JP2024060573A - Photonic Integrated Circuits - Google Patents

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Abstract

【課題】光チャネルによりもたらされる位相雑音を低減するフォトニック集積回路を提供する。【解決手段】光学システム11において、フォトニック集積回路4は、集積チップ上に形成され、デマルチプレクサ14、第1~第5の位相制御素子181~185及びマルチプレクサ20を備える。デマルチプレクサは、第1の波長を有する第1の信号と、第2の波長を有する第2の信号とを備える多重化された光信号を受信する。第1の位相制御素子は第1の位相シフトを第1の信号に提供し第2の位相制御素子は第2の位相シフトを第2の信号に提供する。マルチプレクサは、変更された多重化信号を作り出すために第1の位相シフトをされた信号及び第2の位相シフトをされた信号を多重化する。第3の位相制御素子は、更なる変更された多重化された信号を作り出すために第3の位相シフトを変更された多重化信号に提供し、更なる変更された多重化信号を出力する。【選択図】図1A photonic integrated circuit for reducing phase noise introduced by an optical channel is provided. In an optical system (11), a photonic integrated circuit (4) is formed on an integrated chip and includes a demultiplexer (14), first to fifth phase control elements (181 to 185), and a multiplexer (20). The demultiplexer receives a multiplexed optical signal comprising a first signal having a first wavelength and a second signal having a second wavelength. The first phase control element provides a first phase shift to the first signal and the second phase control element provides a second phase shift to the second signal. The multiplexer multiplexes the first phase shifted signal and the second phase shifted signal to produce a modified multiplexed signal. The third phase control element provides a third phase shift to the modified multiplexed signal to produce a further modified multiplexed signal, and outputs the further modified multiplexed signal. [Selected Figure]

Description

本明細書に説明する実施形態は、フォトニック集積回路に関する。 The embodiments described herein relate to photonic integrated circuits.

光学システムでは、情報は、光信号の位相に記憶され得る。そのような光信号は、光チャネル、例えば光ファイバを使用して、遠く離れたノード間で送信される。光チャネルは、位相ドリフトをもたらし得、それは、位相雑音の一因となる。そのような位相雑音の補償は、これらのシステムの性能にとって欠かせないものとなり得る。 In optical systems, information can be stored in the phase of optical signals. Such optical signals are transmitted between distant nodes using optical channels, e.g., optical fibers. Optical channels can introduce phase drift, which contributes to phase noise. Compensation for such phase noise can be essential to the performance of these systems.

多くの光通信システムは、波長分割多重化、即ち、同じ光チャネルに沿って別個の波長によって搬送される複数の情報信号を使用する。例えば、波長分割多重化は、所与の光チャネルに沿って送信されることができる別個の情報信号の数を増大させるために使用されることができる。光チャネルによってもたらされる位相雑音は、複数の情報信号の各々に影響を及ぼし得る。 Many optical communication systems use wavelength division multiplexing, i.e., multiple information signals carried by separate wavelengths along the same optical channel. For example, wavelength division multiplexing can be used to increase the number of separate information signals that can be transmitted along a given optical channel. Phase noise introduced by the optical channel can affect each of the multiple information signals.

量子通信システムでは、情報は、単一光子などの符号化された単一量子によって送信機と受信機との間で送られる。情報のビットは、その偏光、位相、時間、又はエネルギーなどの光子の特性に応じて符号化されることができる。 In a quantum communication system, information is sent between a transmitter and a receiver by a single encoded quantum, such as a single photon. A bit of information can be encoded according to a property of the photon, such as its polarization, phase, time, or energy.

量子通信システムは、量子鍵配送(QKD)を実施するために使用され得、それは、二者間での暗号鍵の共有を可能にする。QKD方法の中には、受信側によって受信された光子の位相の正確な測定を必要とするものがある。 Quantum communication systems can be used to implement quantum key distribution (QKD), which allows two parties to share a cryptographic key. Some QKD methods require precise measurement of the phase of photons received by the receiver.

光チャネルによって引き起こされる位相ドリフトは、位相ベースのQKD方法の性能を低下させる可能性がある。典型的には、送信される情報を搬送する単一光子は、位相ドリフトを確実に決定するために使用されることができない。代わりに、波長分割多重化を使用して、強い基準信号が、光チャネルに組み合わせられ、光チャネルの変化を監視するために使用され得る。 Phase drift induced by the optical channel can degrade the performance of phase-based QKD methods. Typically, single photons carrying the transmitted information cannot be used to reliably determine the phase drift. Instead, using wavelength division multiplexing, a strong reference signal can be coupled into the optical channel and used to monitor changes in the optical channel.

実施形態に従った実例的な光学システムの概略図である。1 is a schematic diagram of an example optical system according to an embodiment. 実施形態に従った図1の光学システムの変形形態の概略図である。2 is a schematic diagram of a variation of the optical system of FIG. 1 according to an embodiment. 実施形態に従った図1の光学システムの更なる変形形態の概略図である。2 is a schematic diagram of a further variation of the optical system of FIG. 1 according to an embodiment. 実施形態に従った実例的な光通信システムの概略図である。1 is a schematic diagram of an example optical communication system according to an embodiment. 実施形態に従ったQKDネットワークの概略図である。1 is a schematic diagram of a QKD network according to an embodiment; 実施形態に従った光学システムの更なる実施形態である。4 is a further embodiment of an optical system according to an embodiment.

実施形態では、フォトニック集積回路が提供される。フォトニック集積回路が、集積チップ上に形成され、デマルチプレクサと、第1、第2、及び第3の位相制御素子と、マルチプレクサとを備える。デマルチプレクサは、第1の波長を有する第1の信号と、第1の波長とは異なる第2の波長を有する第2の信号とを備える多重化された光信号を受信するように構成される。デマルチプレクサは、第1の信号及び第2の信号を抽出するために多重化された光信号を逆多重化するように更に構成される。第1の位相制御素子は、第1の変更された信号を作り出すために第1の位相シフトを第1の信号に提供するように構成される。第2の位相制御素子は、第2の変更された信号を作り出すために第2の位相シフトを第2の信号に提供するように構成される。マルチプレクサは、変更された多重化された信号を作り出すために第1の変更された信号及び第2の変更された信号を多重化するように構成される。第3の位相制御素子は、更なる変更された多重化された信号を作り出すために第3の位相シフトを変更された多重化された信号に提供し、更なる変更された多重化された信号を出力するように構成される。 In an embodiment, a photonic integrated circuit is provided. The photonic integrated circuit is formed on an integrated chip and includes a demultiplexer, first, second, and third phase control elements, and a multiplexer. The demultiplexer is configured to receive a multiplexed optical signal including a first signal having a first wavelength and a second signal having a second wavelength different from the first wavelength. The demultiplexer is further configured to demultiplex the multiplexed optical signal to extract the first signal and the second signal. The first phase control element is configured to provide a first phase shift to the first signal to produce a first modified signal. The second phase control element is configured to provide a second phase shift to the second signal to produce a second modified signal. The multiplexer is configured to multiplex the first modified signal and the second modified signal to produce a modified multiplexed signal. The third phase control element is configured to provide a third phase shift to the modified multiplexed signal to produce a further modified multiplexed signal and output the further modified multiplexed signal.

フォトニック集積回路は、波長多重化された光信号の位相を柔軟な形でシフトするために使用されることができる。フォトニック集積回路は、全ての多重化された信号の位相を集合的にシフトするだけでなく、信号の位相を個々にシフトすることも可能にする。これは、フォトニック集積回路の様々な用途を可能にする。実施形態では、フォトニック集積回路は、光学システム又は光ネットワークの一部であり得、光チャネルによってもたらされる位相雑音が補正されるように位相補償を実行するために使用され得る。実施形態では、フォトニック集積回路は、光通信システム中の位相雑音を低減するために使用され得る。 Photonic integrated circuits can be used to shift the phase of wavelength multiplexed optical signals in a flexible manner. Photonic integrated circuits allow not only to shift the phase of all multiplexed signals collectively, but also to shift the phase of signals individually. This enables a variety of applications of photonic integrated circuits. In embodiments, the photonic integrated circuit may be part of an optical system or optical network and may be used to perform phase compensation such that phase noise introduced by the optical channel is corrected. In embodiments, the photonic integrated circuit may be used to reduce phase noise in optical communication systems.

単一の集積チップ上にフォトニック集積回路の全ての構成要素を設けることは、ディスクリートオフチップ構成要素(discrete, off-chip components)から成る従来のシステムと比較して遙かにより小さな設置面積、より低いコスト、及びより高い製造歩留まりを有することができるチップベースのデバイスにつながる。フォトニック集積回路は、大量生産に適した小型で安価なデバイスを可能にする。更に、フォトニック集積回路は、単一のチップ上に他のフォトニック集積デバイスとモノリシックに集積されることができる。対照的に、従来のシステムでは、典型的には、モノリシック集積と互換性がない。スケーラビリティ、大量生産、及びモノリシック集積の互換性を可能にすることによって、フォトニック集積回路は、従来の技術よりも拡張されたアーキテクチャを可能にする。 Providing all components of a photonic integrated circuit on a single integrated chip leads to chip-based devices that can have a much smaller footprint, lower cost, and higher manufacturing yields compared to conventional systems consisting of discrete, off-chip components. Photonic integrated circuits enable small, inexpensive devices suitable for mass production. Furthermore, photonic integrated circuits can be monolithically integrated with other photonic integrated devices on a single chip. In contrast, conventional systems are typically not compatible with monolithic integration. By enabling scalability, mass production, and compatibility with monolithic integration, photonic integrated circuits enable more extended architectures than conventional technologies.

更に、フォトニック集積回路は、偏光選択及び偏光保持であり得る。対照的に、従来のシステムは、典型的には、偏光ドリフト又は偏光分散を被る。 Furthermore, photonic integrated circuits can be polarization selective and polarization maintaining. In contrast, conventional systems typically suffer from polarization drift or polarization dispersion.

実施形態では、光マッハツェンダー干渉計が、第1のアーム及び第2のアームを備え、第1のアームは、フォトニック集積回路を備える。この場合、第1及び第2のアームを有する光マッハツェンダー干渉計とフォトニック集積回路とは、単一の集積チップ上に形成され得る。 In an embodiment, the optical Mach-Zehnder interferometer includes a first arm and a second arm, and the first arm includes a photonic integrated circuit. In this case, the optical Mach-Zehnder interferometer having the first and second arms and the photonic integrated circuit can be formed on a single integrated chip.

実施形態では、光リング干渉計が、フォトニック集積回路を備える。 In an embodiment, the optical ring interferometer comprises a photonic integrated circuit.

実施形態では、フォトニック集積回路は、光フェーズドアレイ中の光位相を安定化させるために使用され得る。 In embodiments, photonic integrated circuits may be used to stabilize optical phase in optical phased arrays.

第1及び第2の位相制御素子は、熱位相シフタであり得、第3の位相制御素子は、電気光学位相変調器であり得る。 The first and second phase control elements may be thermal phase shifters, and the third phase control element may be an electro-optical phase modulator.

代替として、第1、第2、及び第3の位相制御素子は、熱位相シフタ又は電気光学位相変調器のうちのいずれかであり得る。 Alternatively, the first, second and third phase control elements may be either thermal phase shifters or electro-optical phase modulators.

デマルチプレクサ及びマルチプレクサは、統合(デ)マルチプレクサ、例えば、アレイ導波路回折格子、角度付きマルチモード干渉計(angled multimode interferometer)、又は分散型波長マルチプレクサであり得る。 The demultiplexer and multiplexer can be integrated (de)multiplexers, such as arrayed waveguide gratings, angled multimode interferometers, or dispersive wavelength multiplexers.

実施形態では、送信機及び受信機を備える光学システムが提供される。送信機は、第1の光情報信号上の位相を使用して情報を符号化するように構成された符号化ユニットを備え、第1の光情報信号は、単一の第1の波長を有する。送信機は、第1の基準信号を出力するように構成される。第1の基準信号は、第1の波長とは異なる基準波長を有する。送信機は、多重化された信号を作り出すために第1の光情報信号及び第1の基準信号を多重化し、多重化された信号を通信チャネルに出力するように構成された第1のマルチプレクサを更に備える。受信機は、集積チップ上に形成されたフォトニック集積回路を備える。フォトニック集積回路は、第1のデマルチプレクサと、第1、第2、及び第3の位相制御素子と、第2のマルチプレクサとを備える。第1のデマルチプレクサは、多重化された信号を受信することと、第1の基準信号及び第1の光情報信号を抽出するために多重化された信号を逆多重化することとを行うように構成される。第1の位相制御素子は、変更された基準信号を作り出すために第1の位相シフトを第1の基準信号に提供するように構成される。第2の位相制御素子は、変更された光情報信号を作り出すために第2の位相シフトを第1の光情報信号に提供するように構成される。第2のマルチプレクサは、変更された多重化された信号を作り出すために変更された基準信号及び変更された光情報信号を多重化するように構成される。第3の位相制御素子は、更なる変更された多重化された信号を作り出すために第3の位相シフトを変更された多重化された信号に提供し、更なる変更された多重化された信号を出力するように構成される。受信機は、第1の光情報信号及び第1の基準信号を抽出するために、送信機から受信された更なる変更された多重化された信号を逆多重化するように構成された第2のデマルチプレクサを更に備える。受信機は、第1の光情報信号中の位相情報を復号するように構成された復号器と、第1の基準信号から通信チャネルによって引き起こされた第1の光情報信号の位相変化を推定し、フォトニック集積回路を使用して、通信チャネルによって引き起こされた第1の光情報信号の位相変化を補償するように構成された位相補償ユニットとを更に備える。 In an embodiment, an optical system is provided that includes a transmitter and a receiver. The transmitter includes an encoding unit configured to encode information using a phase on a first optical information signal, the first optical information signal having a single first wavelength. The transmitter is configured to output a first reference signal. The first reference signal has a reference wavelength different from the first wavelength. The transmitter further includes a first multiplexer configured to multiplex the first optical information signal and the first reference signal to create a multiplexed signal and output the multiplexed signal to a communication channel. The receiver includes a photonic integrated circuit formed on an integrated chip. The photonic integrated circuit includes a first demultiplexer, first, second, and third phase control elements, and a second multiplexer. The first demultiplexer is configured to receive the multiplexed signal and demultiplex the multiplexed signal to extract the first reference signal and the first optical information signal. The first phase control element is configured to provide a first phase shift to the first reference signal to create a modified reference signal. The second phase control element is configured to provide a second phase shift to the first optical information signal to produce a modified optical information signal. The second multiplexer is configured to multiplex the modified reference signal and the modified optical information signal to produce a modified multiplexed signal. The third phase control element is configured to provide a third phase shift to the modified multiplexed signal to produce a further modified multiplexed signal and output the further modified multiplexed signal. The receiver further comprises a second demultiplexer configured to demultiplex the further modified multiplexed signal received from the transmitter to extract the first optical information signal and the first reference signal. The receiver further comprises a decoder configured to decode phase information in the first optical information signal and a phase compensation unit configured to estimate a phase change in the first optical information signal caused by the communication channel from the first reference signal and to compensate for the phase change in the first optical information signal caused by the communication channel using a photonic integrated circuit.

上記では、情報信号に影響を及ぼす位相雑音は、基準信号に基づいて補償されることができる。第1の情報信号の機密情報を搬送しない基準信号を使用することによって、基準信号は、明るくなり得、即ち、良好な信号対雑音比を提供するのに十分高い強度のものとなり得、フィードバックを提供して情報信号における位相ドリフトを補正するために使用されることができる。また、情報信号とは異なる波長を有する基準信号を使用することによって、情報信号及び基準信号を波長多重化することが可能であり、このことから、受信機に送信された情報のレートは、基準信号を追加的に送ることによって低減されない。 In the above, phase noise affecting the information signal can be compensated based on the reference signal. By using a reference signal that does not carry confidential information of the first information signal, the reference signal can be bright, i.e. of high enough intensity to provide a good signal-to-noise ratio, and can be used to provide feedback to correct phase drift in the information signal. Also, by using a reference signal with a different wavelength than the information signal, it is possible to wavelength multiplex the information signal and the reference signal, so that the rate of information transmitted to the receiver is not reduced by additionally sending a reference signal.

