CN217590831U - 一种基于时间相位编码的qkd系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于时间相位编码的QKD系统，其QKD接收方包括基于PLC实现的解码芯片。解码芯片包括第一和第二分束器，且形成有多个对外端口。其中，第一和第二分束器均为四端口器件，分别用作基矢选择单元和时间相位解码单元。输入端口通过第一波导连接第一端口，第二端口通过第二波导连接时间基矢信号输出端口，第三端口通过第三波导连接第五端口，第六端口通过第四波导连接第一反射端口，第七端口通过第五波导连接第二反射端口，第八端口通过第六波导连接第一相位基矢信号输出端口，第四端口通过第七波导连接第二相位基矢信号输出端口，第一和第二反射单元分别设于第一和第二反射端口处，使光信号发生反射且偏振态发生90度偏转。

Description

一种基于时间相位编码的QKD系统

技术领域

本实用新型涉及量子信息技术领域，特别涉及一种基于时间相位编码的QKD系统。

背景技术

量子保密通信是不同于经典通信的一种保密通信方式，能够在通信双方之间产生完全一致的无条件安全密钥，支持通过“一次一密”的方式加密经典信息，能够保证信息传递的高度安全性，因而受到广泛关注。现有的量子保密通信系统主要是基于量子密钥分发(QKD)技术实现的。QKD系统包括发送方和接收方，发送方采用编码器实现量子态的编码和发送，接收方采用解码器对量子态进行解码和探测。解码器是接收方的核心器件之一，决定QKD系统的成码率和错误率等系统指标。在基于相位或时间相位方案的QKD系统中，对发送方发出的含有相位编码信息的脉冲光子对进行干涉解调后实现单光子探测。

基于BB84协议的时间相位编解码方案中，基矢包括相位基矢和时间基矢，在相位基矢上能够编码产生具有特定相位差的前后两个脉冲形成的光子对，形成相位编码的光脉冲；在时间基矢上能够编码产生在时域上前后分布的脉冲光子，形成时间编码的光脉冲。在解码时，通过基矢选择单元先进行基矢选择，之后分别由不同的探测器测量不同基矢下的量子态。其中，相位编码的光脉冲在相位态探测前，主要通过不等臂干涉仪进行干涉解调。现有的芯片化时间相位解码器中，主要采用硅基等工艺的芯片材料进行时间相位量子态解码。

图1示出了一种现有的高速硅基芯片化QKD编解码系统，其在时间相位解码器中采用了与发送方互易的芯片进行解码，具体包含一个等臂干涉仪和一个不等臂干涉仪，其中，等臂干涉仪用于对| 0＞、|1＞态进行测量，不等臂干涉仪用于对|+＞、|一＞态进行测量。干涉后的光脉冲最终由片外单光子探测器进行探测。

CN111934868A号专利文献公开了一种量子密钥分发的解码芯片及解码方法，其主要用于基于时间相位编码协议的QKD系统中。如图2所示，解码芯片包括输入波导、定向耦合器、相位调制器、延迟线结构和输出波导等结构。解码芯片可实现分束比可调，使双时间隙脉冲光功率平衡，因而优化干涉可见度，减小误码率。此解码芯片的干涉可见度相对于温度变化不敏感，即，由光器件引起的误码率相对于温度变化不敏感。

CN109343173A号专利文献公开了一种混合波导集成的干涉仪，其用于实现相位编码协议的QKD系统的编解码功能。如图3所示，该干涉仪包含光纤、波导耦合器、光波导芯片(含延迟线)、相位波导调制器、反射模块等结构。在该干涉仪中，臂长差易于控制，有利于降低不等臂干涉仪的生产成本；光波导芯片构成的干涉仪更加稳定，对于外部温度、振动等变化也更加不敏感；体积更小，封装更为方便。

图1和2所示的解码器内部集成有相位调制器，主要以硅或氮氧化硅等材料作为芯片材料，波导芯片主要工作在TE或TM模式，在由光纤传输链路耦合进入芯片之前偏振态随机，导致进入波导芯片后非工作模式的光子直接损耗，引起系统性能下降、系统成码率波动大等问题。若要解决该问题，往往需要增加外置偏振控制器，会明显增加接收方体积和系统复杂度。除此之外，硅基芯片与光纤模场直径差异大，光纤与芯片的光耦合工艺要求高、损耗大，同样会引起系统成码率下降。因此，此类方案往往性能低且工艺要求高。图3中的干涉仪虽然实现了芯片化，但还需外置光环形器和相位调制模块，整个QKD接收方的体积仍较大。综上可以发现，现有用于QKD系统的解码器存在体积和性能相互制约的问题。

