块，在光信号上实现基于BB84协议的诱骗态和/或时间相位编码，其原理与上文所述相似，因此此处不再赘述。

在图3所示的光芯片中，由于第三强度调制模块的存在，使得允许在光信号(尤其是连续光信号)上实现多种TF-QKD编码，其具体工作原理如下。

对于经第一耦合光栅型光信号输入接口输入光芯片的连续光信号，可以利用第一、第二和第三强度调制模块中的一个对连续光信号进行斩波，从而形成脉冲光信号；利用第一、第二和第三强度调制模块中的另一个在光信号上实现诱骗态编码；以及，利用第一、第二和第三强度调制模块中的又一个实现光信号在参考光脉冲和量子光脉冲之间的切换。本领域技术人员能够理解，为实现所谓“光信号在参考光脉冲和量子光脉冲之间的切换”，可以借助强度调制使光信号在一段时间内具有较强的光强，作为参考光脉冲使用，或者使光信号在一段时间内具有较弱的光强，作为量子光脉冲使用。

作为优选示例，第一强度调制模块可以用于对光信号进行斩波，第二强度调制模块用于对光信号进行诱骗态编码，第三强度调制模块用于实现光信号在量子光脉冲和参考光脉冲之间的切换。

进一步参见图3，光芯片还可以包括第九多模干涉耦合器，其被设置用于对由第一相位调制模块输出的光信号进行1:1分光，以使其分别朝向第三强度调制模块和衰减监控模块(亦即第一光信号输出接口)传输。

具体而言，第九多模干涉耦合器的输入端可以连接第一相位调制模块的输出端，两个输出端分别连接第三强度调制模块和衰减监控模块的输入端，由此允许将第一相位调制模块输出的光信号分成两个分量，且第一分量朝向第三强度调制模块传输，第二分量朝向衰减监控模块传输。

此时，第三强度调制模块可以连接光芯片上的第二光信号输出接口8，以允许第三强度调制模块输出的光信号向外输出。其中，优选在第三强度调制模块与第二光信号输出接口8之间设置可调衰减器VOA1，用于控制光信号的功率，例如将其控制为预设水平。

因此，在本实用新型的光芯片中，当连续光信号经第一耦合光栅型光信号输入接口1到达第一强度调制模块时，第一强度调制模块可以对连续光信号进行斩波，生成脉冲光信号。

脉冲光信号从第一强度调制模块输出后，将沿光路到达第二强度调制模块。第二强度调制模块可以在脉冲光信号上实现诱骗态编码。

经诱骗态编码的脉冲光信号继续沿光路传输，并将到达第一相位调制模块。第一相位调制模块可以根据相应的TF-QKD协议，对脉冲光信号进行相位调制，以在光信号上形成相位编码。

例如，对于SNS-TFQKD协议，第一相位调制模块可以在光信号上实现[0,2π)之间的相位随机化，诸如在[0,2π)之间按照16等份进行离散的随机相位调制。

对于2018年首次提出的TF-QKD协议，还可以在SNS-TFQKD协议所需要的相位随机化基础上，实现(0、π/2、π、3π/2)等四种相位态编码。

对于非相位后选择的NPP-TFQKD协议，可以在编码模式下调制实现对应于随机数0和1的相位态(0和π)编码，在诱骗模式下实现[0,2π)之间16等份的离散随机相位调制。

经相位调制的脉冲光信号在第九多模干涉耦合器处分成第一分量和第二分量，其中：第一分量将沿光路到达第三强度调制模块，在第三强度调制模块中实现参考光脉冲和量子光脉冲之间的切换，并最终经第二光信号输出接口8向外输出；第二分量将沿光路到达衰减监控模块，并最终从第一光信号输出接口5向外输出。此时，由第一光信号输出接口5输出的光信号可以作为测试光使用，用于光芯片的调试。

本领域技术人员能够理解，通过在光芯片中设置第九多模干涉耦合器，允许光芯片所生成的基于BB84协议的光信号和测试光信号，将不会经过第三强度调制模块，避免了这些光信号在光芯片内出现不必要的损耗，可以降低光芯片的功率要求和功耗，这对于芯片设计而言是非常有利的。