更にこの実施形態では、光学システムはまた、第2の送信機を備え得、第2の送信機は、第2の光情報信号上の位相を使用して情報を符号化するように構成された符号化ユニットを備え、第2の光情報信号は、第1の波長を有し、送信機は、基準波長を有する第2の基準信号を出力するように構成される。送信機は、多重化された第2の信号を作り出すために第2の光情報信号及び第2の基準信号を多重化し、多重化された第2の信号を通信チャネルに出力するように構成されたマルチプレクサを更に備える。復号器は、第1及び第2の光情報信号中の位相情報を復号するように構成される。位相補償ユニットは、第1及び第2の基準信号の干渉から通信チャネルによって引き起こされた第1及び第2の光情報信号の位相変化を推定することと、通信チャネルによって引き起こされた第1及び第2の光情報信号の位相変化が低減されるように第3の位相シフトを制御することとを行うように構成される。位相補償ユニットは、第1及び第2の光情報信号の干渉から通信チャネルによって引き起こされた第1及び第2の光情報信号の残りの位相変化を推定することと、通信チャネルによって引き起こされた第1及び第2の光情報信号の位相変化が更に低減されるように第2の位相シフトを制御することとを行うように更に構成される。 Further in this embodiment, the optical system may also include a second transmitter, the second transmitter including an encoding unit configured to encode information using a phase on a second optical information signal, the second optical information signal having a first wavelength, and the transmitter configured to output a second reference signal having a reference wavelength. The transmitter further includes a multiplexer configured to multiplex the second optical information signal and the second reference signal to create a multiplexed second signal and output the multiplexed second signal to a communication channel. The decoder is configured to decode phase information in the first and second optical information signals. The phase compensation unit is configured to estimate a phase change in the first and second optical information signals caused by the communication channel from the interference of the first and second reference signals, and to control the third phase shift such that the phase change in the first and second optical information signals caused by the communication channel is reduced. The phase compensation unit is further configured to estimate a remaining phase change of the first and second optical information signals caused by the communication channel from an interference of the first and second optical information signals, and to control the second phase shift such that the phase change of the first and second optical information signals caused by the communication channel is further reduced.

上記は、第1の送信機が第1のノードであり、第2の送信機が第2のノードであり、受信機が第3のノードである、3ノードネットワークの例である。そのようなネットワークは、第1及び第2の送信機の両方が信号を受信機に送り、受信機が第1の送信機からの信号と第2の送信機からの信号との間に1次光干渉(first order optical interference)を実行する、ツインフィールドQKD「TF-QKD」において使用されることができる。干渉の結果を開示することによって、2つの送信機が秘密鍵を確立することが可能である。 The above is an example of a three-node network, where the first transmitter is the first node, the second transmitter is the second node, and the receiver is the third node. Such a network can be used in twin-field QKD "TF-QKD", where both the first and second transmitters send signals to the receiver, and the receiver performs first order optical interference between the signal from the first transmitter and the signal from the second transmitter. By disclosing the results of the interference, it is possible for the two transmitters to establish a secret key.

上記では、第1及び第2の位相制御素子は、熱位相シフタであり得、第3の位相制御素子は、電気光学位相変調器であり得る。第3の位相制御素子は、高速フィードバックを実施するために、即ち、光チャネルによってもたらされる高速ドリフトを安定化させるために使用されることができる。例えば、高速フィードバックシステムは、明基準(bright reference)の干渉を監視することによって実施されることができる。明パルスの干渉から、エラー信号が導出され、第3の位相制御素子によって印加された位相シフトを調整するために使用される。高速フィードバックシステムは、位相ドリフトのほぼ瞬時の補正を提供し得る。場合によっては、高速フィードバックは、情報信号に対して位相ドリフトを完全には補正しない場合がある。任意のそのような残りの位相ドリフトは、第1及び第2の位相制御素子によって補償されることができる。 In the above, the first and second phase control elements may be thermal phase shifters and the third phase control element may be an electro-optical phase modulator. The third phase control element may be used to implement fast feedback, i.e., to stabilize the fast drift introduced by the optical channel. For example, the fast feedback system may be implemented by monitoring the interference of a bright reference. From the interference of the bright pulse, an error signal is derived and used to adjust the phase shift applied by the third phase control element. The fast feedback system may provide a nearly instantaneous correction of the phase drift. In some cases, the fast feedback may not completely correct the phase drift relative to the information signal. Any such remaining phase drift may be compensated for by the first and second phase control elements.

光学システムは、第1の送信ユニットと第2の送信ユニットとの間で鍵を配送するように構成された量子通信システムとして構成され得る。 The optical system may be configured as a quantum communication system configured to distribute a key between a first transmitting unit and a second transmitting unit.

広義では、図1に例示された光学システム1は、光ネットワークの2つのノード間で交換される波長分割多重化された光信号の位相を制御するために使用され得る。ある応用では、光学システム1は、光チャネルによってもたらされる位相雑音が補償されるように、多重化された光信号の位相を制御するために使用され得る。 In a broad sense, the optical system 1 illustrated in FIG. 1 may be used to control the phase of wavelength division multiplexed optical signals exchanged between two nodes of an optical network. In one application, the optical system 1 may be used to control the phase of the multiplexed optical signals such that phase noise introduced by the optical channels is compensated.

光学システム1は、送信機2、フォトニック集積回路(PIC)4、及び受信機6を含む。 The optical system 1 includes a transmitter 2, a photonic integrated circuit (PIC) 4, and a receiver 6.

送信機2は、多重化された光信号を提供するように構成され、第1~第5の入力チャネル81~85を有する第1のマルチプレクサ10を備える。マルチプレクサ10の第1~第5の入力チャネル81~85は、第1~第5の入力信号をそれぞれ受信するように構成される。第1~第5の入力信号は、互いに異なる第1~第5の波長をそれぞれ有する。第1のマルチプレクサ10は、例えば、第1~第5の入力信号を単一の光チャネル12上に多重化するために波長分割多重化を実行するように構成される。この実施形態では、第1のマルチプレクサ10は、第1~第5の入力信号が同じ光チャネル12を通して送信され得るように、それらの信号を共にまとめるように構成される。光チャネル12は、光ファイバであり得る。 The transmitter 2 comprises a first multiplexer 10 configured to provide a multiplexed optical signal and having first to fifth input channels 8 1 to 8 5. The first to fifth input channels 8 1 to 8 5 of the multiplexer 10 are configured to receive first to fifth input signals, respectively. The first to fifth input signals have first to fifth wavelengths, respectively, that are different from one another. The first multiplexer 10 is configured, for example, to perform wavelength division multiplexing to multiplex the first to fifth input signals onto a single optical channel 12. In this embodiment, the first multiplexer 10 is configured to group the first to fifth input signals together such that they may be transmitted over the same optical channel 12. The optical channel 12 may be an optical fiber.

PIC4は、以下に説明されるように、光チャネル12を通してトランシーバ2から送信された多重化された光信号を受信することと、位相シフトされた信号を受信機6に送信する前に、制御された位相シフトを第1~第5の入力信号に提供することとを行うように構成される。 PIC 4 is configured to receive the multiplexed optical signals transmitted from transceiver 2 over optical channel 12 and to provide controlled phase shifts to the first through fifth input signals before transmitting the phase shifted signals to receiver 6, as described below.

PIC4は、デマルチプレクサ14と、第1~第5の位相制御素子181~185をそれぞれ備える第1~第5のフォトニック導波路161~165とを備える。PIC4はまた、第2のマルチプレクサ20と、更なる位相制御素子22とを含む。デマルチプレクサ14は、例えば、第1~第5の入力信号を抽出するために、トランシーバ2から送信された受信された多重化された光信号を逆多重化することと、第1~第5の入力信号を第1~第5の導波路161~165にそれぞれ提供することとを行うように構成される。 The PIC 4 comprises a demultiplexer 14 and first to fifth photonic waveguides 16 1 to 16 5 comprising first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 , respectively. The PIC 4 also includes a second multiplexer 20 and a further phase control element 22. The demultiplexer 14 is configured to demultiplex the received multiplexed optical signal transmitted from the transceiver 2, for example, to extract first to fifth input signals, and to provide the first to fifth input signals to the first to fifth waveguides 16 1 to 16 5 , respectively.

第1~第5の導波路161~165は、デマルチプレクサ14の出力を第2のマルチプレクサ20の入力に接続し、デマルチプレクサ14によって抽出された第1~第5の入力信号を第2のマルチプレクサ20にそれぞれ伝播するように構成される。第1~第5の導波路161~165は、第1~第5の位相シフトを導波路161~165中に伝播する光信号にそれぞれ提供するように構成された第1~第5の位相制御素子181~185をそれぞれ含む。第1~第5の位相シフトの各々は、互いに異なり得る。このことから、第1~第5の位相制御素子181~185は、第1~第5の位相シフトされた信号を作り出すように構成される。この例では、位相制御素子181~185は、デマルチプレクサ14によって抽出された入力信号が第2のマルチプレクサ20に伝播する前に、個々の制御可能な位相シフトをこれらの信号の各々に提供するように構成される。 The first to fifth waveguides 16 1 to 16 5 are configured to connect the output of the demultiplexer 14 to the input of the second multiplexer 20 and to propagate the first to fifth input signals extracted by the demultiplexer 14 to the second multiplexer 20, respectively. The first to fifth waveguides 16 1 to 16 5 include first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 configured to provide first to fifth phase shifts to the optical signals propagating in the waveguides 16 1 to 16 5 , respectively. Each of the first to fifth phase shifts may be different from each other. Thus, the first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 are configured to produce first to fifth phase shifted signals. In this example, the phase control elements 18 1 - 18 5 are configured to provide an individual controllable phase shift to each of the input signals extracted by the demultiplexer 14 before they propagate to a second multiplexer 20 .

第2のマルチプレクサ20は、例えば、位相制御素子181~185から受信された信号を多重化するために波長分割多重化を実行することと、多重化された出力を更なる位相制御素子22に提供することとを行うように構成される。言い換えれば、第2のマルチプレクサ20は、第1~第5の位相シフトされた信号が更なる位相制御素子22への入力として提供され得るように、それらの信号を共にまとめるように構成される。 The second multiplexer 20 is configured, for example, to perform wavelength division multiplexing to multiplex the signals received from the phase control elements 18 1 -18 5 and to provide the multiplexed output to a further phase control element 22. In other words, the second multiplexer 20 is configured to combine the first through fifth phase shifted signals together so that they can be provided as inputs to the further phase control element 22.

更なる位相制御素子22は、第2のマルチプレクサ20の出力を受信することと、更なる位相シフトを受信された信号に提供することとを行うように構成される。更なる位相制御素子22は、位相シフトされた信号を、光チャネル24に接続されたPIC4の出力ポートに出力するように構成される。光チャネル24は、光ファイバであり得る。 The further phase control element 22 is configured to receive the output of the second multiplexer 20 and to provide a further phase shift to the received signal. The further phase control element 22 is configured to output the phase shifted signal to an output port of the PIC 4 that is connected to an optical channel 24. The optical channel 24 may be an optical fiber.

受信機6は、第1~第5の出力チャネル281~285を有する第2のデマルチプレクサ26を含み、光チャネル24を通してPIC4によって送信された位相シフトされた多重化された光信号を受信するように構成される。第2のデマルチプレクサ26は、例えば、第1~第5の入力信号を抽出するために、受信された位相シフトされた多重化された光信号を逆多重化することと、第1~第5の入力信号を第1~第5の出力チャネル281~285にそれぞれ提供することとを行うように構成される。 The receiver 6 includes a second demultiplexer 26 having first through fifth output channels 28 1 - 28 5 and is configured to receive the phase-shifted multiplexed optical signals transmitted by the PIC 4 through the optical channel 24. The second demultiplexer 26 is configured to demultiplex the received phase-shifted multiplexed optical signals, for example to extract first through fifth input signals, and to provide the first through fifth input signals to the first through fifth output channels 28 1 - 28 5 , respectively.

実施形態では、PIC4の全ての構成要素は、単一のフォトニック集積回路チップ上に集積される。これは、PIC4がより小さな設置面積を有し、ディスクリートオフチップ光学構成要素から成る対応するシステムよりも大量生産に適するようになることを可能にする。更に、単一のフォトニック集積回路チップ上にPIC4の全て構成要素を設けることは、組み立て時間及び製造コストを低減する。ディスクリートオフチップ光学構成要素から成るシステムに対する別の利点は、更なるフォトニック集積デバイスがPIC4中にモノリシックに集積されることができることであり、それは、一般には、オフチップ構成要素には可能でない。 In an embodiment, all components of the PIC 4 are integrated onto a single photonic integrated circuit chip. This allows the PIC 4 to have a smaller footprint and be more suitable for mass production than a corresponding system made up of discrete off-chip optical components. Furthermore, providing all components of the PIC 4 on a single photonic integrated circuit chip reduces assembly time and manufacturing costs. Another advantage over a system made up of discrete off-chip optical components is that additional photonic integrated devices can be monolithically integrated into the PIC 4, which is not generally possible with off-chip components.

PIC4は、InP、Si、SOI、SiN、SiO2、SiON、又はGaAsを含む任意の適切な半導体材料系で形成され得る。代替として、PIC4は、ガラス又は重合体で形成され得る。混成集積(hybrid integration)及び異種集積(heterogeneous integration)技法が、材料系のうちの1つよりも多くを使用してPIC4を形成するために使用されることができる。 PIC4 may be formed of any suitable semiconductor material system, including InP, Si, SOI, SiN, SiO2, SiON, or GaAs. Alternatively, PIC4 may be formed of glass or polymer. Hybrid integration and heterogeneous integration techniques can be used to form PIC4 using more than one of the material systems.

PIC4を形成するための材料の選択は、用途特有であり得る。例えば、SiN上にPIC4を形成することは、光損失の低いデバイスを提供することができ、このことから、弱い光信号を用いる用途において使用され得る。更に、Si上にPIC4を形成することは、設置面積が特に小さいデバイスを可能にし得、このことから、小さいデバイスを必要とする用途において使用され得る。更に、SOI又はInP上にPIC4を形成することは、異なる材料プラットフォームを集積する必要なしに、同じチップ上の位相制御素子として熱位相シフタ及び電気光学位相変調器の両方を使用することを可能にし得る。 The choice of material for forming the PIC4 can be application specific. For example, forming the PIC4 on SiN can provide a device with low optical loss, which can be used in applications with weak optical signals. Furthermore, forming the PIC4 on Si can enable a device with a particularly small footprint, which can be used in applications requiring small devices. Furthermore, forming the PIC4 on SOI or InP can enable the use of both thermal phase shifters and electro-optic phase modulators as phase control elements on the same chip, without the need to integrate different material platforms.

例では、ある用途は、送信機2から受信機6に送られた波長分割多重化された光信号の偏光保持を必要とし得る。この目的のために、導波路及び(デ)マルチプレクサの構造は、PIC4が偏光保持する、即ち、PIC4を通して伝播する光信号の偏光が良好に保持されるように設計され得る。この場合、PIC4は、従来のオフチップシステムにおいて一般に存在する偏光分散の問題を克服する。 In an example, an application may require polarization preservation of wavelength division multiplexed optical signals sent from the transmitter 2 to the receiver 6. To this end, the waveguide and (de)multiplexer structure may be designed such that the PIC 4 is polarization preserving, i.e. the polarization of the optical signals propagating through the PIC 4 is well preserved. In this case, the PIC 4 overcomes the problem of polarization dispersion that is commonly present in conventional off-chip systems.

