KR20180006883A - 칩 기반 양자 키 배포 - Google Patents

Abstract

적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 양자 암호 키를 생성하기 위한 추가 광학 장치에 광 펄스를 송신하기 위한 집적 옵틱 송신기가 제공된다. 또한 추가 광학 장치로부터 수신된 광 펄스로부터 양자 암호 키를 생성하기 위한 집적 옵틱 리시버가 제공된다. 송신기는 유입 광을 2개의 경로로 나우어 나뉜 광 펄스를 시간적으로 분리시키고 나뉜 펄스들 중 적어도 하나의 위상 뿐만 아니라 각각의 나뉜 펄스의 출력 강도를 제어한다. 수신기 장치는 제 1 및 제 2 광 펄스를 수신하여 제 1 및 제 2 광학 감지기 사이에서 각각의 상기 펄스의 출력 강도를 제어한다. 제 2 감지기내로 입력된 광은 적어도 일부가 제 2 감지기내로 출력되기 전에 재결합하는 2개의 경로내로 출력된 광의 양을 제어하는 집적 소자를 통과한다.

Description

칩 기반 양자 키 배포

본 발명은 광학 통신 분야, 특히, 보안 통신 채널이 양자 암호 키를 사용하여 셋업되는 광학 통신에 관한 것이다.

오늘날 정보 보안은 특히 통신 채널을 통해 정보가 공유되는 현대 사회와 더 밀접하게 관련되어 있다. 원치 않는 도청자가 정보를 가로채는 것을 방지하기 위해 여러 가지 형태의 암호화된 통신이 등장했다. 암호화는 의도된 사람이나 최종 사용자만 메시지를 성공적으로 읽을 수 있도록 메시지를 인코딩하는 분야이다.

인코딩의 종래의 공개 키 암호화 시스템은 종종 도청자가 많은 수를 인수 분해하는 어려움으로 인해 메시지를 디코딩하는 것을 불가능하진 않지만 어렵게한다. 그러나 이러한 종래의 암호 기법은 본질적으로 안전하기 보다는 해독하기가 어렵다. 많은 수를 효율적으로 인수분해하는 기법이 개발되면 이러한 종래의 암호 기법을 사용하는 메시지가 보안 침해의 대상이 될 수 있다.

양자 암호학의 분야는 양자 역학의 원리를 사용하며, 비밀 키를 송신하고 아무도 방해하지 않는 것을 인지하는 확실한 방법을 제공함으로써 종래의 암호화 시스템의 일부 고유 결함을 극복하는 것을 목표로 한다. 비밀 키의 공유는 양자 키 분포(Quantum Key Distribution; QKD)라고도 한다. 다수의 QKD 기법이 알려져 있으며 단일 입자를 측정하는 양자 역학 원리에 의존하는 것과, 얽혀진(entangled) 상태의 양자 특성에 의존하는 것인, 2개의 카테고리로 나뉜다.

각각의 기법이 키 데이터를 생성하고 키의 비밀을 보장하는 방법론 또는 수단을 제공하도록 구성되는 보안 키의 생성 및 교환을 가능하게 하는 다수의 서로 상이한 양자 암호 기법(프로토콜로도 불림)이 존재한다. 프로토콜의 예시는 베넷 브라사드(Bennett-Brassard) 84 (BB84) 프로토콜, COW(Coherent One Way) 프로토콜, DPS(Differential Phase Shift) 프로토콜 및 RFI(Reference Frame Independent) 프로토콜이 있다.

양자 키를 생성하기 위한 광학 신호를 송수신하는 다수의 장치가 알려져 있다.

미국 특허 제 7787628 B2 호는 위상 변조기에 결합된 패러데이(faraday) 미러를 갖는 양자 키를 전송하는 제 1 노드 및 감쇠기, 2개의 위상 변조기, 편광 빔 스플리터(PBS), 커플러, 광자 소스 및 감지기를 갖는 양자 키를 수신하는 제 2 노드를 개시한다. 제 2 노드는 긴 루프와 짧은 루프로 분할되는 레이저 펄스를 생성한다. 긴 루프의 펄스는 제 2 노드에만 알려진 비밀 위상으로 인코딩되고, PBS에 의해 선택된 수평 편광은 감쇠되어 제 1 노드에 대한 양자 채널로 공급된다. 제 1 노드는 펄스를 수신하고, 양자 인코딩 베이시스(basis) 및 극성을 특징으로하는 위상 시프트 값으로 펄스를 위상 변조한다. 이어서, 패러데이 미러가 펄스의 편광을 뒤집어 90° 위상 변경을 일으키고 펄스는 제 2 노드로 다시 공급된다. 제 2 노드의 짧은 루프를 따라 이동하는 제 2 펄스는 PBS에 의해 송신된 수직 편광을 가지며, 감쇠되어 양자 채널을 따라 전송된다. 제 1 노드는 제 1 펄스와 유사한 방식으로 제 2 펄스를 처리한다. 이러한 스킴은 송신하는 펄스에 상이한 편광을 사용하므로 부피가 큰 광학 부품을 사용한다. 또한 짧은 지연 펄스와 긴 지연 펄스에 대한 키 생성 방법을 하나만 사용한다. 상이한 장치 설정이 상이한 노드에 사용된다.