如前所述，在实现基于TF-QKD协议的编码方案时，通常需要在[0,2π)之间实现16种相位调制，这往往会对单个相位调制器提出挑战。因此，第一相位调制模块可以包括多个相位调制器，例如2或3个，以配合作用在光信号上实现多种相位调制量。

在优选示例中，可以在第一相位调制模块中仅设置一个相位调制器，减少在BB84协议下的光信号和测试光所经历的损耗。此时，可以在第九多模干涉耦合器与第三强度调制模块之间设置第二相位调制模块，以与第一相位调制模块相配合，在基于TF-QKD协议的光信号上实现所需要的多种相位调制量。作为示例，第二相位调制模块可以包括一个或多个相位调制器。

图3所示的光芯片还允许在输入的光信号为连续光的情况下，实现基于BB84协议的时间相位编码。

此时，光芯片利用第一耦合光栅型光信号输入接口1接收连续光信号，连续光信号将沿光路首先到达第一强度调制模块。

第一强度调制模块对连续光信号进行斩波，生成脉冲光信号，其将沿光路到达第二强度调制模块。

第二强度调制模块对脉冲光信号进行强度调制，以实现诱骗态编码。

经诱骗态编码的脉冲光信号到达第一相位调制模块，并由其在光信号上实现相位随机化和相位编码中的一种。

经相位编码的光信号经第九多模干涉耦合器作用后将到达第二相位调制模块，并由其在光信号上实现相位随机化和相位编码中的另一种。

经相位随机化和相位编码处理后的光信号将到达第三强度调制模块。第三强度调制模块可以对光信号提供量子态的动态补偿，保证不同量子态的光信号之间满足预设光强关系。

经动态补偿的光信号，最终经可调衰减器作用后，以预设的光强水平，经第二光信号输出接口8向外输出。

由此可见，借助本实用新型的光芯片，不仅可以对脉冲光信号进行基于BB84协议的时间相位编码，还允许对连续光信号进行多种TF-QKD编码和基于BB84协议的时间相位编码，同时保证在实现各种编码方案时，在光信号上引入的损耗最小。

进一步参见图3，光芯片还可以包括相干探测模块，用于允许探测光信号与频率参考光(例如由外接的参考频率光源生成)之间的频率差，以便能够根据该频率差对光信号频率进行调控，将其锁定在参考频率光源的频率上，从而改善光芯片输出的编码光信号的品质。

作为优选示例，相干探测模块可以包括第十多模干涉耦合器和第十一多模干涉耦合器，同时还在光芯片上形成第三光信号输入接口3，用于允许输入频率参考光。

第十多模干涉耦合器连接第一耦合光栅型光信号输入接口1，用于将经第一耦合光栅型光信号输入接口1输入的光信号分光，以使其分别朝向第一强度调制模块和第十一多模干涉耦合器传输。

第十一多模干涉耦合器分别连接第三光信号输入接口3和第十多模干涉耦合器，用于允许频率参考光和光信号发生干涉，以便能够通过检测干涉光信号确定光信号与频率参考光之间的频率差。例如，可以在第十一多模干涉耦合器的两个输出端口连接光电探测器(例如图3中的PD1和PD2)，用于检测干涉光信号。

进一步地，光芯片上还可以形成有第二监控接口9，其用于允许向外输出所述干涉光信号的一部分。

图4示出了根据本实用新型的量子密钥分发系统的另一具体实施方式，其允许在连续光信号上实现基于BB84协议的时间相位编码方案，以及多种基于TF-QKD协议的编码方案。