PIC4のフォトニック導波路161~165は、(光及び/又は電子)リソグラフィ、(プラズマ及び/又は化学)エッチング、直接レーザ書き込み、イオン交換、ナノインプリントなどを使用して形成され得る。 The photonic waveguides 16 1 - 16 5 of the PIC 4 may be formed using (optical and/or electronic) lithography, (plasma and/or chemical) etching, direct laser writing, ion exchange, nanoimprinting, and the like.

一般に、PIC4の導波路161~165の波長及び帯域幅並びに異なるフォトニック導波路161~165間の波長間隔の選択は、PIC4が使用されることになる用途の特有の要件に依存する。 In general, the selection of the wavelengths and bandwidths of the waveguides 16 1 - 16 5 of the PIC 4 and the wavelength spacing between the different photonic waveguides 16 1 - 16 5 will depend on the specific requirements of the application in which the PIC 4 will be used.

実施形態では、デマルチプレクサ14及び第2のマルチプレクサ20は、アレイ導波路回折格子(AWG)である。これは、AWGが異なる導波路間の狭い波長間隔と狭い導波路帯域幅と(narrow waveguide bandwidth and narrow wavelength spacing between different waveguides)を可能にするので、高密度波長分割多重化(DWDM)を必要とする用途に特に有利である。 In an embodiment, the demultiplexer 14 and the second multiplexer 20 are arrayed waveguide gratings (AWGs). This is particularly advantageous for applications requiring dense wavelength division multiplexing (DWDM) because AWGs allow for narrow waveguide bandwidth and narrow wavelength spacing between different waveguides.

別の実施形態では、デマルチプレクサ14及び第2のマルチプレクサ20は、角度付きマルチモード干渉計(AMMI)である。これは、AMMIが、典型的には、設計するのがより容易であり、製作公差に対してより敏感でないので、粗波長分割多重化(CWDM)を必要とする用途に特に有利である。 In another embodiment, the demultiplexer 14 and the second multiplexer 20 are angled multimode interferometers (AMMIs). This is particularly advantageous for applications requiring coarse wavelength division multiplexing (CWDM) because AMMIs are typically easier to design and less sensitive to fabrication tolerances.

別の実施形態では、デマルチプレクサ14及び第2のマルチプレクサ20は、分散型波長マルチプレクサである。 In another embodiment, the demultiplexer 14 and the second multiplexer 20 are distributed wavelength multiplexers.

実施形態では、PIC4の位相制御素子は、熱位相シフタである。熱位相シフタは、大きな位相シフト、例えば、いくつかのπの位相シフトを提供することができる。熱位相シフタは、典型的には、電気光学位相変調器よりも、より大きな位相シフトを提供し、より低い光損失を示すことができる。熱位相シフタは、導波路セクション、フィラメント、接触パッド、及び導波路とフィラメントとの間のスペーサとしてのクラッド材を備え得る。位相シフトは、熱光学効果に基づき得、駆動電流をフィラメントに印加することによって実現され得る。 In an embodiment, the phase control element of PIC4 is a thermal phase shifter. Thermal phase shifters can provide a large phase shift, for example a phase shift of several π. Thermal phase shifters can typically provide a larger phase shift and exhibit lower optical loss than electro-optic phase modulators. A thermal phase shifter may comprise a waveguide section, a filament, contact pads, and a cladding material as a spacer between the waveguide and the filament. The phase shift may be based on the thermo-optic effect and may be achieved by applying a drive current to the filament.

別の実施形態では、PIC4の位相制御素子は、電気光学位相変調器である。これは、電気光学位相変調器が、典型的には、高速位相変調器であり、即ち、高速位相制御を可能にすることから、有利である。多くの場合、電気光学位相変調器は、熱位相シフタよりも高速な位相シフトを提供することができる。 In another embodiment, the phase control element of PIC 4 is an electro-optic phase modulator. This is advantageous because electro-optic phase modulators are typically high speed phase modulators, i.e., they allow for high speed phase control. In many cases, electro-optic phase modulators can provide faster phase shifting than thermal phase shifters.

更なる実施形態では、PIC4は、個々の導波路161~165中に熱位相シフタを、マルチプレクサ20の出力に電気光学位相変調器を含む。これは、低速での大きな位相シフトだけでなく高速での小さな位相シフトの提供も可能にするので、有利である。これは、光ファイバによってもたらされ、且つ補償される必要がある位相雑音が高速変動及び低速ドリフトを示す、量子通信における用途に特に有利である。 In a further embodiment, the PIC 4 includes thermal phase shifters in the individual waveguides 16 1 -16 5 and an electro-optic phase modulator at the output of the multiplexer 20. This is advantageous because it allows providing small phase shifts at high speeds as well as large phase shifts at low speeds. This is particularly advantageous for applications in quantum communications, where the phase noise introduced by optical fibers exhibits fast fluctuations and slow drifts that need to be compensated for.

実施形態では、第1~第5の位相制御素子181~185は、熱位相シフタである。別の実施形態では、第1~第5の位相制御素子181~185は、電気光学位相変調器である。 In an embodiment, the first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 are thermal phase shifters, hi another embodiment, the first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 are electro-optic phase modulators.

実施形態では、更なる位相制御素子22は、熱位相シフタである。別の実施形態では、更なる位相制御素子22は、電気光学位相変調器である。 In one embodiment, the further phase control element 22 is a thermal phase shifter. In another embodiment, the further phase control element 22 is an electro-optical phase modulator.

実施形態では、第1~第5の位相制御素子181~185は、熱位相シフタであり、更なる位相制御素子22は、電気光学位相変調器である。 In an embodiment, the first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 are thermal phase shifters and the further phase control element 22 is an electro-optical phase modulator.

実施形態では、PIC4は、光チャネル12から多重化された光信号を受信するために回折格子結合器又はエッジ結合器を含む。 In an embodiment, PIC4 includes a grating coupler or edge coupler to receive the multiplexed optical signal from optical channel 12.

実施形態では、第2~第5の位相制御素子182~185は、熱位相シフタであり、位相制御素子181は、電気光学位相変調器である。 In this embodiment, the second to fifth phase control elements 18 2 to 18 5 are thermal phase shifters, and the phase control element 18 1 is an electro-optical phase modulator.

実施形態では、第1~第5の位相制御素子181~185のうちの少なくとも1つは、熱位相シフタであり、他の第1~第5の位相制御素子181~185のうちの少なくとも1つは、電気光学位相変調器である。例えば、第1及び第2の位相制御素子181及び182は、熱位相シフタであり得、第3~第5の位相制御素子183~185は、電気光学位相変調器であり得る。 In the embodiment, at least one of the first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 is a thermal phase shifter, and at least one of the other first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 is an electro-optic phase modulator. For example, the first and second phase control elements 18 1 and 18 2 may be thermal phase shifters, and the third to fifth phase control elements 18 3 to 18 5 may be electro-optic phase modulators.

実施形態では、PIC4は、多重化された光信号を光チャネル24に提供するために回折格子結合器又はエッジ結合器を含む。 In an embodiment, PIC4 includes a grating coupler or edge coupler to provide the multiplexed optical signal to optical channel 24.

図1に示された実例的なフォトニック集積回路(PIC)4は、5つのフォトニック導波路161~165を有するが、フォトニック集積回路の実施形態は、この例に限定されない。例えば、フォトニック集積回路は、5つよりも多くのフォトニック導波路を有し得る。他の実施形態では、フォトニック集積回路は、少なくとも2つのフォトニック導波路を有し得る。実施形態では、フォトニック集積回路は、2つのフォトニック導波路を有する。 1 has five photonic waveguides 16 1 -16 5 , embodiments of the photonic integrated circuit are not limited to this example. For example, the photonic integrated circuit may have more than five photonic waveguides. In other embodiments, the photonic integrated circuit may have at least two photonic waveguides. In an embodiment, the photonic integrated circuit has two photonic waveguides.

実施形態では、マルチプレクサ20の出力を受信するように構成される代わりに、更なる位相制御素子22は、トランシーバから送信された多重化された光信号を受信することと、位相シフトされた信号をデマルチプレクサ14に送信する前に、位相シフトを受信された多重化された信号に提供することとを行うように構成され得る。 In an embodiment, instead of being configured to receive the output of the multiplexer 20, the further phase control element 22 may be configured to receive the multiplexed optical signals transmitted from the transceiver and to provide a phase shift to the received multiplexed signals before transmitting the phase shifted signals to the demultiplexer 14.

図1に示された実例的なフォトニック集積回路(PIC)4は、送信機2から多重化された光信号を受信し、これらの信号を(適切な位相シフトを提供した後に)受信機6に送信するように構成されるものとして説明されるが、当業者は、フォトニック集積回路(PIC)4が双方向であることを認識するであろう。例えば、受信機6は、図1に示された光学システム1を用いて、多重化された光信号を提供し、それらをPIC4を介して送信機2に送ることができる。 Although the illustrative photonic integrated circuit (PIC) 4 shown in FIG. 1 is described as being configured to receive multiplexed optical signals from the transmitter 2 and transmit those signals (after providing an appropriate phase shift) to the receiver 6, those skilled in the art will recognize that the photonic integrated circuit (PIC) 4 is bidirectional. For example, the receiver 6 can use the optical system 1 shown in FIG. 1 to provide multiplexed optical signals and send them to the transmitter 2 via the PIC 4.

実施形態では、PIC4は、SOIプラットフォーム上に形成され得る。フォトニック導波路、(デ)マルチプレクサ、及び光信号を受信又は提供するための任意のポートは、共に形成され得る。この目的のために、パターンがフォトリソグラフィ及び/又はEビームリソグラフィによって規定され得、対応する構造が、プラズマドライエッチング方法によって形成され得る。例えば、誘導結合プラズマ(ICP)反応性イオンエッチング(RIE)及び深掘りRIE(DRIE)などのRIE方法が、構造を形成するために使用され得る。 In an embodiment, the PIC 4 may be formed on an SOI platform. The photonic waveguide, the (de)multiplexer and any ports for receiving or providing optical signals may be formed together. For this purpose, patterns may be defined by photolithography and/or E-beam lithography and corresponding structures may be formed by plasma dry etching methods. For example, RIE methods such as inductively coupled plasma (ICP) reactive ion etching (RIE) and deep RIE (DRIE) may be used to form the structures.

熱位相シフタは、フィラメントを形成し、フォトニック導波路とフィラメントとの間のスペーサとしてのクラッド材、金属線、及び金属接触パッドを提供することによって、導波路中に含まれ得る。クラッド材は、SiO2又はSiNであり得、それらは、(PE)CVDを使用して堆積され得る。フィラメントは、TiNであり得、それは、スパッタリングシステムを使用して堆積されることができる。当業者は、フィラメントが広範囲の材料で形成され得ることを理解するであろう。金属線及び接触パッドは、Auであり得、それは、蒸着器を使用して堆積されることができる。Auとクラッドとの間の更なる層は、シード層として機能するように含まれ得る。更なる層は、Cr/Ti/Niで形成され得る。 The thermal phase shifter can be included in the waveguide by forming a filament and providing a cladding material as a spacer between the photonic waveguide and the filament, a metal line, and a metal contact pad. The cladding material can be SiO2 or SiN, which can be deposited using (PE)CVD. The filament can be TiN, which can be deposited using a sputtering system. Those skilled in the art will appreciate that the filament can be formed of a wide range of materials. The metal line and contact pad can be Au, which can be deposited using an evaporator. An additional layer between the Au and the cladding can be included to act as a seed layer. The additional layer can be formed of Cr/Ti/Ni.

電気光学位相変調器は、内蔵PN接合を導波路中に組み込むことによって、及び金属トラック及びビアを形成して金属トラックとPN接合とを接続することによって、フォトニック導波路中に含まれ得る。金属トラック及び導波路は、SiO2又はSiNなどのクラッド材を使用して離間され得る。PN接合は、イオン注入を使用して形成され得る。金属トラック、ビア、及び接触パッドは、RF信号を搬送するように構成された異なる金属のスタックであり得る。金属トラック、ビア、及び接触パッドは、スパッタリングシステム及び/又は蒸着システムを使用して形成され得る。 An electro-optic phase modulator can be included in a photonic waveguide by incorporating a built-in PN junction into the waveguide and by forming metal tracks and vias to connect the metal tracks and the PN junction. The metal tracks and the waveguide can be spaced using a cladding material such as SiO2 or SiN. The PN junction can be formed using ion implantation. The metal tracks, vias, and contact pads can be a stack of different metals configured to carry an RF signal. The metal tracks, vias, and contact pads can be formed using a sputtering system and/or a deposition system.

当業者は、例えば、他の既知のマイクロ/ナノ製作方法を使用する様々な変更が、本発明の範囲から逸脱することなしに、上記で説明された実施形態に対して行われ得ることを認識するであろう。 Those skilled in the art will recognize that various modifications, for example using other known micro/nano fabrication methods, may be made to the embodiments described above without departing from the scope of the present invention.

図1に例示された光学システム1の動作中に、送信機2は、第1~第5の入力信号を第1~第5の入力チャネル81~85において第1のマルチプレクサ10に提供することによって、多重化された光信号を用意する。第1のマルチプレクサ10は、例えば、第1~第5の入力信号を光チャネル12上に多重化するために波長分割多重化を実行する。 1, the transmitter 2 prepares a multiplexed optical signal by providing first through fifth input signals in first through fifth input channels 8 1 through 8 5 to a first multiplexer 10. The first multiplexer 10 may, for example, perform wavelength division multiplexing to multiplex the first through fifth input signals onto optical channel 12.

PIC4は、光チャネル12を通してトランシーバ2から送信された多重化された光信号を受信することと、位相シフトされた信号を受信機6に送信する前に、制御された位相シフトを第1~第5の入力信号に提供することとを行う。デマルチプレクサ14は、例えば、第1~第5の入力信号を抽出するために、トランシーバ2から送信された受信された多重化された光信号を逆多重化することと、第1~第5の入力信号を第1~第5の導波路161~165にそれぞれ提供することとを行う。第1~第5の位相制御素子181~185は、第1~第5の位相シフトを導波路161~165中に伝播する逆多重化された光信号にそれぞれ提供する。このことから、第1~第5の位相制御素子181~185は、第1~第5の位相シフトされた信号を作り出す。 The PIC 4 receives the multiplexed optical signals transmitted from the transceivers 2 through the optical channel 12 and provides a controlled phase shift to the first through fifth input signals before transmitting the phase shifted signals to the receiver 6. The demultiplexer 14 demultiplexes the received multiplexed optical signals transmitted from the transceivers 2, for example, to extract the first through fifth input signals and provides the first through fifth input signals to the first through fifth waveguides 16 1 through 16 5 , respectively. The first through fifth phase control elements 18 1 through 18 5 provide first through fifth phase shifts to the demultiplexed optical signals propagating in the waveguides 16 1 through 16 5 , respectively. From this, the first through fifth phase control elements 18 1 through 18 5 produce the first through fifth phase shifted signals.

第2のマルチプレクサ20は、例えば、位相制御素子181~185から受信された信号を多重化するために波長分割多重化を実行し、多重化された出力を更なる位相制御素子22に提供する。更なる位相制御素子22は、第2のマルチプレクサ20の出力を受信し、更なる位相シフトを受信された信号に提供する。更なる位相制御素子22は、位相シフトされた信号を、光チャネル24に接続されたPIC4の出力ポートに出力する。 The second multiplexer 20 may, for example, perform wavelength division multiplexing to multiplex the signals received from the phase control elements 18 1 -18 5 and provide the multiplexed output to a further phase control element 22. The further phase control element 22 receives the output of the second multiplexer 20 and provides a further phase shift to the received signals. The further phase control element 22 outputs the phase shifted signal to an output port of the PIC 4 which is connected to an optical channel 24.