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基于时间相位编码的QKD系统，其中利用PLC工艺制作包括基矢选择单元和时间相位解码单元的解码芯片，可以精确控制干涉仪臂长差而无需在干涉环内置移相器件进行干涉维稳，且解码芯片中不存在有源器件，可以实现高的稳定性和可靠性。并且，由于PLC平面光波导模式与光纤中的模式基本一致，因此无需在光信号耦合进入解码芯片前对其偏振态进行控制，可以减少对外置偏振控制器件的需求，减小QKD接收方的体积。

本实用新型涉及一种基于时间相位编码的QKD系统，其包括QKD发送方、光纤信道和QKD接收方；

所述QKD发送方用于生成和输出时间相位编码光信号；

所述光纤信道用于连接QKD发送方和QKD接收方；

所述QKD接收方用于接收并解码时间相位编码光信号；

其特征在于，所述QKD接收方包括第一光电探测单元、第二光电探测单元、基于平面光波导技术实现的解码芯片、第一反射单元和第二反射单元；

所述解码芯片包括第一分束器和第二分束器，且形成有输入端口、时间基矢信号输出端口、第一相位基矢信号输出端口、第二相位基矢信号输出端口、第一反射端口和第二反射端口；

所述第一分束器形成有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，其中，经所述第一端口输入的光可由第二端口和第三端口输出，经所述第三端口输入的光可由第一端口和第四端口输出；

所述第二分束器形成有第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，其中，经所述第五端口输入的光可由第六端口和第七端口输出，经所述第七端口输入的光可由第五端口和第八端口输出；

所述输入端口通过第一波导连接第一端口；

所述第二端口通过第二波导连接时间基矢信号输出端口；

所述第三端口通过第三波导连接第五端口；

所述第六端口通过第四波导连接第一反射端口；

所述第七端口通过第五波导连接第二反射端口，其中，所述第五波导在光程上不同于第四波导；

所述第八端口通过第六波导连接第一相位基矢信号输出端口；

所述第四端口通过第七波导连接第二相位基矢信号输出端口；

所述第一反射单元设于第一反射端口处，用于使光信号发生反射且偏振态发生90度偏转；

所述第二反射单元设于第二反射端口处，用于使光信号发生反射且偏振态发生90度偏转；

所述第一光电探测单元被设置用于探测由时间基矢信号输出端口输出的光信号；

所述第二光电探测单元被设置用于探测由第一和第二相位基矢信号输出端口输出的光信号。

进一步地，所述第一分束器被设置成，对于经第一端口输入的光，第二端口和第三端口之间的分束比为A2∶A3，A2不等于A3；并且，所述第二分束器被设置用于提供等比例分束。

更进一步地，所述解码芯片还包括第三分束器，所述第三分束器包括第九端口、第十端口、第十一端口和第十二端口，其中，经所述第九端口输入的光可由第十端口和第十一端口输出，经所述第十一端口输入的光可由第九端口和第十二端口输出，且对于经第九端口输入的光，第十端口和第十一端口之间的分束比为A2∶A3；

并且，所述第六波导包括第一波导段和第二波导段，所述第十一端口通过第一波导段连接第八端口，所述第十二端口通过第二波导段连接第一相位基矢信号输出端口。

优选地，所述第一反射单元为45度法拉第旋转镜，且所述第二反射单元为45度法拉第旋转镜。

优选地，A2∶A3＝70∶30。

优选地，所述波导由二氧化硅材料形成，且所述分束器由二氧化硅材料形成。

优选地，所述第五波导与第四波导之间的光程差为相位基矢下两个光脉冲之间的时间间隔的1/2。

优选地，所述第一光电探测单元包括第三单光子探测器，其被设置于时间基矢信号输出端口处。

优选地，所述第二光电探测单元包括第一单光子探测器和第二单光子探测器，所述第一单光子探测器被设置于第一相位基矢信号输出端口处，所述第二单光子探测器被设置于第二相位基矢信号输出端口处。