국제 특허 출원 WO2014060793은 광학 채널을 통해 통신하기 위한 장치를 갖는 이동 통신 장치를 기재한다. 이는 송신 전에 광학 키를 파장 변환할 가능성을 도시한다. 인코딩 및 디코딩의 예시는 WO2014060793의 도 4 및 도 5에 도시되어 있으며, 3개의 광원은 3개의 편광 상태 방출을 통해 인코딩하기 위해 사용된다. 3-2 집적 옵틱 컨버터는 편광 회전기/컴바이너로 편광 인코딩으로 변환되는 이중 레일 인코딩을 제공하는 데 사용된다. 3-2 집적 옵틱 컨버터는 50/50 빔 스플리터와 2 개의 Y 정션으로 구성된다. 광 펄스를 단일 광자 레벨로 낮추기 위해 감쇠기가 적용된 것으로 도시된다. 디코더는 듀얼 레일 인코딩을 6개의 별도의 채널로 변환하기위한 집적 2-6 컨버터, 스펙트럼 필터 및 편광 회전기/스플리터를 갖는다. 집적 2-6 컨버터는 2개의 빔 스플리터, 2개의 위상 변환기 및 네 개의 Y 정션을 갖는다. 인코더와 디코더에는 상이한 장치 설정이 사용된다.

국제 특허 출원 WO2014042822는 집적 광자(photonic) 소자를 갖는 양자 통신 (QC) 시스템을 기술한다. 디코이 펄스는 실제 단일 광자 레이저 소스가 아닌 소스를 사용하여 생성된 송신된 광학 신호로 인코딩된다. 가변 광학 감쇠기는 광자 값을 무작위로 부여한다. 수신된 QC 신호에 대한 광자 분포를 측정하고 비교함으로써 단일 광자 투과율이 추정된다. 편광 회전은 섬유 복굴절을 보완하기 위해 사용된다. 송신기는 송신기 부품이 모놀리식 또는 하이브리드 칩 스케일 회로의 일부로서 제조될 수 있는 켤레인(conjugate) 편광 베이스들을 송신하도록 구성된다. 이 문서는 양자 키 생성에서 편광 회전을 이용하는 것을 교시한다. 표시된 부품 설정은 단일 기본 세트만 사용하여 양자 키를 생성하도록 구성된다. 상이한 장치 설정은 양자 통신 광자 신호를 변조 및 복조하는데 사용된다.

본 발명의 제 1 측면에 있어서, 적어도 2개의 광 펄스간의 위상차를 적어도 비교하는 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 양자 암호 키를 생성하기 위하여 광 펄스를 추가 광학 장치에 송신하기 위한 광학 장치가 제공되고, 상기 광학 장치는: 적어도 하나의 입력 광 펄스를 수신하고, 상기 입력 광 펄스를 제 1 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 1 광 펄스와; 제 2 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 2 광 펄스로 분할하도록 구성되고, 상기 제 2 집적 광학 경로는 상기 제 1 집적 광학 경로보다 길고, 상기 제 1 광 펄스 및 상기 제 2 광 펄스를 시간적으로 분리하는 광학 경로 길이를 포함하는 집적 광학 스플리터, 개별적인 상기 제 1 집적 광학 경로 및 상기 제 2 집적 광학 경로로부터 시간적으로 분리된 상기 제 1 광 펄스 및 상기 제 2 광 펄스를 수신하고, 상기 컨트롤러로부터 상기 추가 광학 장치로 송신을 위하여 출력되는 상기 제 1 광 펄스 및 상기 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성되는 집적 광학 강도 컨트롤러; 및 상기 광학 장치로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 또는 상기 제 2 광 펄스 중 적어도 하나 광 펄스의 위상을 변경하도록 구성되는 위상 변조기를 포함한다.

제 1 측면은 본원에 개시된 임의의 적합한 방식으로 변형 될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 다음 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함한다.