受信機6は、光チャネル24を通してPIC4によって送信された位相シフトされた多重化された光信号を受信する。第2のデマルチプレクサ26は、例えば、第1~第5の入力信号を抽出するために、受信された位相シフトされた多重化された光信号を逆多重化することと、第1~第5の入力信号を第1~第5の出力チャネル281~285にそれぞれ提供することとを行う。 The receiver 6 receives the phase-shifted multiplexed optical signals transmitted by the PIC 4 through the optical channel 24. The second demultiplexer 26 demultiplexes the received phase-shifted multiplexed optical signals, for example to extract first through fifth input signals, and provides the first through fifth input signals to first through fifth output channels 28 1 through 28 5 , respectively.

光チャネル12、24によってもたらされる位相雑音は、第1~第5の位相制御素子181~185と、それに応じて更なる位相制御素子とを制御することによって補償され、即ち補正される。 The phase noise introduced by the optical channels 12, 24 is compensated for, ie corrected, by controlling the first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 and the further phase control elements accordingly.

実例的な用途における動作中に、受信機6は、第1~第5の出力チャネル281~285に提供された光信号の各々の光位相を決定する。受信機は、位相を決定するために干渉計を使用し得る。次いで、5つの出力チャネル281~285の各々について、受信機は、決定された位相とそれぞれの所定の位相との間の差を決定し、提供された位相シフトが対応する出力チャネルに提供される光信号の位相と所定の位相との間の差を低減するように、対応する位相制御素子、即ち、位相制御素子181~185のうちの1つを制御する。この例では、多重化された信号中に含まれる各信号の位相は、正確に制御され、補正されることができる。 During operation in an illustrative application, the receiver 6 determines the optical phase of each of the optical signals provided to the first through fifth output channels 28 1 -28 5. The receiver may use an interferometer to determine the phase. Then, for each of the five output channels 28 1 -28 5 , the receiver determines the difference between the determined phase and a respective predetermined phase and controls a corresponding phase control element, i.e., one of the phase control elements 18 1 -18 5, such that the provided phase shift reduces the difference between the phase of the optical signal provided to the corresponding output channel and the predetermined phase. In this example, the phase of each signal included in the multiplexed signal can be precisely controlled and corrected.

更なる例では、第1~第5の入力信号のうちの1つ、例えば第1の入力信号は、全ての入力信号の位相を補正するための基準信号として使用される。この例では、受信機6は、第1の出力チャネル281に提供された光信号の光位相を決定する。受信機は、位相を決定するために干渉計を使用し得る。次いで、受信機6は、決定された位相とそれぞれの所定の位相との間の差を決定し、提供された位相シフトが第1の出力チャネル281に提供される光信号の位相と所定の位相との間の差を低減するように、更なる位相制御素子22を制御する。更なる位相制御素子22は、位相シフトをマルチプレクサ20から受信された多重化された信号に提供するので、この多重化された信号中に含まれる光信号の各々は、位相シフトされる。この例では、第2~第5の出力チャネル282~285に提供される信号の位相は、第1の出力チャネル281に提供される光信号の位相に基づいて補正される。これは、基準信号が強い光信号であり、第2~第5の入力信号が弱い光信号である、例えば、単一光子のレベルである用途において特に有利である。 In a further example, one of the first to fifth input signals, for example the first input signal, is used as a reference signal for correcting the phase of all input signals. In this example, the receiver 6 determines the optical phase of the optical signal provided to the first output channel 28 1. The receiver may use an interferometer to determine the phase. The receiver 6 then determines the difference between the determined phase and the respective predetermined phase and controls the further phase control element 22 such that the provided phase shift reduces the difference between the phase of the optical signal provided to the first output channel 28 1 and the predetermined phase. The further phase control element 22 provides a phase shift to the multiplexed signal received from the multiplexer 20, so that each of the optical signals contained in this multiplexed signal is phase shifted. In this example, the phase of the signal provided to the second to fifth output channels 28 2 to 28 5 is corrected based on the phase of the optical signal provided to the first output channel 28 1. This is particularly advantageous in applications where the reference signal is a strong optical signal and the second to fifth input signals are weak optical signals, for example at the level of a single photon.

更なる位相制御素子22は、光信号の波長に依存する位相シフトを提供し得る。これは、上記で説明されたように、1つの入力信号が基準信号として使用されると、更なる位相制御素子22は全ての入力信号の位相を正確に補正することが可能でない場合があることを意味する。この場合、更なる位相制御素子22の波長依存性は、一般に知られており、位相制御素子181~185によって提供される追加の位相シフトは、第1~第5の出力チャネル281~285に提供される全ての信号が正確に補償されるように位相補償を更に改善することができる。 The further phase control element 22 may provide a phase shift that depends on the wavelength of the optical signal. This means that, as explained above, if one input signal is used as a reference signal, the further phase control element 22 may not be able to accurately correct the phase of all input signals. In this case, the wavelength dependence of the further phase control element 22 is generally known, and the additional phase shift provided by the phase control elements 18 1 to 18 5 can further improve the phase compensation so that all signals provided to the first to fifth output channels 28 1 to 28 5 are accurately compensated.

第1~第5の位相制御素子181~185が熱位相シフタであり、更なる位相制御素子22が電気光学位相変調器である更なる実例的な用途では、受信機6は、上記で説明されたように、出力チャネル281~285における信号の各々の位相又は基準信号の位相のみのうちのいずれかを決定し、高速位相変動に対する補償を提供するように更なる位相制御素子22を制御し、低速位相ドリフトに対する補償を提供するように位相制御素子181~185を制御する。この場合、更なる位相制御素子22は、高周波数で、例えば、100kHzよりも高速度で位相補正を提供し得る。位相制御素子181~185は、低周波数で、例えば、100kHzよりも低速度で位相補正を提供し得る。 In a further illustrative application in which the first to fifth phase control elements 18 1 -18 5 are thermal phase shifters and the further phase control element 22 is an electro-optic phase modulator, the receiver 6 determines either the phase of each of the signals in the output channels 28 1 -28 5 or the phase of the reference signal only, as described above, and controls the further phase control element 22 to provide compensation for fast phase variations and controls the phase control elements 18 1 -18 5 to provide compensation for slow phase drift. In this case, the further phase control element 22 may provide phase correction at high frequencies, e.g., faster than 100 kHz. The phase control elements 18 1 -18 5 may provide phase correction at low frequencies, e.g., slower than 100 kHz.

更なる実例的な用途では、入力信号のうちの1つ、例えば第1の入力信号が他の4つの入力信号よりも高速の位相雑音によってより影響を受けることが知られているとき、PIC4は、第2~第5の位相制御素子182~185として熱位相シフタを、及び第1の位相制御素子181として電気光学位相変調器を備え得る。これは、低速位相ドリフトによって主に影響を受ける信号についての低光損失を伴う熱位相シフタを使用しながらの、高速雑音によって影響を受ける第1の入力信号についての高速フィードバックを可能にする。 In a further illustrative application, when one of the input signals, for example the first input signal, is known to be more affected by fast phase noise than the other four input signals, the PIC 4 may comprise thermal phase shifters as the second to fifth phase control elements 18 2 to 18 5 , and an electro-optic phase modulator as the first phase control element 18 1. This allows fast feedback for the first input signal affected by fast noise while using the thermal phase shifters with low optical loss for the signal affected mainly by slow phase drift.

上記で説明されたように、1つの入力信号が基準信号として使用される更なる実例的な用途では、基準信号は、送信機2の代わりに受信機6によって提供され得る。この場合、基準信号は、送信機2によって多重化され、且つ送られる光入力信号とは反対の方向に伝播する。これは、共に伝播する信号間のクロストーク及び干渉が低減されるので有利である。 In a further illustrative application in which one input signal is used as the reference signal, as described above, the reference signal may be provided by receiver 6 instead of transmitter 2. In this case, the reference signal propagates in the opposite direction to the optical input signal multiplexed and sent by transmitter 2. This is advantageous because crosstalk and interference between the co-propagating signals is reduced.

前述の例は、PIC4が様々な用途についての多重化された信号の位相制御を可能にすることを例示する。 The above examples illustrate that PIC4 enables phase control of multiplexed signals for a variety of applications.

図2は、図1の光学システムの変形形態を示す。光学システム50は、マッハツェンダー干渉計の2つのアーム間の光位相差を安定化させるためにPIC4を使用するシステムの例である。 Figure 2 shows a variation of the optical system of Figure 1. Optical system 50 is an example of a system that uses a PIC 4 to stabilize the optical phase difference between the two arms of a Mach-Zehnder interferometer.

送信機2は、図1を参照して説明されたように、多重化された光信号を提供するように構成される。図1に示された光学システム1とは対照的に、光学システム50中の送信機2は、多重化された信号をPIC4に直接送らないが、マッハツェンダー干渉計の第1の入力ポート中に送る。 Transmitter 2 is configured to provide a multiplexed optical signal as described with reference to FIG. 1. In contrast to optical system 1 shown in FIG. 1, transmitter 2 in optical system 50 does not send the multiplexed signal directly to PIC 4, but into a first input port of the Mach-Zehnder interferometer.

マッハツェンダー干渉計は、第1及び第2の光ビームスプリッタ52、56によって形成される。マッハツェンダー干渉計の第1のアームは、第1のビームスプリッタ52の第1の出力を第2のビームスプリッタ56の第1の入力と接続する光チャネル54によって形成される。マッハツェンダー干渉計の第2のアームは、光チャネル58、PIC4、及び光チャネル60によって形成される。光チャネル58は、第1のビームスプリッタ52の第2の出力とPIC4の入力ポートとを接続する。光チャネル60は、PIC4の出力ポートを第2のビームスプリッタ56の第2の入力ポートに接続する。 The Mach-Zehnder interferometer is formed by the first and second optical beam splitters 52, 56. The first arm of the Mach-Zehnder interferometer is formed by the optical channel 54 connecting a first output of the first beam splitter 52 with a first input of the second beam splitter 56. The second arm of the Mach-Zehnder interferometer is formed by the optical channel 58, the PIC4, and the optical channel 60. The optical channel 58 connects a second output of the first beam splitter 52 with an input port of the PIC4. The optical channel 60 connects an output port of the PIC4 with a second input port of the second beam splitter 56.

実施形態では、マッハツェンダー干渉計の第1のアームの全体的な光路長は、第2のアームの全体的な光路長と実質的に同じである。言い換えれば、2つのアームは、対称マッハツェンダー干渉計を形成する。代替として、マッハツェンダー干渉計の第1のアームの全体的な光路長は、第2のアームの全体的な光路長とは異なる。この場合、2つのアームは、非対称マッハツェンダー干渉計を形成する。 In an embodiment, the overall optical path length of the first arm of the Mach-Zehnder interferometer is substantially the same as the overall optical path length of the second arm. In other words, the two arms form a symmetric Mach-Zehnder interferometer. Alternatively, the overall optical path length of the first arm of the Mach-Zehnder interferometer is different from the overall optical path length of the second arm. In this case, the two arms form an asymmetric Mach-Zehnder interferometer.

第2のビームスプリッタ56の第1の出力は、図1を参照して説明された受信機6に接続される。 The first output of the second beam splitter 56 is connected to the receiver 6 described with reference to FIG. 1.

光学システム50の動作中に、送信機2は、多重化された信号をマッハツェンダー干渉計に送る。受信機6は、第1~第5の出力チャネル281~285のうちの任意のものでの光パワーレベルを決定し得、検出されたパワーレベルから、第1のアームと第2のアームとの間の光路長差が変化したと決定し得る。それに応答して、光路長差の変化が補正されるように、フィードバック信号が、第1~第5の位相制御素子181~185及び更なる位相制御素子22を制御させ得る。用途に応じて、フィードバック信号は、光路長差が多重化された信号中の全ての光信号に対して補正されたものであり得る。代替として、フィードバック信号は、そのパワーが決定される信号の光路長差のみが補正されたものであり得る。 During operation of the optical system 50, the transmitter 2 sends the multiplexed signal to the Mach-Zehnder interferometer. The receiver 6 may determine the optical power level in any of the first to fifth output channels 28 1 to 28 5 and may determine from the detected power level that the optical path length difference between the first arm and the second arm has changed. In response, a feedback signal may control the first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 and the further phase control element 22 such that the change in the optical path length difference is corrected. Depending on the application, the feedback signal may be one in which the optical path length difference is corrected for all optical signals in the multiplexed signal. Alternatively, the feedback signal may be one in which the optical path length difference is corrected only for the signal whose power is to be determined.

図3は、図1の光学システムの更なる変形形態を示す。光学システム70は、光リングの光路長を安定化させるためにPIC4を使用する光リングシステムの例である。 Figure 3 shows a further variation of the optical system of Figure 1. Optical system 70 is an example of an optical ring system that uses a PIC 4 to stabilize the optical path length of the optical ring.

送信機2は、図1を参照して説明されたように、多重化された光信号を提供するように構成される。図2に示した光学システム50にあるように、送信機2は、多重化された信号をビームスプリッタ52の第1の入力ポートに送る。図3に示すように、第1のビームスプリッタ52の第1及び第2の出力ポートは、光チャネル72、74及びPIC4を介して互いに接続される。ビームスプリッタの第2の出力ポートは、図2を参照して説明されたように、受信機6に接続される。 The transmitter 2 is configured to provide a multiplexed optical signal as described with reference to FIG. 1. As in the optical system 50 shown in FIG. 2, the transmitter 2 sends the multiplexed signal to a first input port of a beam splitter 52. As shown in FIG. 3, the first and second output ports of the first beam splitter 52 are connected to each other via optical channels 72, 74 and a PIC 4. The second output port of the beam splitter is connected to a receiver 6 as described with reference to FIG. 2.

光学システム70の動作中に、送信機2は、多重化された信号をビームスプリッタ52の第1の入力ポートに送る。ビームスプリッタ52は、99対1の透過対反射を有するように構成され得る。次いで、多重化された信号は、光リング、即ち、第1のビームスプリッタ52、光チャネル72、74、及びPIC4によって形成されたビーム経路の内側を循環する。第1のビームスプリッタにおける循環する光信号の干渉により、第1又は第2の入力ポートを介してリングを出る光信号の相対強度は、リングの光路長に依存する。従って、第1~第5の位相制御素子181~185及び更なる位相制御素子22によって提供された位相シフトを制御することによって、光信号の出口ポートを制御することが可能である。ビームスプリッタ52の第2の入力ポートを介してリングを出る光信号は、受信機6によって受信され、逆多重化される。 During operation of the optical system 70, the transmitter 2 sends the multiplexed signal to the first input port of the beam splitter 52. The beam splitter 52 may be configured to have a 99 to 1 transmission to reflection ratio. The multiplexed signal then circulates inside the optical ring, i.e. the beam path formed by the first beam splitter 52, the optical channels 72, 74 and the PIC 4. Due to the interference of the circulating optical signals in the first beam splitter, the relative strength of the optical signals leaving the ring via the first or second input port depends on the optical path length of the ring. Thus, by controlling the phase shift provided by the first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 and the further phase control element 22, it is possible to control the exit port of the optical signal. The optical signals leaving the ring via the second input port of the beam splitter 52 are received and demultiplexed by the receiver 6.

実例的な用途では、ビームスプリッタ52の第1又は第2の入力ポートのうちのいずれかから出る光信号の光パワーレベルが決定され得、フィードバック信号が第1~第5の位相制御素子181~185及び更なる位相制御素子22に印加されるときにリングの光路長における雑音が補正されるように、検出されたパワーに基づいてフィードバック信号が生成され得る。 In an exemplary application, the optical power level of the optical signal exiting either the first or second input ports of the beam splitter 52 may be determined and a feedback signal may be generated based on the detected power such that noise in the optical path length of the ring is corrected when the feedback signal is applied to the first to fifth phase control elements 18 1 to 18 5 and the further phase control element 22.

実施形態では、図3の光学システム70は、光ジャイロスコープの一部である。 In an embodiment, the optical system 70 of FIG. 3 is part of an optical gyroscope.