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示出了一种现有的高速硅基芯片化QKD编解码系统；

图2示出了一种现有的用于量子密钥分发的解码芯片；

图3示出了一种现有的混合波导集成的干涉仪，其用于实现基于相位编码协议的QKD系统的编解码功能；

图4示出了根据本实用新型的用于时间相位编码的QKD系统的一种实施方式；

图5示出了根据本实用新型的用于时间相位编码的QKD系统的进一步实施方式。

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。

图4示出了根据本实用新型的用于时间相位编码的QKD系统，其包括QKD发送方、光纤信道和QKD接收方。

QKD发送方用于生成并输出时间相位编码光信号。

光纤信道连接QKD发送方和QKD接收方，用于实现时间相位编码光信号在QKD发送方和QKD接收方之间的传输。

如图4所示，QKD接收方包括第一光电探测单元、第二光电探测单元、解码芯片、以及设置于解码芯片边界处的第一反射单元402和第二反射单元401。

在本实用新型中，解码芯片是基于平面光波导技术(PLC)实现的，例如可以利用SiO₂平面光波导工艺加工而成。

解码芯片包括第一分束器201和第二分束器202。其中，分束器201、202可以是利用二氧化硅材料，基于平面光波导技术形成的。

在解码芯片中，第一分束器201形成为四端口器件，具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，且被配置成：当光信号经由第一端口输入时，其经分束作用后可由第二端口和第三端口输出；当光信号经由第三端口输入时，其经分束后可由第一端口和第四端口输出。

类似地，第二分束器202同样形成为四端口器件，具有第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，且被配置成：当光信号经由第五端口输入时，其经分束作用后可由第六端口和第七端口输出；当光信号经由第七端口输入时，其经分束后可由第五端口和第八端口输出。

继续参见图4，解码芯片上还形成有多个对外的输入、输出端口，即：输入端口、时间基矢信号输出端口、第一相位基矢信号输出端口、第二相位基矢信号输出端口、第一反射端口和第二反射端口。

在解码芯片中，输入端口用于接收时间相位编码光信号，其在相位基矢下包括具有特定相位差的前后两个脉冲形成的光子对，在时间基矢下具有在时域上前后分布的脉冲光子。

在芯片内部，输入端口通过第一波导103连接第一分束器201的第一端口，以借助第一分束器201对输入的时间相位编码光信号进行基矢选择。

第一分束器201用作基矢选择单元，其中：当时间相位编码光信号由第二端口输出时，则其被选择为在时间基矢下进行解码；当时间相位编码光信号由第三端口输出时，则其被选择为在相位基矢下进行解码。

因此，在芯片内部，第一分束器201的第二端口通过第二波导105连接时间基矢信号输出端口，以允许通过对时间基矢信号输出端口输出的光信号进行探测，实现时间基矢下的解码；同时，使第一分束器201的第三端口通过第三波导104连接第二分束器202的第五端口，以允许借助包括第二分束器202在内的相位解码光路，在相位基矢下对时间相位编码光信号进行解码。

在本实用新型中，第一分束器201被形成为能够为光信号提供非等分的分束，即：当光信号由第一端口输入时，其经分束作用后分别由第二端口和第三端口输出的两个光信号分量之比为A2∶A3，其中，A2不同于A3。

在优选示例中，可以将分束比A2∶A3选择为70∶30。

在本实用新型中，通过在解码芯片中形成包括第二分束器202的不等臂干涉仪结构来实现对时间相位编码光信号的相位解码，其中，第二分束器202形成为能够为光信号提供等分的分束比。

参见图4，在解码芯片内部，第二分束器202的第六端口通过第四波导106连接第一反射端口，第七端口通过第五波导300连接第二反射端口，其中，第四波导106和第五波导300具有不同的长度(光程)。因此，通过将第一和第二反射单元402和401分别设置在第一和第二反射端口处，使到达反射端口的光信号发生反射，同时偏振态发生90度偏转，可以实现一种不等臂干涉仪结构。

在优选示例中，第一(第二)反射单元可以为45度法拉第旋转镜。

在不等臂干涉仪结构中，具有不同光程的第四和第五波导作为两个不等长的臂，为相位基矢下的前后两个光信号提供相对延时，因此，可以将第四和第五波导之间的长度差(光程差)形成为相位基矢下前后两个光脉冲之间的时间间隔的1/2，以允许两个光脉冲能够在不等臂干涉仪中实现干涉作用。