광학 장치는 송신을 위해 제 1 광학 강도 변조기로부터 출력되는 제 1 펄스 및 제 2 펄스 중 임의의 하나 이상의 펄스를 수신하고; 후속하는 수신된 펄스의 강도를 독립적으로 변경하고; 상기 추가 광학 장치로의 송신을 위해 상기 제 1 펄스 및 상기 제 2 펄스 중 임의의 하나 이상의 펄스를 출력하도록 구성되는 광학 강도 변조기를 포함할 수 있다.

광학 장치는 상기 광학 강도 변조기가 적어도 2개의 광학 출력 경로 및 상기 광학 출력 경로를 따라 전파하는 광학 펄스의 위상을 변경하도록 구성되는 광학 경로 중 하나와 관련되는 적어도 하나의 위상 변조기를 포함하도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 광학 장치로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 또는 제 2 광 펄스 중 적어도 하나의 위상을 변경하도록 구성되는 위상 변조기는 제 1 위상 변조기이며; 상기 제 2 광학 강도 변조기의 위상 변조기는 제 2 위상 변조기가 되도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 광학 강도 변조기가 2개의 출력 광학 경로를 포함하고, 입력으로서 상기 제 1 펄스 또는 상기 제 2 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 수신하고; 각각의 상기 펄스를 2개의 서브 펄스로 분할하고, 컴바이너에서 상기 서브 펄스를 간섭하며; 상기 2개의 광학 출력 경로 중 적어도 하나를 따라 간섭된 상기 펄스를 출력하도록 구성되도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 광학 강도 컨트롤러가 적어도 2개의 입력 광학 경로; 및 적어도 2개의 중간 광학 아암 - 적어도 하나의 중간 광학 아암은 상기 적어도 하나의 중간 광학 아암을 따라 전파하는 펄스의 위상을 변경하도록 구성되는 위상 변조기와 관련됨 - ; 및 적어도 하나의 출력 광학 경로들 - 상기 적어도 하나의 출력 광학 경로들 중 하나는 송신을 위해 상기 펄스를 출력하도록 사용됨 - 을 포함하고; 제 1 광학 변조기가, 입력된 상기 제 1 펄스 또는 상기 제 2 펄스 중 임의의 펄스를 수신하고, 각각의 상기 펄스를 2개의 서브 펄스로 분할하며 적어도 하나의 출력 광학 경로를 따른 출력을 위해 상기 서브 펄스를 간섭하도록 구성되도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 광학 스플리터에 펄스를 입력하도록 구성되는 광학 펄스 소스를 더 포함할 수 있다.

광학 장치는 상기 광학 펄스 소스가: 광원; 및 상기 광원으로부터 광을 수신하고 상기 광학 스플리터에 광 펄스를 출력하도록 구성되는 소스 광학 변조기를 포함하도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 제 1 위상 변조기가 상기 제 1 광학 경로 또는 상기 제 2 광학 경로 중 하나의 경로와 관련되며 상기 경로를 따라 전파하는 광학 펄스의 위상을 변경하도록 구성되도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 스플리터, 제 1 광학 경로, 제 2 광학 경로, 제 1 광학 변조기, 제 2 광학 변조기, 제 3 광학 변조기 및 광원 중 하나 이상이 집적 옵틱 부품을 포함하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 제 2 측면에 있어서, 추가 광학 장치로부터 수신된 광 펄스로부터 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 생성된 양자 암호 키를 생성하기 위해 제 1 광학 감지기 및 제 2 광학 감지기에 광을 출력하기 위한 광학 장치로서, 상기 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스간의 위상차를 적어도 비교하고; 상기 광학 장치는: 적어도 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스를 수신하고 제 1 출력 광학 경로와 제 2 출력 광학 경로 사이의 각각의 상기 펄스의 출력 강도를 제어하도록 구성되는 제어가능한 집적 광학 스플리터 - 상기 제 1 출력 광학 경로는 상기 제 1 광학 감지기와 광학 통신하도록 구성됨 - ; 상기 제어가능한 집적 광학 스플리터의 상기 제 2 출력 광학 경로로부터 상기 제 1 광학 펄스 및 제 2 광학 펄스의 적어도 일부를 수신하고; 각각의 수신된 상기 펄스를: 제 1 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 3 광 펄스; 및 제 2 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 4 광 펄스로 분할하도록 구성되고, 상기 제 2 집적 광학 경로는: 상기 제 1 집적 광학 경로보다 길고; 제 3 광학 펄스 및 제 4 광학 펄스를 시간적으로 분리하는 광학 경로 길이를 포함하는 집적 광학 소자; 대응하는 제 1 집적 광학 경로 또는 제 2 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 3 광 펄스 또는 제 4 광 펄스 중 적어도 하나 광 펄스의 위상을 제어가능하게 변경하도록 구성되는 위상 변조기; 및 개별적인 상기 제 1 집적 광학 경로 및 상기 제 2 집적 광학 경로로부터 시간적으로 분리되는 제 3 광 펄스 및 제 4 광 펄스를 수신하고; 상기 제 2 광 펄스로부터 분할된 상기 제 3 광 펄스로 상기 제 1 광 펄스로부터 분할된 상기 제 4 광 펄스를 간섭하고; 결합된 상기 펄스를 상기 제 2 광학 감지기에 출력하도록 구성되는 집적 광학 컴바이너를 포함한다.