该量子密钥分发系统可以包括锁频激光器和光芯片。

锁频激光器作为光源，用于生成待编码的光信号，其为频率和相位锁定的连续光信号。

光芯片用于对连续光信号实现基于BB84协议的时间相位编码方案，以及多种基于TF-QKD协议的编码方案，具体原理与上述内容详实，因此此处不再赘述。

由此可见，本实用新型提出了一种用于量子密钥分发的光芯片设计，其适于在硅基芯片上实现，可极大降低系统成本，有利于系统降成本、小型化和集成化。借助光芯片中的优化光路结构，允许通过多个光学接口支持多种协议的编码需求，例如基于BB84协议的时间相位编码、及多种基于TF-QKD协议的编码方案等，同时能够避免目前芯片刻蚀技术限制造成不等臂干涉仪臂长差精确控制上的不足之处，由此提供一种结构简单、易于控制且能够实现多种编码功能的光芯片。在支持多种编码功能的同时，根据本实用新型的光芯片还允许在低功耗条件下实现各种编码及调控功能，从而保证芯片具有高的效能，这对于芯片设计而言是极其有利的。进一步地，本实用新型的光芯片还同时支持为脉冲光和连续光提供编码功能，从而极大扩展其应用场景。

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 (22)

1.一种具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片，其特征在于包括第一强度调制模块、第二强度调制模块、第一相位调制模块以及第一和第二功率监测单元，且形成有第一耦合光栅型光信号输入接口、第二耦合光栅型光信号输入接口和第一光信号输出接口；

所述第一和第二耦合光栅型光信号输入接口被设置用于允许光信号输入所述光芯片；

所述第一光信号输出接口被设置用于允许从所述光芯片向外输出光信号；

所述第一强度调制模块通过波导直接连接所述第一耦合光栅型光信号输入接口，用于对光信号进行强度调制，使不同量子态的光信号之间满足预设光强关系；

所述第二强度调制模块通过波导直接连接所述第二耦合光栅型光信号输入接口，同时还连接所述第一强度调制模块，用于对来自所述第二耦合光栅型光信号输入接口或第一强度调制模块的光信号进行强度调制，以在所述光信号上实现诱骗态编码；

所述第一相位调制模块连接所述第二强度调制模块，用于对所述第二强度调制模块输出的光信号进行相位调制，以在所述光信号上实现相位编码；

所述第一功率监测单元设于所述第一强度调制模块之后，用于监测由所述第一强度调制模块输出的光信号的功率；

所述第二功率监测单元设于所述第二强度调制模块之后，用于监测由所述第二强度调制模块输出的光信号的功率。

2.如权利要求1所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述功率监测单元包括分光元件和监测光电二极管；

所述分光元件用于将所述光信号分出一部分，以由所述监测光电二极管进行检测。

3.如权利要求1所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第一和/或第二强度调制模块包括等臂干涉仪；

所述等臂干涉仪具有两个多模干涉耦合器、形成于所述两个多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的相位调制器。

4.如权利要求3所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有相移器，用于寻找所述等臂干涉仪的最佳工作点。

5.如权利要求4所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述相位调制器为载流子色散型相位调制器，并且/或者所述相移器为热调谐型相移器。

6.如权利要求1所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还包括：

用于对同步光信号进行功率控制的同步光路；以及/或者，

用于将由所述第一光信号输出接口输出的光信号衰减至预设水平的衰减监控模块。

7.如权利要求6所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述衰减监控模块包括可调衰减器和第五多模干涉耦合器；

所述可调衰减器被设置用于允许对所述光信号进行衰减；

所述第五多模干涉耦合器被设置用于将由所述可调衰减器输出的光信号分光，形成光芯片输出光信号和输出光强监控光信号，所述输出光强监控光信号用于允许监测所述光芯片输出光信号的光强。

8.如权利要求7所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第五多模干涉耦合器为2*2的多模干涉耦合器；并且，

所述衰减监控模块还包括监控光电二极管，其被设置成连接所述第五多模干涉耦合器，以允许对经所述第一光信号输出接口反向注入所述光芯片的攻击光进行监测。

9.如权利要求6所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述同步光路包括可调衰减器和第六多模干涉耦合器；

