CN217037203U - 一种光路对称的片上编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光路对称的片上编码器，其包括第一至第四相位调制器、光分束器和偏振合束器。光分束器的第一和第二分束端分别通过第一和第二波导与偏振合束器的第一和第二输入端形成连接。第一和第二相位调制器形成于第一波导上，第三和第四相位调制器形成于第二波导上，以分别提供相位调制，其中，第四相位调制器上的调制相位恒为零。由此在片上编码器中实现对称光路的同时，允许减少偏振编码所需要的最大驱动电压和不同电平的个数，从而降低驱动电路的复杂性，且无需额外设置监测和补偿单元，由此实现一种光路对称、结构简单且易于控制的片上编码器。

Description

一种光路对称的片上编码器

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，具体涉及一种光路对称的片上编码器。

背景技术

量子密钥分发(QKD)基于量子力学原理，由于量子不可克隆和测不准原理，其为一种理论可证明无条件安全的密钥分发体系。

量子密钥分发往往涉及复杂的光信号编码和解码过程，目前往往是基于传统光纤器件的组合来实现所需要的编码器和解码器，其体积较大且成本较高。

偏振编码方案是主流的量子密钥分发方案之一，其主要是借助基于相位调制的偏振编码过程来实现，即：对于偏振态分别为|H>和|V>的两个分量光，通过相位调制在两个分量光之间形成相位差

则两个分量经矢量合成后将会形成偏振态为

的偏振光信号。由此可见，可以通过相位调制器调节输入光信号的两个分量之间的相位差

在光信号上实现所需要的偏振编码。

目前，主流的偏振编码器是借助光纤器件和保偏相位调制器的组合实现的，其体积一般较大，成本较高。为此，现有技术中提出了在光学芯片上实现光信号编码和解码的解决方案，由此提供了一种实现小体积、低成本和高稳定量子密钥分发设备的重要解决思路。

图1示出了现有技术的一种硅基集成的偏振调制装置，其通过偏振分束器、偏振合束器和硅基移相器来实现。

图2示出了现有技术的一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其中仍由分束器、偏振旋转合束器和硅基移相器构建偏振编码器，相比图1所示结构，增加了一级马赫曾德尔干涉仪，用于调节进入图2中以附图标记3和4示出的光路中的光功率比例。

片上编码器的偏振调制是基于相位调节实现的，输出光偏振态可以写成

其与所调制的相位差相关。目前硅基相位调制器的半波电压(实现π相移所需的驱动电压)一般较大。对于量子密钥分发而言，一般至少需要使用4个偏振态进行编码，例如

时，编码器输出|+>；

时，编码器输出|R>；

时，编码器输出|->；

时，编码器输出|L>。为此，最大驱动电压往往需要达到1.5倍的半波电压，并且还需要可以实现在4个不同电平(0、0.5倍的半波电压、半波电压和1.5倍的半波电压)之间的高速切换。

如此，对驱动电路提出了很高要求，需要使用复杂的方案和昂贵的器件，甚至无法实现。并且，随着驱动电压的升高，往往需要使用到功率放大器等器件。在量子密钥分发中需要4电平时，功率放大器工作在不同的工作点，最终输出的驱动电压受到温度等环境因素的影响，会引入较大的编码误差，这往往就要求设计监测和补偿单元来进行补偿，但这种监测和补偿单元的技术复杂度和成本均很高。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型公开了一种片上编码器，其中通过组合使用成对设置于第一和第二分量传输波导上的四个相位调制器，可以实现对称光路的同时，减少编码所需要的最大驱动电压和需要切换的不同电平个数，从而显著降低驱动电路的技术复杂性和成本，提高高低温稳定性，且无需使用监测和补偿单元，能够有效降低系统复杂性和成本，同时不会明显增加片上编码器的体积和成本。

具体而言，根据本实用新型的光路对称的片上编码器可以包括光分束器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、第四相位调制器和偏振合束器；

所述光分束器的第一分束端通过第一波导与所述偏振合束器的第一输入端形成连接，第二分束端通过第二波导与所述偏振合束器的第二输入端形成连接；

所述第一和第二相位调制器形成于所述第一波导上，其中，所述第一相位调制器被设置用于提供第一相位

的相位调制，所述第二相位调制器被设置用于提供第二相位

的相位调制；

所述第三和第四相位调制器形成于所述第二波导上，其中，所述第三相位调制器被设置用于提供第三相位

的相位调制，所述第四相位调制器被设置用于提供第四相位

的相位调制，且所述第四相位

恒为零。

进一步地，由所述第一相位、第二相位、第三相位和第四相位组成的相位组合

选自相位组集合[(0，0，0，0)，(0，π/2，0，0)，(π/2，π/2，0，0)，(0，0，π/2，0)]。

进一步地，所述光分束器的输入端连接输入波导，且所述偏振合束器的输出端连接输出波导。

优选地，所述光分束器为多模干涉仪或定向耦合器。

优选地，所述偏振合束器为二维光栅。

优选地，第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器和第四相位调制器是基于等离子色散效应原理形成的。其中，第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器和第四相位调制器可以为载流子沉积型、载流子注入型或载流子耗尽型。

优选地，所述第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、第四相位调制器、光分束器、偏振合束器、第一波导和第二波导为硅材质。