別の実施形態では、図3の光学システム70の光チャネル72は、循環する光信号のうちの少なくとも1つの強度を増大させるように構成された光利得媒体を備える。例えば、この場合、光学システム70は、ファイバレーザシステムの一部であり得る。 In another embodiment, the optical channel 72 of the optical system 70 of FIG. 3 includes an optical gain medium configured to increase the intensity of at least one of the circulating optical signals. For example, in this case, the optical system 70 may be part of a fiber laser system.

図4は、実例的な光学システムの概略図である。図4は、通信チャネル33によって受信機32に接続された送信機30を示す。 Figure 4 is a schematic diagram of an illustrative optical system. Figure 4 shows a transmitter 30 connected to a receiver 32 by a communication channel 33.

この実施形態では、送信機30は、単一の波長λ1の光信号を符号化器35に放出する光源34を備える。この実施形態では、光源34は、送信機30内に設けられる。しかしながら、光源34は、送信機30の外側に設けられ得、導管が、光源34から符号化器35に光を導くために送信機内に設けられ得る。しかしながら、符号化器は、単一の波長λ1を有する第1の情報信号を作り出すために、位相変動変調を光源34からの信号に提供する。 In this embodiment, the transmitter 30 comprises a light source 34 that emits an optical signal of a single wavelength λ 1 to an encoder 35. In this embodiment, the light source 34 is provided within the transmitter 30. However, the light source 34 could be provided external to the transmitter 30 and a conduit provided within the transmitter to direct light from the light source 34 to the encoder 35. However, the encoder provides a phase-variation modulation to the signal from the light source 34 to produce a first information signal having a single wavelength λ 1 .

送信機はまた、単一の波長λREFの光信号、即ち第1の基準信号を放出する第2の光源37を備える。λ1及びλREFは、互いに異なる。しかしながら、実施形態では、それらは、波長が類似しているであろう。 The transmitter also comprises a second light source 37 emitting an optical signal of a single wavelength λ REF , i.e. the first reference signal. λ 1 and λ REF are different from each other, however in an embodiment they will be of similar wavelength.

第1の情報信号及び第1の基準信号は、次いで、第1の多重化された信号を作り出すために波長分割マルチプレクサ39によって共に多重化される。第1の多重化された信号は、次いで、通信チャネル33に出力され、通信チャネル33は、第1の多重化された信号を受信機32に搬送する。 The first information signal and the first reference signal are then multiplexed together by wavelength division multiplexer 39 to produce a first multiplexed signal. The first multiplexed signal is then output to communication channel 33, which carries the first multiplexed signal to receiver 32.

受信機32は、フォトニック集積回路(PIC)4’及び波長分割デマルチプレクサ36を備える。PIC4’は、図1を参照して説明されたPIC4と同一であるが、PIC4’は、第1及び第2の位相制御素子181、182を備える第1及び第2のフォトニック導波路161、162のみを含む。図1を参照して説明されたPIC4のように、PIC4’は、位相補正が、i)第1及び第2の位相制御素子181、182を介して、多重化された信号中に含まれた信号に個々に、及びii)更なる位相制御素子22を介して、多重化された信号中に含まれる全ての信号に集合的に、適用されることを可能にする。PIC4’は、第1の多重化された信号を受信し、デマルチプレクサ14は、それらを逆多重化して、第1の基準信号を第1のフォトニック導波路161に、及び第1の情報信号を第2のフォトニック導波路162に提供する。第1及び第2の位相制御素子181、182は、マルチプレクサ20が第1の基準信号及び第1の情報信号を多重化し、それらを更なる位相制御素子22に提供する前に、位相シフトをこれらの信号にそれぞれ提供する。更なる位相制御素子22は、更なる位相シフトを多重化された信号に提供し、位相シフトされた第1の多重化された信号を波長分割デマルチプレクサ36に送信する。 The receiver 32 comprises a photonic integrated circuit (PIC) 4' and a wavelength division demultiplexer 36. The PIC 4' is identical to the PIC 4 described with reference to Fig. 1, but the PIC 4' comprises only the first and second photonic waveguides 161 , 162 with the first and second phase control elements 181 , 182. Like the PIC 4 described with reference to Fig. 1, the PIC 4' allows phase corrections to be applied i) individually to the signals contained in the multiplexed signal via the first and second phase control elements 181 , 182 , and ii) collectively to all signals contained in the multiplexed signal via the further phase control element 22. The PIC 4' receives the first multiplexed signals and the demultiplexer 14 demultiplexes them to provide a first reference signal to the first photonic waveguide 161 and a first information signal to the second photonic waveguide 162 . The first and second phase control elements 18 1 , 18 2 provide a phase shift to the first reference signal and the first information signal, respectively, before the multiplexer 20 multiplexes these signals and provides them to the further phase control element 22. The further phase control element 22 provides a further phase shift to the multiplexed signal and transmits the phase shifted first multiplexed signal to the wavelength division demultiplexer 36.

波長分割デマルチプレクサ36は、位相シフトされた第1の多重化された信号を受信し、それらを逆多重化して、第1の情報信号及び第1の基準信号を復元する。復元された第1の情報信号は、次いで、復号器38に向けられ、復号器38は、第1の情報信号から位相情報を復号する。復元された第1の基準信号は、次いで、位相コントローラ40に向けられる。 The wavelength division demultiplexer 36 receives the phase-shifted first multiplexed signals and demultiplexes them to recover the first information signal and the first reference signal. The recovered first information signal is then directed to the decoder 38, which decodes the phase information from the first information signal. The recovered first reference signal is then directed to the phase controller 40.

第1の情報信号によって搬送される情報は、位相で符号化される。情報信号が送信機30から受信機32に渡されると、位相雑音が生じるであろう。このことから、復号器38において位相を復号することが望ましい場合、位相ドリフトに対して補正が行われる必要がある。 The information carried by the first information signal is encoded in phase. When the information signal is passed from the transmitter 30 to the receiver 32, phase noise will be introduced. For this reason, if it is desired to decode the phase in the decoder 38, correction must be made for phase drift.

これは、例えば、第1の基準信号によって経験された位相ドリフトを決定するために位相コントローラ40を介して第1の基準信号を処理することによって達成される。位相コントローラ40は、次いで、位相雑音が補正されるように、第1及び第2の位相制御素子181及び182と更なる位相制御素子22とが協働して位相シフトを第1の情報信号及び第1の基準信号に提供するように、フィードバックをPIC4’に提供するために使用される。 This is achieved, for example, by processing the first reference signal via a phase controller 40 to determine the phase drift experienced by the first reference signal. The phase controller 40 is then used to provide feedback to the PIC 4' such that the first and second phase control elements 181 and 182 and the further phase control element 22 cooperate to provide a phase shift to the first information signal and the first reference signal such that the phase noise is corrected.

量子通信ネットワークなどのいくつかの通信ネットワークでは、第1の情報信号の強度を非常に低く保つことが必要である。また、ネットワークのセキュリティを保つために、第1の情報信号を増幅し、且つ、位相ドリフトを補正するためにこれを使用することは不可能である。 In some communication networks, such as quantum communication networks, it is necessary to keep the strength of the first information signal very low, and to maintain the security of the network, it is not possible to amplify the first information signal and use it to correct phase drift.

ツインフィールド量子鍵配送「TF-QKD」システムに適用された図4の配置の特定の例が、ここで図5を参照して説明される。 A specific example of the arrangement of FIG. 4 applied to a Twin Field Quantum Key Distribution (TF-QKD) system will now be described with reference to FIG. 5.

図5は、アリスとボブが光パルスの位相に情報を各々符号化し、位相雑音低減が適用されるTF-QKDスキームを示す。 Figure 5 shows a TF-QKD scheme in which Alice and Bob each encode information in the phase of the optical pulses and phase noise reduction is applied.

図5では、「WDM」という表現は、波長分割多重化及び逆多重化を指すために使用される。 In Figure 5, the term "WDM" is used to refer to wavelength division multiplexing and demultiplexing.

アリス82とボブ84は、局所連続波(CW)レーザLS1を使用して、図に実線(-)によって示された、波長λ1の光を生成する。アリスのLS1 86は、位相基準として機能する。その光は、ビームスプリッタBS88において2つに分離される。一方の部分は、一点鎖線(-・-)によって図示されたサービスファイバ90を通してボブ84に送られ、ヘテロダイン光位相ロックループ(OPLL)を介してボブのLS1 92をロックするために使用される。 Alice 82 and Bob 84 use a local continuous wave (CW) laser LS1 to generate light of wavelength λ 1 , shown in the diagram by a solid line (-). Alice's LS1 86 serves as a phase reference. The light is split into two at beam splitter BS 88. One part is sent to Bob 84 through a service fiber 90, shown by a dashed-dotted line (- -), and is used to lock Bob's LS1 92 via a heterodyne optical phase-locked loop (OPLL).

アリス82とボブ84は両方とも、彼らのLS1から符号化器94に光のうちのいくらかを送る。符号化器94は、位相及び強度変調を実行し、位相符号化されたパルスを出力して、異なるTF-QKDプロトコルが実行されることを可能にする。 Both Alice 82 and Bob 84 send some of the light from their LS1 to an encoder 94. The encoder 94 performs phase and intensity modulation and outputs phase-encoded pulses, allowing different TF-QKD protocols to be implemented.

アリス82は、明基準信号λREFを生成する第2のレーザLS2を更に備える。λREFの波長のLS2からの光(図に点線(・・)によって示される)は、ビームスプリッタに向けられ、そこで、2つの部分に分割される。明基準の一部は、マルチプレクサに向けられ、そこで、λ1の波長のLS1からのパルスと多重化される。図に二点鎖線(-・・-)によって示された多重化された光は、次いで、光チャネル(量子チャネルとも呼ばれる)を介してチャーリー98に送られる。明基準の他方の部分は、ビームスプリッタ88から、それをLS1からの光と組み合わせるマルチプレクサに向けられる。LS1及びLS2からの多重化された光は、サービスファイバ90を介してボブに向けられる。 Alice 82 further comprises a second laser LS2 which generates a bright reference signal λ REF . Light from LS2 at a wavelength of λ REF (indicated in the diagram by a dotted line (...)) is directed to a beam splitter where it is split into two parts. One part of the bright reference is directed to a multiplexer where it is multiplexed with pulses from LS1 at a wavelength of λ 1. The multiplexed light, indicated in the diagram by a dashed-dotted line (-...-), is then sent to Charlie 98 via an optical channel (also called a quantum channel). The other part of the bright reference is directed from beam splitter 88 to a multiplexer which combines it with the light from LS1. The multiplexed light from LS1 and LS2 is directed to Bob via a service fiber 90.

ボブ84において、サービスファイバ90からの光は、デマルチプレクサに向けられ、そこで、λ1におけるLS1からの光は、λREFにおける明基準から分離される。アリスからのλ1における光は、OPLLに向けられ、OPLLは、ボブのLS1をアリスのLS1にロックする。λREFにおける明基準光は、別のマルチプレクサに向けられ、そこで、ボブの符号化器94からのパルスと多重化され、次いで、量子チャネルを介してチャーリーに送られる。 At Bob 84, light from service fiber 90 is directed to a demultiplexer where light from LS1 at λ 1 is separated from the bright reference at λ REF . Light at λ 1 from Alice is directed to an OPLL, which locks Bob's LS1 to Alice's LS1. The bright reference light at λ REF is directed to another multiplexer where it is multiplexed with pulses from Bob's encoder 94 and then sent over the quantum channel to Charlie.

チャーリー98において、ボブから受信された光は、ビームスプリッタ100に送られる。 At Charlie 98, the light received from Bob is sent to beam splitter 100.

チャーリー98において、アリスから受信された光は、PIC4’を通過される。PIC4’は、図4を参照して上記で説明された。デマルチプレクサ14は、明基準信号から量子信号を分離する。明基準信号は、位相制御素子181を備える導波路を通過され、その一方で、量子信号は、位相制御素子182を備える導波路を通過され、位相制御素子182は、量子信号の位相を調整し得る。位相制御素子182は、以下に説明される低速フィードバックシステムを実施する。 At Charlie 98, the light received from Alice is passed through PIC 4', which was described above with reference to FIG. 4. Demultiplexer 14 separates the quantum signal from the bright reference signal. The bright reference signal is passed through a waveguide that includes phase control element 18 1 , while the quantum signal is passed through a waveguide that includes phase control element 18 2 , which may adjust the phase of the quantum signal. Phase control element 18 2 implements a slow feedback system , which is described below.

量子信号は、次いで、マルチプレクサ20中で基準信号と再び組み合わされ、更なる位相制御素子22を通過され、次いで、ビームスプリッタ100に向けられる。更なる位相制御素子22は、量子信号及び明基準信号の両方に作用し、信号の位相を調整し得る。更なる位相制御素子22は、説明される高速フィードバックシステムを実施する。 The quantum signal is then recombined with the reference signal in multiplexer 20, passed through further phase control element 22, and then directed to beam splitter 100. Further phase control element 22 may act on both the quantum signal and the bright reference signal to adjust the phase of the signals. Further phase control element 22 implements the fast feedback system described.

ビームスプリッタ100において、アリスとボブからの光は干渉する。干渉の出力は、2つのデマルチプレクサに向けられ、そこで、(λ1における)量子信号の干渉結果は、(λREFにおける)基準信号の干渉結果から分離される。1つのデマルチプレクサにおいて、λ1における干渉結果は、検出器D0によって監視され、λREFにおける干渉結果は、検出器D2によって監視される。D2の出力は、高速フィードバックを実施するために更なる位相制御素子22に向けられる。D0は、チャーリーの出力を提供する。別のデマルチプレクサにおいて、λ1における干渉結果は分離され、次いで、監視のために検出器D1に向けられる。D1の出力は、低速フィードバックを実施するために位相制御素子182に向けられる。 At the beam splitter 100, the light from Alice and Bob interfere. The interference output is directed to two demultiplexers where the interference result of the quantum signal (at λ 1 ) is separated from the interference result of the reference signal (at λ REF ). In one demultiplexer, the interference result at λ 1 is monitored by detector D0 and the interference result at λ REF is monitored by detector D2. The output of D2 is directed to a further phase control element 22 to implement fast feedback. D0 provides Charlie's output. In the other demultiplexer, the interference result at λ 1 is separated and then directed to detector D1 for monitoring. The output of D1 is directed to phase control element 18 2 to implement slow feedback.

検出器D0における出力は、TF-QKDスキームに従ってチャーリーによって出力され得る。ツインフィールドQKD(TF-QKD)スキームでは、情報は、光子の電磁位相において符号化される。アリスとボブが鍵を交換することが望ましい。アリス82とボブ84は、信頼された量子受信機98に送信する。TF-QKDは、ボブによって所有される測定デバイスのセキュリティが疑わしくあり得る状況のために開発されてきた。TF-QKDでは、ユーザボブ84は、他のユーザアリス807と同様に、光送信機として構成される。2つの光送信機アリス82とボブ84は、通常「チャーリー」と呼ばれる中継局に光パルスを送り、中継局は、光パルスを光学的に結合し、測定する。アリスとボブは、チャーリーのカウントの公表された結果から秘密鍵を抽出する(distil)ことができる。TF-QKDでは、ユーザアリスとボブは、両方とも、光送信機として構成され、従って、セキュリティは、光受信機の脆弱性によって脅かされない。光送信機を保護することは、光受信機を保護するよりも遙かに容易である。前者では、光パルスは、信頼されたユーザによってローカルに用意されるのに対して、後者では、光パルスは、外部から受信され、信頼できず且つ場合によってはシステムのセキュリティを破ることに関心がある誰かによって用意される。チャーリーに悪意があり、TF-QKDプロトコルの正しい実行に従わない場合、2人の正直なユーザアリスとボブが、量子力学の法則によって非常に高い確率で彼の不正行為の試みを常に検出することができることは注目に値する。 The output at detector D0 can be output by Charlie according to a TF-QKD scheme. In the Twin Field QKD (TF-QKD) scheme, information is encoded in the electromagnetic phase of the photons. It is desirable for Alice and Bob to exchange keys. Alice 82 and Bob 84 transmit to a trusted quantum receiver 98. TF-QKD has been developed for situations where the security of the measurement device owned by Bob may be questionable. In TF-QKD, user Bob 84 is configured as an optical transmitter, as is another user Alice 807. The two optical transmitters Alice 82 and Bob 84 send optical pulses to a repeater, usually called "Charlie", which optically combines and measures the optical pulses. Alice and Bob can distil the private key from the published result of Charlie's count. In TF-QKD, users Alice and Bob are both configured as optical transmitters, and thus security is not compromised by the vulnerability of the optical receiver. Securing an optical transmitter is much easier than securing an optical receiver. In the former, the optical pulses are prepared locally by a trusted user, whereas in the latter, the optical pulses are received from the outside and prepared by someone who is untrusted and potentially interested in breaking the security of the system. It is worth noting that if Charlie is malicious and does not follow the correct implementation of the TF-QKD protocol, two honest users, Alice and Bob, can always detect his cheating attempts with a very high probability due to the laws of quantum mechanics.