所述可调衰减器被设置用于允许对所述同步光信号的功率进行控制；

所述第六多模干涉耦合器被设置用于将由所述可调衰减器输出的同步光信号分光，形成同步光输出信号和同步光监控信号，所述同步光监控信号用于允许监测所述同步光输出信号的光强。

10.如权利要求7所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还形成有输出光强监控接口、同步光输入接口和同步光输出接口；

输出光强监控接口被设置用于允许所述输出光强监控光信号从所述光芯片向外输出；

所述同步光输入接口被设置用于允许所述同步光信号输入所述光芯片；

所述同步光输出接口被设置用于允许同步光信号从所述光芯片向外输出。

11.如权利要求1-10中任一项所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还包括第三强度调制模块；

所述第一、第二和第三强度调制模块中的一个被设置用于允许对连续光形式的光信号进行斩波，生成脉冲光形式的光信号；

所述第一、第二和第三强度调制模块中的另一个被设置用于允许对所述光信号进行诱骗态编码；

所述第一、第二和第三强度调制模块中的又一个被设置用于允许实现所述光信号在参考光脉冲和量子光脉冲之间的切换。

12.如权利要求11所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第三强度调制模块包括等臂干涉仪，其具有两个多模干涉耦合器、形成于所述两个多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的相位调制器。

13.如权利要求12所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第三强度调制模块中的等臂干涉仪的第一和/或第二臂上设有相移器，用于寻找所述等臂干涉仪的最佳工作点。

14.如权利要求13所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，在所述第三强度调制模块的等臂干涉仪中，所述相位调制器为载流子色散型相位调制器，并且/或者，所述相移器为热调谐型相移器。

15.如权利要求11所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还包括第九多模干涉耦合器，其被设置用于允许将由所述第一相位调制模块输出的光信号分光，以使其分别朝向所述第三强度调制模块和衰减监控模块传输；

所述光芯片上还形成有第二光信号输出接口，其被设置用于允许由所述第三强度调制模块输出的光信号向外输出。

16.如权利要求15所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还包括第二相位调制模块，所述第二相位调制模块被设置在所述第九多模干涉耦合器和第三强度调制模块之间。

17.如权利要求16所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于，所述第一相位调制模块包括一个相位调制器，所述第二相位调制模块包括一个或多个相位调制器。

18.如权利要求11所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还包括相干探测模块，用于允许探测所述光信号与频率参考光之间的频率差。

19.如权利要求18所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还形成有第三光信号输入接口，用于允许输入所述频率参考光；并且，

所述相干探测模块包括第十多模干涉耦合器和第十一多模干涉耦合器；

所述第十多模干涉耦合器被设置用于允许将经所述第一耦合光栅型光信号输入接口输入的光信号分光，以使其分别朝向所述第一强度调制模块和第十一多模干涉耦合器传输；

所述第十一多模干涉耦合器被设置用于允许所述频率参考光和光信号发生干涉，生成干涉光信号。

20.如权利要求19所述的量子密钥分发光芯片，其特征在于还形成有第二监控接口，所述第二监控接口被设置成允许向外输出所述干涉光信号的一部分。

21.一种量子密钥分发系统，其特征在于包括注入锁定激光器，以及如权利要求1-20中任一项所述的光芯片；

所述注入锁定激光器被设置用于在一个时间周期内生成第一光信号、第二光信号和第三光信号中的一种；

所述第一光信号仅包含出现于一个时间周期内的第一时刻上的单个光脉冲；

第二光信号仅包含出现在一个时间周期内的第二时刻上的单个光脉冲；

第三光信号包括两个光脉冲，它们分别出现在一个时间周期内的所述第一和第二时刻上，且具有固定的相位差；

所述光芯片被设置用于对所述光信号进行基于BB84协议的时间相位编码。

22.一种量子密钥分发系统，其特征在于包括锁频激光器，以及如权利要求11-20中任一项所述的光芯片；

所述锁频激光器被设置用于生成为连续光形式的光信号；

所述光芯片被设置用于对所述光信号进行基于BB84协议的时间相位编码和基于TF-QKD协议的编码中的至少一种。

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