优选地，所述输入波导和输出波导为硅材质。

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示出了现有技术中的一种硅基集成的偏振调制器；

图2示出了现有技术中的一种基于硅基集成芯片的QKD系统；

图3示出了根据本实用新型的光路对称的片上编码器的一种示例。

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光路对称的片上编码器的一种示例。

如图3所示，片上编码器包括光分束器200，偏振合束器400，以及设于光分束器200和偏振合束器400之间的第一相位调制器301、第二相位调制器302、第三相位调制器303和第四相位调制器304。

光分束器200具有输入端、第一分束端和第二分束端。其中，输入波导100连接光分束器200的输入端，以将输入光信号输入至光分束器200；输入光信号在光分束器200中分束形成第一和第二分量，第一和第二分量分别从光分束器200的第一和第二分束端输出。

光分束器200的第一分束端通过第一波导连接偏振合束器400的第一输入端，第二分束端通过第二波导连接偏振合束器400的第二输入端，由此允许将第一和第二分量传输至偏振合束器400。

偏振合束器400可以将第一和第二分量进行偏振合束，形成偏振光信号，并通过与其输出端连接的输出波导500将偏振光信号向外输出。

第一和第二相位调制器301、302形成于第一波导上，第三和第四相位调制器303、304形成于第二波导上，由此在片上编码器中实现对称的光路结构。

在第一波导上，第一相位调制器301可以在第一分量上调制第一相位

第二相位调制器302可以在第一分量上调制第二相位

同时，在第二波导上，第三相位调制器303可以在第二分量上调制第三相位

第四相位调制器304可以在第二分量上调制第四相位

为实现偏振编码方案所需要的四种偏振态|+>、|R>、|->和|L>，需要在第一和第二分量之间形成0、π/2、π和3π/2的相位差。

表一示出了为实现偏振编码所需要的四种偏振态，第一相位

第二相位

第三相位

和第四相位

的优选相位组合。

(表一)

由此可见，在本实用新型的片上编码器中，通过分别在用于输入光信号的第一分量的第一波导光路上设置两个相位调制器，同时还在用于输入光信号的第二分量的第二波导光路上设置两个相位调制器，可以在实现片上编码器中光路对称性的同时，降低编码所需要的最大驱动电压(从1.5倍的半波电压减小至0.5倍的半波电压)，以及减少各相位调制器上需要切换的电平个数(从4个减少至2个)，由此可以显著降低对驱动电路的要求，减少驱动电路控制过程的复杂性。片上编码器需要更低的驱动电压，更容易实现，高低温稳定性好，无需进行复杂的监测和补偿。此外，本实用新型的编码器是在片上实现，增加相位调制器的数量并不会明显增加成本和体积。

在本实用新型的一种优选示例中，输入波导100、光分束器200、第一相位调制器301、第二相位调制器302、第三相位调制器303、第四相位调制器304、偏振合束器400、输出波导500及第一和第二波导可以借助硅材料来制备形成。

优选地，第一、第二、第三和第四相位调制器可以是基于等离子色散效应原理形成的。进一步地，这些相位调制器可以是载流子沉积型、载流子注入型或者载流子耗尽型。

优选地，光分束器200可以为多模干涉仪或者定向耦合器。

优选地，偏振合束器400可以为偏振旋转合束器，例如二维光栅。

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 (9)

1.一种光路对称的片上编码器，其包括光分束器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、第四相位调制器和偏振合束器；

所述光分束器的第一分束端通过第一波导与所述偏振合束器的第一输入端形成连接，第二分束端通过第二波导与所述偏振合束器的第二输入端形成连接；

所述第一和第二相位调制器形成于所述第一波导上，其中，所述第一相位调制器被设置用于提供第一相位

的相位调制，所述第二相位调制器被设置用于提供第二相位

的相位调制；

所述第三和第四相位调制器形成于所述第二波导上，其中，所述第三相位调制器被设置用于提供第三相位

的相位调制，所述第四相位调制器被设置用于提供第四相位

的相位调制，且所述第四相位

恒为零。

2.如权利要求1所述的片上编码器，其中，由所述第一相位、第二相位、第三相位和第四相位组成的相位组合

选自相位组集合[(0，0，0，0)，(0，π/2，0，0)，(π/2，π/2，0，0)，(0，0，π/2，0)]。

3.如权利要求1所述的片上编码器，其中，所述光分束器的输入端连接输入波导，且所述偏振合束器的输出端连接输出波导。

4.如权利要求1-3中任一项所述的片上编码器，其中，所述光分束器为多模干涉仪或定向耦合器。

5.如权利要求1-3中任一项所述的片上编码器，其中，所述偏振合束器为二维光栅。

6.如权利要求1-3中任一项所述的片上编码器，其中，第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器和第四相位调制器是基于等离子色散效应原理形成的。

7.如权利要求6所述的片上编码器，其中，第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器和第四相位调制器为载流子沉积型、载流子注入型或载流子耗尽型。

8.如权利要求1-3中任一项所述的片上编码器，其中，所述第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、第四相位调制器、光分束器、偏振合束器、第一波导和第二波导为硅材质。

9.如权利要求3所述的片上编码器，其中，所述输入波导和输出波导为硅材质。

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