作为示例，可以将第五波导300形成为波导延时线的形式，从而作为不等臂干涉仪中的长臂使用，反之亦然。

因此，当时间相位编码光信号经第一分束器201的被动基矢选择，从第三端口进入第三波导104中进行相位基矢下的解码时，其将经第五端口进入不等臂干涉仪结构中。在不等臂干涉仪结构中，沿第四和第五波导传输的光信号分别在第一和第二反射端口处被第一和第二法拉第旋转镜402、401反射，沿原路返回第二分束器202，同时其偏振态发生90度旋转，获得偏振态变化自补偿。经反射的两路光信号在第二分束器202处发生干涉，产生的干涉信号将经由第二分束器202的第五和第八端口输出。本领域技术人员知晓，对于时间相位编码光信号而言，在相位基矢下的解码中，不等臂干涉仪在时间上将会输出三路干涉信号(干涉峰)，其中，中间一路干涉信号将对应于时间相位编码光信号中的相位编码信息，根据相位基矢下光子对中前后两个脉冲的相位差为0或π，在第二分束器202的第五和第八端口处输出干涉信号。

继续参见图4，第二分束器202的第八端口通过第六波导101连接第一相位基矢信号输出端口，以允许对由第八端口输出的干涉信号进行光子计数探测；第二分束器202的第五端口通过第三波导104连接第一分束器201的第三端口，第一分束器201的第四端口通过第七波导102连接第二相位基矢信号输出端口，以允许对由第五端口输出的干涉信号进行光子计数探测，由此实现相位态解码。

在本实用新型中，波导和分束器优选利用二氧化硅材料，借助平面光波导技术形成。

第一光电探测单元可以包括第三单光子探测器，其设置在时间基矢信号输出端口处，用于对输出的光信号进行光子计数探测。

第二光电探测单元可以包括第一和第二单光子探测器，其分别设置在第一和第二相位基矢信号输出端口处，用于对输出的干涉信号进行光子计数探测。

由于由第二分束器202的第五和第八端口输出的干涉信号从第二分束器202到达第一和第二相位基矢信号输出端口的光路不同，因此两者在到达各自探测器时会具有不同的光强，造成探测信号强度的不均衡。

因此，还可以在QKD接收方中设置第三分束器203，如图5示出的那样。

如图5所示，第三分束器203同样形成为四端口器件，具有第九端口、第十端口、第十一端口和第十二端口，且被配置成：当光信号经由第九端口输入时，其经分束作用后可由第十端口和第十一端口输出；当光信号经由第十一端口输入时，其经分束后可由第九端口和第十二端口输出。

其中，第三分束器203被设置在第二分束器202与第一相位基矢信号输出端口之间的光路上，此时，第六波导可以由第一波导段和第二波导段构成，其中，使第十一端口通过第一波导段连接第八端口，第十二端口通过第二波导段连接第一相位基矢信号输出端口，由此允许为到达第一相位基矢信号输出端口的干涉信号提供强度补偿。

为使到达第一和第二相位基矢信号输出端口的干涉信号具有相同的光强，第三分束器203被形成为能够为光信号提供非等分的分束，即：当光信号由第九端口输入时，其经分束作用后分别由第十端口和第十一端口输出的两个光信号分量之比为A2∶A3，其中，A2不同于A3。

在优选示例中，可以将第三分束器203的分束比A2∶A3选择为70∶30。因此，在第二分束器202的第五端口输出的干涉信号经过第一分束器201的第四端口(其具有70％的分束比)后达到第二相位基矢信号输出端口时，第二分束器202的第八端口输出的干涉信号也将经过第三分束器203的第十二端口(其具有70％的分束比)后达到第一相位基矢信号输出端口。此时，第一和第二单光子探测器对相位态干涉信号进行光子计数探测得到的探测输出结果基本保持均衡。