この簡略化されたシナリオでは、共通の固定された位相基準φRが、常に全てのユーザに利用可能である。位相基準は誰にでも共通であり、一定であるので、一般性を失うことなく、φR=0であると仮定されることができる。アリス82は、位相ロックされた光源86及び位相変調器94を有する。位相ロックされた光源86は、定位相で光パルスを生成し、それらを位相変調器94に出力する。位相変調器94の出力は、次いで、上記で説明されたように、WDMによって基準信号と多重化される。 In this simplified scenario, a common fixed phase reference φ R is always available to all users. Since the phase reference is common and constant for everyone, it can be assumed without loss of generality that φ R =0. Alice 82 has a phase-locked light source 86 and a phase modulator 94. The phase-locked light source 86 generates optical pulses with a constant phase and outputs them to the phase modulator 94. The output of the phase modulator 94 is then multiplexed with the reference signal by WDM, as described above.

ボブの送信機84は、アリスの送信機82と同じように、及び、いかなる不必要な反復も回避するように構成される。同様の参照番号は、同様の特徴を示すために使用される。 Bob's transmitter 84 is configured in the same manner as Alice's transmitter 82 and to avoid any unnecessary repetition. Like reference numbers are used to indicate like features.

アリスは、パルスを作り出すために彼女の光源86を使用して第1の光パルスを用意し、次いで、位相変調器94を使用して光パルスと位相基準φRとの間の電磁位相差における彼女の秘密情報を符号化する。この特定の例では、BB84プロトコルの符号化[C. H. Bennett and G. Brassard, Proc. of IEEE Int. Conf. on Comp. Sys. Sign. Process. (IEEE, New York, 1984), pp. 175-179]が考慮され、ここで、アリスは、位相値αA=0又はαA=π/2をそれぞれ選択することによって、Z又はXのうちのいずれかのランダムな「基底」を符号化し、且つ、位相値βA=0又はβA=πをそれぞれ選択することによって、0又は1のうちのいずれかのランダムな「ビット」を符号化する。 Alice prepares a first light pulse using her light source 86 to produce the pulse, and then encodes her secret information in the electromagnetic phase difference between the light pulse and a phase reference φ R using phase modulator 94. In this particular example, the encoding of the BB84 protocol [CH Bennett and G. Brassard, Proc. of IEEE Int. Conf. on Comp. Sys. Sign. Process. (IEEE, New York, 1984), pp. 175-179] is considered, where Alice encodes a random "base" of either Z or X by choosing a phase value α A =0 or α A =π/2, respectively, and encodes a random "bit" of either 0 or 1 by choosing a phase value β A =0 or β A =π, respectively.

アリスによって用意される光パルスは、次いで、全体の電磁位相αA+βAを搬送するであろう。次いで、アリスは、次のパルスに移り、手順を繰り返す。ボブは、位相αB及びβBで同様のステップを実行する。アリスとボブのモジュールから出るパルスの全体の電磁位相は、φA及びφBによってそれぞれ示される:
アリス:φA=αA+βA (1)
ボブ: φB=αB+βB (2)
全ての位相が安定しているので、アリス82とボブ84の位相値は、通信チャネルを通じた伝播中に一定のままである。光パルスがチャーリーの非偏光ビームスプリッタに到達すると、光パルスは、いわゆる「1次干渉」を受け、それは、二重スリット干渉実験及び標準QKDにおいて見られるものと同じ種類のものである。これは、決定的に干渉するために、アリスとボブのパルスの位相は、以下の干渉条件を満たすべきであることを意味する:
φB-φA=0 mod π (3)
ここで、「mod π」は、「πを法とする加算(addition moduloπ)」を意味する。ビットに関連付けられた位相値は、0又はπのうちのいずれかなので、式(3)は、この場合、基底の一致条件に関する以下の条件に低減する:
αB-αA=0 (4)
この条件が満たされる場合、
βB-βA=0 (5)
であるとき、光は、検出器0に接続されたポートから現れるのに対して、
βB-βA=π (6)
であるとき、光は、検出器に接続されたポートから現れる。従って、チャーリーが彼のカウントを公表した後、及びアリスとボブが彼らの基底を公表した後、アリスとボブは、基底が一致する全ての場合に、他のユーザによって用意されたビット値を再構築することができる。基底が一致しない場合、ユーザは、標準BB84プロトコルにあるように、データを破棄する。実施形態では、チャーリーは、彼の検出器のうちのちょうど1つがクリックした全てのインスタンスを公表する。これらのインスタンスについて、彼はまた、どの検出器がクリックしたかを公表する。
The optical pulse prepared by Alice will then carry a total electromagnetic phase α A + β A. Alice then moves on to the next pulse and repeats the procedure. Bob performs similar steps with phases α B and β B. The total electromagnetic phases of the pulses leaving Alice's and Bob's modules are denoted by φ A and φ B , respectively:
Alice: φ A =α A +β A (1)
Bob: φ BBB (2)
Because all phases are stable, the phase values of Alice 82 and Bob 84 remain constant during propagation through the communication channel. When the light pulse reaches Charlie's non-polarizing beam splitter, it undergoes so-called "first order interference", which is the same kind of interference seen in double-slit interference experiments and standard QKD. This means that in order to interfere deterministically, the phases of Alice's and Bob's pulses should satisfy the following interference condition:
φ BA = 0 mod π (3)
Here, "mod π" means "addition modulo π." Since the phase values associated with the bits are either 0 or π, equation (3) reduces in this case to the following condition on the basis coincidence condition:
α BA = 0 (4)
If this condition is met,
β BA = 0 (5)
light emerges from the port connected to detector 0, whereas
β B - β A = π (6)
When , light emerges from the port connected to the detector. Thus, after Charlie publishes his count, and after Alice and Bob publish their bases, Alice and Bob can reconstruct the bit values prepared by the other user for all cases where the bases match. If the bases do not match, the users discard the data, as in the standard BB84 protocol. In an embodiment, Charlie publishes all instances where exactly one of his detectors clicked. For these instances, he also publishes which detector clicked.

別の可能性は、チャーリーが彼の両方の検出器がクリックしたときにも公表するというものである。これらのダブルクリックは、最終鍵にとって無用であり、以下の2つの方法で処理されることができる:
1)アリスとボブは、チャーリーがダブルクリックを公表した場合に実行を破棄する、
2)アリスとボブは、チャーリーの検出器のうちのどちらがクリックしたのかをランダムで決めることによって、ダブルクリックをシングルクリックに変換する。
Another possibility is that Charlie also announces when both his detectors click. These double clicks are useless to the final key and can be handled in two ways:
1) Alice and Bob abandon execution if Charlie announces a double-click.
2) Alice and Bob convert the double click into a single click by randomly deciding which of Charlie's detectors did the click.

セキュリティは、どちらの場合でも同じである。例では、D0及びD1は、単一光子検出器である。 The security is the same in both cases. In the example, D0 and D1 are single photon detectors.

例によると、D0及びD1は、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器(SNSPD)である。更なる例によると、SNSPDは、2.9Kで冷却されるSingle Quantum EOS 410 CSである。 By way of example, D0 and D1 are superconducting nanowire single photon detectors (SNSPDs). By way of further example, the SNSPDs are Single Quantum EOS 410 CS cooled at 2.9 K.

例では、検出器D2は、D1又はD0と同じである。代替として、D2は、フォトダイオード検出器である。 In the example, detector D2 is the same as D1 or D0. Alternatively, D2 is a photodiode detector.

チャーリーを2人のユーザ、アリスとボブに接続する量子チャネルの長さの、異なる伸縮率及び変化を補償するために、一方のユーザの他方のユーザに対するパターン符号化は、チャーリーのBS821に到達するパルスが時間整合されるように、実験的に決定された量だけ遅延され得ることに留意されたい。遅延の量は、時間整合を維持するために、一定間隔で調整され得る。例では、遅延の量は、4分に1回から最大で30分に1回までの間で調整される。 Note that to compensate for different stretching rates and changes in the length of the quantum channel connecting Charlie to the two users, Alice and Bob, the pattern encoding of one user to the other can be delayed by an empirically determined amount so that the pulses arriving at Charlie's BS821 are time aligned. The amount of delay can be adjusted at regular intervals to maintain time alignment. In an example, the amount of delay is adjusted between once every 4 minutes up to once every 30 minutes.

位相安定化は、フィードバック信号として暗基準の検出器D1又は明基準の検出器D2のカウントレートを使用し得る。 Phase stabilization may use the count rate of the dark reference detector D1 or the bright reference detector D2 as a feedback signal.

短い集積間隔(integration intervals)では、D1又はD2によって検出されるカウントは、 At short integration intervals, the counts detected by D1 or D2 are

と書かれることができ、ここで、C0は、カウントフロアを表し、その一方で、C1は、基準パルス間の干渉の振幅であり、 where C 0 represents the count floor, while C 1 is the amplitude of the interference between the reference pulses,

は、チャネルからの位相雑音に起因して急速にドリフトする位相差である。D2によって提供されるフィードバックの場合、 is the phase difference that drifts rapidly due to phase noise from the channel. For the feedback provided by D2,

であり、その一方で、C1は、アリス82とボブ84によって用意された(λREFにおける)基準信号のカウントレートである。D1によって提供されるフィードバックの場合、C0は、λ1に渡って送られた位相符号化されたパルスに関連付けられたカウントレートであり、その一方で、C1は、λ1に渡ってアリス82とボブ84によって送られた暗基準信号(変調されていない位相)のカウントレートである。D1によって提供されるフィードバックの場合、位相符号化されたパルス及び基準パルスの(発生の)強度及び確率が等しいとき、 where C 1 is the count rate of the reference signal (at λ REF ) provided by Alice 82 and Bob 84. For the feedback provided by D1, C 0 is the count rate associated with the phase-encoded pulse sent over λ 1 , while C 1 is the count rate of the dark reference signal (unmodulated phase) sent by Alice 82 and Bob 84 over λ 1. For the feedback provided by D1, when the strengths and probabilities (of occurrence) of the phase-encoded pulse and the reference pulse are equal,

である。安定化のためのロックポイントは、直交点 The lock point for stabilization is the orthogonal point.

において選ばれ得る。 can be selected in.

のロックポイントの近くで、カウントレートは、位相ドリフトのほぼ一次関数であり、従って、改善された位相補償を可能にする。 Near the lock point, the count rate is approximately a linear function of the phase drift, thus allowing for improved phase compensation.

ロックポイントは、位相ドリフトが打ち消されることができ、C0+C1の一定のカウントレートが維持されることができるように、位相制御素子182又は更なる位相制御素子22によって提供される位相シフトを変化させることによって得られる。位相補償は、検出器D2又はD1に接続された光子カウンタによって収集された光子の数を入力として受信し、その増幅された12ビットDACを通じて位相制御素子182又は更なる位相制御素子22によってそれぞれ提供される位相を制御するように構成された制御電圧を変更するPIDコントローラによって提供される。例では、更なる位相制御素子22によって提供される位相は、5μs毎に補正され、その一方で、位相制御素子182によって提供される位相は、10~100ms毎に補正される。 The lock point is obtained by varying the phase shift provided by the phase control element 18 2 or the further phase control element 22 such that the phase drift can be countered and a constant count rate of C 0 +C 1 can be maintained. The phase compensation is provided by a PID controller which receives as input the number of photons collected by the photon counter connected to the detector D2 or D1 and modifies a control voltage arranged to control the phase provided by the phase control element 18 2 or the further phase control element 22, respectively, through its amplified 12-bit DAC. In an example, the phase provided by the further phase control element 22 is corrected every 5 μs, while the phase provided by the phase control element 18 2 is corrected every 10-100 ms.

上記で説明された高速フィードバックストラテジは、量子信号(λ1)のために確保された波長における符号化又は量子信号パルスが符号化され得るクロックレートに影響を及ぼすことなく、量子チャネルを安定化させることを可能にする。例では、クロックレートは、500MHzに設定される。 The fast feedback strategy described above allows the quantum channel to be stabilized without affecting the encoding at the wavelength reserved for the quantum signal (λ 1 ) or the clock rate at which the quantum signal pulses can be encoded. In the example, the clock rate is set to 500 MHz.

高速フィードバックシステムは、光チャネルによってもたらされた高速ドリフトを安定化させるように構成される。高速フィードバックシステムは、高速ドリフトを安定化させるために次に使用されることができる高速エラー信号を提供するように構成される。安定化方法は、波長λREFの明基準の干渉を監視することを備える。明パルスの干渉から、信号(即ち、エラー信号)が導出され、更なる位相制御素子22によって印加された位相シフトを調整するために使用される。高速フィードバックシステムは、位相ドリフトのほぼ瞬時の補正を提供し得る。例えば、実施形態では、高速フィードバックは、通信チャネル上で生じる位相ドリフトを補正することが可能であるように十分高速である。例えば、光ファイバの場合、既に短距離(数十キロ)にわたって、位相ドリフトは、ミリ秒当たり数十ラジアンのオーダーである。この例では、更なる位相制御素子22は、電気光学位相変調器であり得る。 The fast feedback system is configured to stabilize the fast drift introduced by the optical channel. The fast feedback system is configured to provide a fast error signal that can then be used to stabilize the fast drift. The stabilization method comprises monitoring the interference of a bright reference of wavelength λ REF . From the interference of the bright pulse, a signal (i.e. an error signal) is derived and used to adjust the phase shift applied by the further phase control element 22. The fast feedback system may provide an almost instantaneous correction of the phase drift. For example, in an embodiment, the fast feedback is fast enough to be able to correct the phase drift occurring on the communication channel. For example, in the case of optical fiber, already over short distances (tens of kilometers), the phase drift is of the order of tens of radians per millisecond. In this example, the further phase control element 22 may be an electro-optical phase modulator.

明基準信号は、フィードバックシステムが高速レートで動作することを可能にする明光信号を提供する。興味のある信号(λ1)は、異なる波長で送信されるので、明基準信号(λREF)は、対象信号よりも明るくあり得る。 The bright reference signal provides a bright light signal that allows the feedback system to operate at a fast rate. The bright reference signal (λ REF ) can be brighter than the signal of interest (λ 1 ) because the signal of interest is transmitted at a different wavelength.

高速フィードバックシステムは、アリスの明基準ビームとボブの明基準ビームとの間の干渉を所与の強度レベルにロックする閉ループサイクルを備える。これは、次に、これらの信号間の位相オフセットを固定値にロックする。明基準干渉は、検出器D2によって監視される。 The fast feedback system comprises a closed loop cycle that locks the interference between Alice's bright reference beam and Bob's bright reference beam to a given intensity level. This in turn locks the phase offset between these signals to a fixed value. The bright reference interference is monitored by detector D2.