综上可知，在本实用新型的QKD系统中，包括基矢选择单元和时间相位解码单元的解码芯片利用PLC工艺制作，可以精确控制干涉仪臂长差而无需在干涉环内置移相器件进行干涉维稳，且解码芯片中不存在有源器件，可以实现高的稳定性和可靠性。并且，由于PLC平面光波导模式与光纤中的模式基本一致，因此无需在光信号耦合进入解码芯片前对其偏振态进行控制，可以减少对外置偏振控制器件的需求，减小QKD接收方的体积。相比图1和2中的全芯片化解码器，本实用新型将基矢选择单元和时间相位解码单元集成在PLC芯片中，集成度高，能够有效解决光耦合效率低和偏振模式选择引起的性能降低问题；同时，相比于图3所示结构，本实用新型无需外置相位调制器和光环形器，可大幅减小体积，同时插损更小，性能有所提升。

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)

1.一种基于时间相位编码的QKD系统，其包括QKD发送方、光纤信道和QKD接收方；

所述QKD发送方用于生成和输出时间相位编码光信号；

所述光纤信道用于连接QKD发送方和QKD接收方；

所述QKD接收方用于接收并解码时间相位编码光信号；

其特征在于，所述QKD接收方包括第一光电探测单元、第二光电探测单元、基于平面光波导技术实现的解码芯片、第一反射单元和第二反射单元；

所述解码芯片包括第一分束器和第二分束器，且形成有输入端口、时间基矢信号输出端口、第一相位基矢信号输出端口、第二相位基矢信号输出端口、第一反射端口和第二反射端口；

所述第一分束器形成有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，其中，经所述第一端口输入的光可由第二端口和第三端口输出，经所述第三端口输入的光可由第一端口和第四端口输出；

所述第二分束器形成有第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，其中，经所述第五端口输入的光可由第六端口和第七端口输出，经所述第七端口输入的光可由第五端口和第八端口输出；

所述输入端口通过第一波导连接第一端口；

所述第二端口通过第二波导连接时间基矢信号输出端口；

所述第三端口通过第三波导连接第五端口；

所述第六端口通过第四波导连接第一反射端口；

所述第七端口通过第五波导连接第二反射端口，其中，所述第五波导在光程上不同于第四波导；

所述第八端口通过第六波导连接第一相位基矢信号输出端口；

所述第四端口通过第七波导连接第二相位基矢信号输出端口；

所述第一反射单元设于第一反射端口处，用于使光信号发生反射且偏振态发生90度偏转；

所述第二反射单元设于第二反射端口处，用于使光信号发生反射且偏振态发生90度偏转；

所述第一光电探测单元被设置用于探测由时间基矢信号输出端口输出的光信号；

所述第二光电探测单元被设置用于探测由第一和第二相位基矢信号输出端口输出的光信号。

2.如权利要求1所述的QKD系统，其特征在于，所述第一分束器被设置成，对于经第一端口输入的光，第二端口和第三端口之间的分束比为A2：A3，A2不等于A3；并且，所述第二分束器被设置用于提供等比例分束。

3.如权利要求2所述的QKD系统，其特征在于，所述解码芯片还包括第三分束器，所述第三分束器包括第九端口、第十端口、第十一端口和第十二端口，其中，经所述第九端口输入的光可由第十端口和第十一端口输出，经所述第十一端口输入的光可由第九端口和第十二端口输出，且对于经第九端口输入的光，第十端口和第十一端口之间的分束比为A2∶A3；

并且，所述第六波导包括第一波导段和第二波导段，所述第十一端口通过第一波导段连接第八端口，所述第十二端口通过第二波导段连接第一相位基矢信号输出端口。

4.如权利要求1-3中任一项所述的QKD系统，其特征在于，所述第一反射单元为45度法拉第旋转镜，且所述第二反射单元为45度法拉第旋转镜。

5.如权利要求2或3所述的QKD系统，其特征在于，A2∶A3＝70∶30。

6.如权利要求1-3中任一项所述的QKD系统，其特征在于，所述波导由二氧化硅材料形成，且所述分束器由二氧化硅材料形成。

7.如权利要求1-3中任一项所述的QKD系统，其特征在于，所述第五波导与第四波导之间的光程差为相位基矢下两个光脉冲之间的时间间隔的1/2。

8.如权利要求1-3中任一项所述的QKD系统，其特征在于，所述第一光电探测单元包括第三单光子探测器，其被设置于时间基矢信号输出端口处。

9.如权利要求1-3中任一项所述的QKD系统，其特征在于，所述第二光电探测单元包括第一单光子探测器和第二单光子探测器，所述第一单光子探测器被设置于第一相位基矢信号输出端口处，所述第二单光子探测器被设置于第二相位基矢信号输出端口处。

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