例では、明基準は、単一光子を備え、それは、D2によって検出され、ある時間期間にわたって集積される。例では、時間期間は、5μsである。明信号の強度値は、最大及び最小レベルによって規定された範囲内の値を取ることができる。最小レベルは、チャネル位相ドリフトを補正するのに十分高速にエラー信号を提供するために基準が有していなければならない最小強度である。最大レベルは、対象信号(又は量子信号)に対して過度のエラーをもたらす前に基準信号が有することができる最大強度である。基準信号の強度が高すぎる場合、通信チャネルに沿った非弾性散乱(ラマン散乱)、又はWDMの制限された光アイソレーションなどの効果は、興味のある信号の波長中に雑音光子を漏らし、それは問題である。 In the example, the bright reference comprises a single photon that is detected by D2 and integrated over a period of time. In the example, the period of time is 5 μs. The intensity value of the bright signal can take on values within a range defined by a maximum and minimum level. The minimum level is the minimum intensity that the reference must have to provide an error signal fast enough to correct channel phase drift. The maximum level is the maximum intensity that the reference signal can have before it introduces excessive error to the signal of interest (or quantum signal). If the intensity of the reference signal is too high, effects such as inelastic scattering along the communication channel (Raman scattering), or limited optical isolation in WDM, will leak noise photons into the wavelength of the signal of interest, which is a problem.

上述されたように、検出器D2は、単一光子検出器である必要はない。それは、フォトダイオードである可能性もある。その場合、フォトダイオードは、有用な情報を提供するためにより多くの光を必要とするので、オペレータは、基準信号が信号波長に対して過度の雑音をもたらさないことをテストする必要があるであろう。 As mentioned above, detector D2 does not have to be a single photon detector. It could be a photodiode. In that case, the operator would need to test that the reference signal does not introduce excessive noise into the signal wavelength, since a photodiode would require more light to provide useful information.

集積時間の場合でも、それは、用途に依存するであろう。ほとんどが、補正されなければならない位相雑音の大きさについてである。しかし、長い通信チャネルによってもたらされる位相ドリフトは、秒当たり数十ラジアンのオーダーであるので、量子フィードバックによって使用される情報についての集積時間は、数(十)マイクロ秒から数百ナノ秒の範囲にある必要があるであろう。 In the case of integration times, it will depend on the application, mostly on the amount of phase noise that has to be corrected. But since the phase drift introduced by long communication channels is on the order of tens of radians per second, integration times for information used by quantum feedback will need to be in the range of a few (tens) of microseconds to hundreds of nanoseconds.

集積されたカウント数と設定値との間の差は、PIDコントローラのエラー信号を構成する。例では、PIDコントローラは、200kHzでクロックされたFPGAである。アリスから来る光に対して作用する更なる位相制御素子22に対する制御電圧を調整することによって、FPGAは、明基準間の干渉を制御する。 The difference between the integrated counts and the set point constitutes the error signal of the PID controller. In the example, the PID controller is an FPGA clocked at 200 kHz. The FPGA controls the interference between the light references by adjusting the control voltage to a further phase control element 22 acting on the light coming from Alice.

更なる位相制御素子22によって印加される位相シフトは、波長λREF及びλ1の両方に影響を及ぼすことに留意されたい。例によると、λREFに基づくフィードバックは、明基準光を完全に安定化させるが、λ1における量子信号を部分的にしか安定化させない。 Note that the phase shift applied by the further phase control element 22 affects both wavelengths λ REF and λ 1. By way of example, feedback based on λ REF completely stabilizes the bright reference light but only partially stabilizes the quantum signal at λ 1 .

λ1上の残りの(低速の)位相ドリフトは、次の2つのファクタに関連する:(i)λ1及びλREFは、ネットワークのある特定のセクション中を別々に移動し得、(ii)高速フィードバックは、λ1及びλREFによって見られる光路長差が経時的に変化するとき、λ1に渡って位相ドリフトをもたらす。低速位相ドリフトの前者の成分は、2つの波長が別々に移動するネットワークのそれらのセクションの寸法を有する非対称マッハツェンダー干渉計によって取り出される位相雑音として見られることができる。後者の成分は、更なる位相制御素子22の有限範囲と、λ1ではなくλREFに渡る高速フィードバックの位相ロックとの結果として説明されることができる。 The remaining (slow) phase drift on λ 1 is related to two factors: (i) λ 1 and λ REF may move separately in certain sections of the network, and (ii) the fast feedback introduces phase drift across λ 1 as the optical path length difference seen by λ 1 and λ REF changes over time. The former component of the slow phase drift can be seen as phase noise picked up by the asymmetric Mach-Zehnder interferometer with the dimensions of those sections of the network where the two wavelengths move separately. The latter component can be explained as a result of the finite range of the further phase control element 22 and the phase locking of the fast feedback across λ REF but not across λ 1 .

高速フィードバックにおける更なる位相制御素子22は、高速位相ドリフトを能動的に補償する。しかしながら、その有限調整範囲は、ファイバ長変動によって引き起こされた位相ドリフトの全体を補償しない場合がある。それは、λREF位相差をφ=2πM+φtに維持するために複数(M)リセットに依拠し、ここで、φtは、目標位相である。λREF-λ1波長差に起因して、この補償は、Δφ=2πM×(λREF-λ1)/λ1に等しいλ1に渡って残差位相ドリフト(Δφ)をもたらすであろう。 An additional phase control element 22 in the fast feedback actively compensates for the fast phase drift. However, its finite adjustment range may not compensate for the entirety of the phase drift caused by fiber length variations. It relies on multiple (M) resets to maintain the λ REF phase difference at φ=2πM+φ t , where φ t is the target phase. Due to the λ REF1 wavelength difference, this compensation will result in a residual phase drift (Δφ) over λ 1 equal to Δφ=2πM×(λ REF1 )/λ 1 .

λ1に渡ってλREF-安定化によってもたらされる残差ドリフトは、単方向ファイバ長ドリフトを仮定する場合、元のファイバ長位相ドリフトよりも The residual drift introduced by λ REF -stabilization over λ 1 is approximately 10 times larger than the original fiber length phase drift, assuming unidirectional fiber length drift.

小さいと推定される。実際には、ファイバ長ドリフト方向は、ランダムである。正及び負の2πリセットをキャンセルすると、実質的により高い低減ファクタが得られ得る。 is estimated to be small. In reality, the fiber length drift direction is random. Canceling the positive and negative 2π resets can result in substantially higher reduction factors.

λ1上の残差位相ドリフトに作用する位相補償スキームはまた、低速フィードバックシステムと呼ばれる。エラー信号は、λ1における量子信号の干渉から得られ、検出器D1から得られる。この値と設定値との間の差は、マイクロコントローラで実装されたPIDコントローラにエラー信号を提供する。マイクロコントローラは、アリスから来る量子信号に対して作用する位相制御素子182によって提供される位相シフトを制御することによって位相オフセットを補正する。λREF及びλ1の両方に対して作用する更なる位相制御素子22に基づく安定化とは異なり、低速フィードバックは、量子信号(λ1)だけに作用し、従って、その残差位相ドリフトを補正することができる。この例では、熱位相シフタが使用されることができる。高速フィードバックとは異なり、低速フィードバックは、高動作帯域幅を必要としない。このことから、光路長を変化させる熱位相シフタは、低速フィードバックに適している。しかしながら、他のタイプの位相変調器、例えば電気光学変調器が、このタスクのために使用されることができる。 A phase compensation scheme acting on the residual phase drift on λ 1 is also called a slow feedback system. An error signal is obtained from the interference of the quantum signal at λ 1 and is obtained from detector D1. The difference between this value and a set value provides the error signal to a PID controller implemented in a microcontroller. The microcontroller corrects the phase offset by controlling the phase shift provided by the phase control element 18 2 acting on the quantum signal coming from Alice. Unlike the stabilization based on the further phase control element 22 acting on both λ REF and λ 1 , the slow feedback acts only on the quantum signal (λ 1 ) and is therefore able to correct its residual phase drift. In this example, a thermal phase shifter can be used. Unlike the fast feedback, the slow feedback does not require a high operating bandwidth. For this reason, a thermal phase shifter that changes the optical path length is suitable for the slow feedback. However, other types of phase modulators can be used for this task, for example electro-optical modulators.

低速フィードバックシステムの場合、λ1における量子信号は、情報で符号化されたパルス、及び暗基準パルスを備えることに留意されたい。暗基準パルスは、情報符号化されたパルスでインターリーブされ得る。例では、暗基準パルスは、パルスを搬送する最も明るい情報と同じ強度を有する。暗基準パルスの存在は、λ1中の残差位相オフセットに関連する干渉出力を提供する。干渉出力は、ある時間期間にわたってD1によって検出された単一光子を積分することによって取り出される。例では、時間期間は、光チャネルの距離に応じて、50ms又は100msである。この値と設定値との間の差は、光チャネルの距離に応じて、20Hz又は10Hzの周波数で動作するマイクロコントローラで実装されたPIDコントローラにエラー信号を提供する。 Note that for the slow feedback system, the quantum signal at λ 1 comprises an information-encoded pulse and a dark reference pulse. The dark reference pulse may be interleaved with the information-encoded pulse. In an example, the dark reference pulse has the same intensity as the brightest information carrying pulse. The presence of the dark reference pulse provides an interference output related to the residual phase offset during λ 1. The interference output is retrieved by integrating the single photons detected by D1 over a period of time. In an example, the period of time is 50 ms or 100 ms, depending on the distance of the optical channel. The difference between this value and a set value provides an error signal to a PID controller implemented in a microcontroller operating at a frequency of 20 Hz or 10 Hz, depending on the distance of the optical channel.

例によると、更なる位相制御素子22は、電気光学変調器であり、材料の屈折率は、印加される電場の関数である。屈折率の変化は、光路長の変化をもたらし、位相変調器によって印加される位相シフトの変化をもたらす。異なる電圧が、異なる位相シフトを与えるように位相変調器に印加される。説明されたような位相変調器は、屈折率が電場強度の関数であるニオブ酸リチウム(LiNbO3)結晶などの結晶を備えることができ、電場は、LiNbO3結晶の周りに位置付けられた電極に電圧を印加することによって印加され得る。実施形態では、更なる位相制御素子22は、高動作帯域幅を有する。例えば、更なる位相制御素子22は、電気光学効果(GHzのオーダーの最大帯域幅)を使用する。 According to an example, the further phase control element 22 is an electro-optic modulator, where the refractive index of the material is a function of the applied electric field. A change in the refractive index results in a change in the optical path length, which results in a change in the phase shift applied by the phase modulator. Different voltages are applied to the phase modulator to give different phase shifts. A phase modulator as described may comprise a crystal, such as a lithium niobate (LiNbO3) crystal, where the refractive index is a function of the electric field strength, and the electric field may be applied by applying a voltage to electrodes positioned around the LiNbO3 crystal. In an embodiment, the further phase control element 22 has a high operating bandwidth. For example, the further phase control element 22 uses the electro-optic effect (maximum bandwidth of the order of GHz).

更なる位相制御素子によって与えられる相対位相シフトは、制御電圧信号を更なる位相制御素子22に印加するように構成され得る、上記で説明されたPIDコントローラによって設定される。 The relative phase shift imparted by the further phase control element is set by the PID controller described above, which may be configured to apply a control voltage signal to the further phase control element 22.

符号化器94中に設けられた位相変調器は、上記で説明されたPICに類似し得ることに留意されたい。代替として、位相シフトの調整は、符号化器94中の位相変調器を調整するか、又は制御電圧信号を符号化器94中の位相変調器に印加された駆動信号に追加するかのうちのいずれかを通じて達成されることができる。 Note that the phase modulator provided in the encoder 94 may be similar to the PIC described above. Alternatively, adjustment of the phase shift may be achieved either through adjusting the phase modulator in the encoder 94 or by adding a control voltage signal to the drive signal applied to the phase modulator in the encoder 94.

第1の情報信号の機密情報を搬送しない基準信号を使用することによって、基準信号を増幅し、フィードバックを提供して第1の情報信号中の位相ドリフトを補正するためにこれを使用することが可能である。また、情報信号とは異なる波長を有する基準信号を使用することによって、情報信号及び基準信号を波長多重化することが可能であり、このことから、受信機に送信された情報のレートは、基準信号を追加的に送ることによって低減されない。 By using a reference signal that does not carry sensitive information of the first information signal, it is possible to amplify the reference signal and use it to provide feedback to correct phase drift in the first information signal. Also, by using a reference signal that has a different wavelength than the information signal, it is possible to wavelength multiplex the information signal and the reference signal, so that the rate of information transmitted to the receiver is not reduced by sending an additional reference signal.

図6は、光チャネルを介して光信号を受信機206に送信するように構成された送信機202と、フォトニック集積回路204と、光チャネル214とを備える実例的な光学システム200の概略図である。フォトニック集積回路204は、第1及び第2の位相制御素子210、212を備えるフォトニック導波路208を備える。フォトニック集積回路204は、送信機202によって送信された光信号を受信し、光信号を導波路208に提供するように構成される。第1の位相制御素子210は、第1の位相シフトを受信された光信号に提供するように構成される。第2の位相制御素子212は、第2の位相シフトを受信された光信号に提供するように構成される。第1の位相制御素子210は、熱位相シフタであり、第2の位相制御素子212は、電気光学位相変調器であるか、又はその逆もまた同様である。フォトニック集積回路204は、図1を参照して説明されたフォトニック集積回路4と同様に製造され得る。実施形態では、光学システム200の送信機202は、受信機206が情報を取り出すために光信号を復号することができるように、送信された光信号の位相において情報を符号化し得る。 6 is a schematic diagram of an illustrative optical system 200 comprising a transmitter 202 configured to transmit an optical signal to a receiver 206 via an optical channel, a photonic integrated circuit 204, and an optical channel 214. The photonic integrated circuit 204 comprises a photonic waveguide 208 comprising first and second phase control elements 210, 212. The photonic integrated circuit 204 is configured to receive the optical signal transmitted by the transmitter 202 and provide the optical signal to the waveguide 208. The first phase control element 210 is configured to provide a first phase shift to the received optical signal. The second phase control element 212 is configured to provide a second phase shift to the received optical signal. The first phase control element 210 is a thermal phase shifter and the second phase control element 212 is an electro-optical phase modulator, or vice versa. The photonic integrated circuit 204 may be fabricated similarly to the photonic integrated circuit 4 described with reference to FIG. 1. In an embodiment, the transmitter 202 of the optical system 200 may encode information in the phase of the transmitted optical signal such that the receiver 206 can decode the optical signal to retrieve the information.

動作中に、フォトニック集積回路204は、光チャネルによってもたらされる位相雑音を補償するために使用され得る。大まかに言えば、送信機202は、情報及び基準信号を搬送する信号を交互に送る。位相雑音を補償するために、受信機206は、基準信号を検出し、位相雑音を補償するためにフィードバック信号を決定し、低速位相ドリフトを保証するために第1の位相制御素子210を、及び高速位相変動を補償するために第2の位相制御素子212を使用する。 In operation, the photonic integrated circuit 204 can be used to compensate for phase noise introduced by an optical channel. Broadly speaking, the transmitter 202 alternately sends signals carrying information and a reference signal. To compensate for the phase noise, the receiver 206 detects the reference signal, determines a feedback signal to compensate for the phase noise, and uses a first phase control element 210 to compensate for slow phase drift and a second phase control element 212 to compensate for fast phase variations.

ある特定の実施形態が説明されたが、これらの実施形態は、例としてのみ提示されており、本発明の範囲を限定することを意図されない。実際に、本明細書に説明された新規のデバイス及び方法は、様々な他の形式で具現化され得、更に、本明細書に説明されたデバイス、方法、及び製品の形式における様々な省略、置換、及び変更が、本発明の趣旨から逸脱することなく行われ得る。添付の特許請求の範囲及びそれらの同等物は、本発明の範囲及び趣旨内にあるような形式及び変更をカバーすることを意図される。 While certain embodiments have been described, these embodiments are presented by way of example only and are not intended to limit the scope of the invention. Indeed, the novel devices and methods described herein may be embodied in a variety of other forms, and further, various omissions, substitutions, and changes in the forms of the devices, methods, and products described herein may be made without departing from the spirit of the invention. The appended claims and their equivalents are intended to cover such forms and modifications within the scope and spirit of the invention.

Claims (20)

集積チップ上に形成されたフォトニック集積回路であって、
デマルチプレクサと、
第1の位相制御素子、第2の位相制御素子、及び第3の位相制御素子と、
マルチプレクサと
を備え、前記デマルチプレクサは、
第1の波長を有する第1の信号と、前記第1の波長とは異なる第2の波長を有する第2の信号とを備える多重化された光信号を受信し、
前記第1の信号及び前記第2の信号を抽出するために前記多重化された光信号を逆多重化する、
ように構成され、前記第1の位相制御素子は、第1の変更された信号を作り出すために第1の位相シフトを前記第1の信号に提供するように構成され、
前記第2の位相制御素子は、第2の変更された信号を作り出すために第2の位相シフトを前記第2の信号に提供するように構成され、
前記マルチプレクサは、変更された多重化された信号を作り出すために前記第1の変更された信号及び前記第2の変更された信号を多重化するように構成され、
前記第3の位相制御素子は、更なる変更された多重化された信号を作り出すために第3の位相シフトを前記変更された多重化された信号に提供し、前記更なる変更された多重化された信号を出力するように構成される、フォトニック集積回路。
1. A photonic integrated circuit formed on an integration chip, comprising:
A demultiplexer;
a first phase control element, a second phase control element, and a third phase control element;
a multiplexer; and a demultiplexer comprising:
receiving a multiplexed optical signal comprising a first signal having a first wavelength and a second signal having a second wavelength different from the first wavelength;
demultiplexing the multiplexed optical signal to extract the first signal and the second signal.
the first phase control element is configured to provide a first phase shift to the first signal to produce a first modified signal;
the second phase control element is configured to provide a second phase shift to the second signal to produce a second modified signal;
the multiplexer is configured to multiplex the first modified signal and the second modified signal to produce a modified multiplexed signal;
the third phase control element is configured to provide a third phase shift to the modified multiplexed signal to produce a further modified multiplexed signal, and output the further modified multiplexed signal.
前記第1の位相制御素子及び前記第2の位相制御素子は、熱位相シフタであり、前記第3の位相制御素子は、電気光学位相変調器である、請求項1に記載のフォトニック集積回路。 The photonic integrated circuit of claim 1, wherein the first phase control element and the second phase control element are thermal phase shifters, and the third phase control element is an electro-optic phase modulator. 前記第1の位相制御素子、前記第2の位相制御素子、及び前記第3の位相制御素子は、熱位相シフタ又は電気光学位相変調器のうちのいずれかである、請求項1に記載のフォトニック集積回路。 The photonic integrated circuit of claim 1, wherein the first phase control element, the second phase control element, and the third phase control element are either a thermal phase shifter or an electro-optic phase modulator. 前記デマルチプレクサ及び前記マルチプレクサのうちの少なくとも1つは、アレイ導波路回折格子である、請求項1に記載のフォトニック集積回路。 The photonic integrated circuit of claim 1, wherein at least one of the demultiplexer and the multiplexer is an arrayed waveguide grating. 前記デマルチプレクサ及び前記マルチプレクサのうちの少なくとも1つは、角度付きマルチモード干渉計である、請求項1に記載のフォトニック集積回路。 The photonic integrated circuit of claim 1, wherein at least one of the demultiplexer and the multiplexer is an angled multimode interferometer. 前記デマルチプレクサ及び前記マルチプレクサのうちの少なくとも1つは、分散型波長マルチプレクサである、請求項1に記載のフォトニック集積回路。 The photonic integrated circuit of claim 1, wherein at least one of the demultiplexer and the multiplexer is a distributed wavelength multiplexer. 集積チップ上に形成されたフォトニック集積回路を動作させる方法であって、前記方法は、
第1の波長を有する第1の信号と、前記第1の波長とは異なる第2の波長を有する第2の信号とを備える多重化された光信号を受信することと、
デマルチプレクサを使用して、前記第1の信号及び前記第2の信号を抽出するために前記多重化された光信号を逆多重化することと、
第1の位相制御素子を使用して、第1の変更された信号を作り出すために第1の位相シフトを前記第1の信号に提供することと、
第2の位相制御素子を使用して、第2の変更された信号を作り出すために第2の位相シフトを前記第2の信号に提供することと、
マルチプレクサを使用して、変更された多重化された信号を作り出すために前記第1の変更された信号及び前記第2の変更された信号を多重化することと、
第3の位相制御素子を使用して、更なる変更された多重化された信号を作り出すために第3の位相シフトを前記変更された多重化された信号に提供することと、
前記更なる変更された多重化された信号を出力することと
を備え、前記デマルチプレクサ、前記第1の位相制御素子、前記第2の位相制御素子、前記第3の位相制御素子、及び前記マルチプレクサは、前記フォトニック集積回路中に含まれる、方法。
1. A method of operating a photonic integrated circuit formed on an integrated chip, the method comprising:
receiving a multiplexed optical signal comprising a first signal having a first wavelength and a second signal having a second wavelength different from the first wavelength;
demultiplexing the multiplexed optical signal using a demultiplexer to extract the first signal and the second signal;
providing a first phase shift to the first signal using a first phase control element to produce a first modified signal;
providing a second phase shift to the second signal using a second phase control element to produce a second modified signal;
multiplexing, using a multiplexer, the first modified signal and the second modified signal to produce a modified multiplexed signal;
providing a third phase shift to the modified multiplexed signal using a third phase control element to produce a further modified multiplexed signal;
and outputting the further modified multiplexed signal, wherein the demultiplexer, the first phase control element, the second phase control element, the third phase control element, and the multiplexer are included in the photonic integrated circuit.
前記第1の位相制御素子及び前記第2の位相制御素子は、熱位相シフタであり、前記第3の位相制御素子は、電気光学位相変調器である、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein the first phase control element and the second phase control element are thermal phase shifters, and the third phase control element is an electro-optic phase modulator. 前記第1の位相制御素子、前記第2の位相制御素子、及び前記第3の位相制御素子は、熱位相シフタ又は電気光学位相変調器のうちのいずれかである、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein the first phase control element, the second phase control element, and the third phase control element are either a thermal phase shifter or an electro-optic phase modulator. 前記デマルチプレクサ及びは前記マルチプレクサのうちの少なくとも1つは、アレイ導波路回折格子である、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein at least one of the demultiplexer and the multiplexer is an arrayed waveguide grating. 前記デマルチプレクサ及びは前記マルチプレクサのうちの少なくとも1つは、角度付きマルチモード干渉計である、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein at least one of the demultiplexer and the multiplexer is an angled multimode interferometer. 前記デマルチプレクサ及び前記マルチプレクサのうちの少なくとも1つは、分散型波長マルチプレクサである、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein at least one of the demultiplexer and the multiplexer is a distributed wavelength multiplexer. 第1のアーム及び第2のアームを有する光マッハツェンダー干渉計であって、
前記第1のアームは、請求項1に記載のフォトニック集積回路を備える、光マッハツェンダー干渉計。
1. An optical Mach-Zehnder interferometer having a first arm and a second arm,
The optical Mach-Zehnder interferometer, wherein the first arm comprises the photonic integrated circuit of claim 1 .
請求項1に記載のフォトニック集積回路を備える、光リング干渉計。 An optical ring interferometer comprising the photonic integrated circuit of claim 1. 光チャネルを介して前記フォトニック集積回路に接続され、光リング中を循環する少なくとも1つの光信号の強度を増大させるように構成された光利得媒体を更に備える、請求項14に記載の光リング干渉計。 The optical ring interferometer of claim 14, further comprising an optical gain medium connected to the photonic integrated circuit via an optical channel and configured to increase the intensity of at least one optical signal circulating in the optical ring. 送信機及び受信機を備える光学システムであって、
前記送信機は、第1の光情報信号上の位相を使用して情報を符号化するように構成された符号化ユニットを備え、前記第1の光情報信号は、単一の第1の波長を有し、前記送信機は、第1の基準信号を出力するように構成され、前記第1の基準信号は、前記第1の波長とは異なる基準波長を有し、前記送信機は、多重化された信号を作り出するために前記第1の光情報信号及び前記第1の基準信号を多重化し、前記多重化された信号を通信チャネルに出力するように構成された第1のマルチプレクサを更に備え、
前記受信機は、
第1のデマルチプレクサと、
第1の位相制御素子、第2の位相制御素子、及び第3の位相制御素子と、
第2のマルチプレクサと、
を備える、集積チップ上に形成されたフォトニック集積回路であって、前記第1のデマルチプレクサは、
前記多重化された信号を受信し、
前記第1の基準信号及び前記第1の光情報信号を抽出するために前記多重化された信号を逆多重化する、
ように構成され、前記第1の位相制御素子は、変更された基準信号を作り出すために第1の位相シフトを前記第1の基準信号に提供するように構成され、
前記第2の位相制御素子は、変更された光情報信号を作り出すために第2の位相シフトを前記第1の光情報信号に提供するように構成され、
前記第2のマルチプレクサは、変更された多重化された信号を作り出すために前記変更された基準信号及び前記変更された光情報信号を多重化するように構成され、
前記第3の位相制御素子は、更なる変更された多重化された信号を作り出すために第3の位相シフトを前記変更された多重化された信号に提供し、前記更なる変更された多重化された信号を出力するように構成される、フォトニック集積回路と、
前記第1の光情報信号及び前記第1の基準信号を抽出するために、前記送信機から受信された前記更なる変更された多重化された信号を逆多重化するように構成された第2のデマルチプレクサと、
前記第1の光情報信号中の位相情報を復号するように構成された復号器と、
前記第1の基準信号から前記通信チャネルによって引き起こされた前記第1の光情報信号の位相変化を推定し、前記フォトニック集積回路を使用して、前記通信チャネルによって引き起こされた前記第1の光情報信号の位相変化を補償するように構成された位相補償ユニットと
を備える、光学システム。
1. An optical system comprising a transmitter and a receiver,
the transmitter comprises an encoding unit configured to encode information using a phase on a first optical information signal, the first optical information signal having a single first wavelength; the transmitter configured to output a first reference signal, the first reference signal having a reference wavelength different from the first wavelength; the transmitter further comprises a first multiplexer configured to multiplex the first optical information signal and the first reference signal to produce a multiplexed signal and output the multiplexed signal to a communication channel;
The receiver includes:
a first demultiplexer;
a first phase control element, a second phase control element, and a third phase control element;
a second multiplexer;
1. A photonic integrated circuit formed on an integration chip, comprising:
receiving the multiplexed signal;
demultiplexing the multiplexed signal to extract the first reference signal and the first optical information signal.
the first phase control element is configured to provide a first phase shift to the first reference signal to produce a modified reference signal;
the second phase control element is configured to provide a second phase shift to the first optical information signal to produce a modified optical information signal;
the second multiplexer is configured to multiplex the modified reference signal and the modified optical information signal to produce a modified multiplexed signal;
the third phase control element is configured to provide a third phase shift to the modified multiplexed signal to produce a further modified multiplexed signal, and output the further modified multiplexed signal; and
a second demultiplexer configured to demultiplex the further modified multiplexed signal received from the transmitter to extract the first optical information signal and the first reference signal;
a decoder configured to decode phase information in the first optical information signal;
a phase compensation unit configured to estimate a phase change in the first optical information signal caused by the communication channel from the first reference signal, and to compensate for the phase change in the first optical information signal caused by the communication channel using the photonic integrated circuit.
前記第1の位相制御素子及び前記第2の位相制御素子は、熱位相シフタであり、前記第3の位相制御素子は、電気光学位相変調器である、請求項16に記載の光学システム。 The optical system of claim 16, wherein the first phase control element and the second phase control element are thermal phase shifters, and the third phase control element is an electro-optic phase modulator. 第2の送信機を更に備え、前記第2の送信機は、第2の光情報信号上の位相を使用して情報を符号化するように構成された符号化ユニットを備え、前記第2の光情報信号は、前記第1の波長を有し、前記送信機は、前記基準波長を有する第2の基準信号を出力するように構成され、前記送信機は、多重化された第2の信号を作り出すために前記第2の光情報信号及び前記第2の基準信号を多重化し、前記多重化された第2の信号を通信チャネルに出力するように構成されたマルチプレクサを更に備え、
前記復号器は、前記第1の光情報信号及び前記第2の光情報信号中の位相情報を復号するように構成され、
前記位相補償ユニットは、
前記第1の基準信号及び第2の基準信号の干渉から前記通信チャネルによって引き起こされた前記第1の光情報信号及び前記第2の光情報信号の位相変化を推定することと、
前記通信チャネルによって引き起こされた前記第1の光情報信号及び前記第2の光情報信号の位相変化が低減されるように前記第3の位相シフトを制御することと、
前記第1の光情報信号及び前記第2の光情報信号の干渉から前記通信チャネルによって引き起こされた前記第1の光情報信号及び前記第2の光情報信号の残りの位相変化を推定することと、
前記通信チャネルによって引き起こされた前記第1の光情報信号及び前記第2の光情報信号の位相変化が更に低減されるように前記第2の位相シフトを制御することと
を行うように構成される、請求項16に記載の光学システム。
a second transmitter, the second transmitter comprising an encoding unit configured to encode information using a phase on a second optical information signal, the second optical information signal having the first wavelength, the transmitter configured to output a second reference signal having the reference wavelength, the transmitter further comprising a multiplexer configured to multiplex the second optical information signal and the second reference signal to produce a multiplexed second signal and to output the multiplexed second signal to a communication channel;
the decoder is configured to decode phase information in the first optical information signal and the second optical information signal;
The phase compensation unit includes:
estimating a phase change of the first optical information signal and the second optical information signal caused by the communication channel from interference of the first reference signal and the second reference signal;
controlling the third phase shift such that phase changes of the first optical information signal and the second optical information signal caused by the communication channel are reduced;
estimating residual phase changes of the first and second optical information signals caused by the communication channel from interference of the first and second optical information signals;
and controlling the second phase shift such that phase changes of the first optical information signal and the second optical information signal caused by the communication channel are further reduced.
請求項18に記載の光学システムを備える量子通信システムであって、前記量子通信システムは、第1の送信ユニットと第2の送信ユニットとの間で鍵を配送するように構成される、量子通信システム。 A quantum communication system comprising the optical system of claim 18, the quantum communication system being configured to distribute a key between a first transmitting unit and a second transmitting unit. 集積チップ上に形成されたフォトニック集積回路であって、
第1の位相制御素子及び第2の位相制御素子
を備え、前記第1の位相制御素子は、第1の信号を受信し、第1の変更された信号を作り出すために第1の位相シフトを前記第1の信号に提供するように構成され、
前記第2の位相制御素子は、第2の変更された信号を作り出すために第2の位相シフトを前記第1の変更された信号に提供し、前記第2の変更された信号を出力するように構成され、
前記第1の位相制御素子は、熱位相シフタであり、前記第2の位相制御素子は、電気光学位相変調器である、フォトニック集積回路。

1. A photonic integrated circuit formed on an integration chip, comprising:
a first phase control element and a second phase control element, the first phase control element configured to receive a first signal and provide a first phase shift to the first signal to produce a first modified signal;
the second phase control element is configured to provide a second phase shift to the first modified signal to produce a second modified signal and output the second modified signal;
A photonic integrated circuit, wherein the first phase control element is a thermal phase shifter and the second phase control element is an electro-optic phase modulator.

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