제 2 측면은 본원에 개시된 임의의 적합한 방식으로 변형 될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 다음 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함한다.

광학 장치는 상기 제어가능한 집적 광학 스플리터가: 제 1 광학 입력 경로; 제 2 광학 입력 경로 - 상기 제 1 광학 입력 경로 및 상기 제 2 광학 입력 경로는 상기 제 1 펄스 및 상기 제 2 펄스 중 임의의 펄스를 수신하도록 구성됨 - ; 적어도 2개의 간섭계 아암; 상기 입력 경로로부터의 입력을 수신하고 광을 아암으로 나누도록 구성되는 광학 컴바이너; 상기 아암으로부터 입력을 수신하고 제 1 출력 광학 경로 및 제 2 출력 광학 경로내로 광을 출력하도록 구성되는 광학 컴바이너; 하나의 아암과 관련되고, 상기 아암을 따라 전파하는 펄스에 위상 변경을 제어가능하게 부여하며 상기 제 1 출력 광학 경로와 상기 제 2 출력 광학 경로 사이의 각각의 상기 펄스의 출력 강도를 변경하도록 구성되는 적어도 하나의 위상 변조기를 포함하도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 집적 광학 소자가 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제 3 광 펄스 및 상기 제 4 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성되는 집적 광학 강도 컨트롤러를 포함하도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 집적 광학 강도 컨트롤러가 집적 광학 간섭계를 포함하며, 상기 집적 광학 간섭계는: 제어가능한 집적 광학 스플리터로부터 광학 펄스를 수신하기 위한 광학 입력 경로; 적어도 2개의 간섭계 아암, 하나의 아암과 관련되며, 상기 아암을 따라 전파하는 펄스에 위상 변경을 제어가능하게 부여하여 상기 스플리터로부터 출력되는 상기 제 3 펄스 및 제 4 펄스의 상대 출력 강도를 변경하도록 구성되는 적어도 하나의 위상 변조기를 포함하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 제 3 측면에 있어서, 광 펄스들의 시퀀스를 인코딩 및 디코딩함으로써 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 생성되는 양자 암호 키를 생성하기 위한 광학 장치로서, 상기 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스들 사이의 위상차를 적어도 비교하고; 상기 광학 장치는: 광원로부터 입력 광 펄스를 수신하고, 상기 광 펄스의 시퀀스를 인코딩하고 광 펄스의 인코딩된 상기 시퀀스를 추가 광학 장치에 송신하고; 상기 추가 광학 장치로부터 광 펄스의 인코딩된 시퀀스를 수신하고, 상기 펄스를 처리하고 디코딩을 위해 제 1 광학 감지기 및 제 2 광학 감지기에 처리된 상기 펄스를 출력하도록 구성되고, 상기 장치는: 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로 - 상기 제 2 집적 광학 경로는 상기 제 1 집적 광학 경로보다 긴 광학 경로 길이를 가짐 - ; 상기 제 1 집적 광학 경로, 제 2 집적 광학 경로 및 상기 제 2 광학 감지기와 광학 통신하는 제 1 집적 광학 소자; 상기 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로와 광학 통신하는 집적 광학 강도 컨트롤러; 집적 광학 강도 컨트롤러 및 제 1 광학 감지기와 광학 통신하는 제 2 집적 광학 소자; 상기 제 1 집적 광학 경로 또는 제 2 집적 광학 경로 중 적어도 하나를 따라 전파하는 광 펄스의 위상을 제어 가능하게 변경하도록 구성되는 위상 변조기를 포함하고; 제 1 집적 광학 소자는: 상기 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로로부터 출력 된 인코딩된 상기 펄스 시퀀스의 펄스를 광학적으로 결합하고; 결합된 상기 펄스 시퀀스의 적어도 일부를 상기 제 2 광학 감지기에 출력하고; 상기 광원로부터 광 펄스들을 수신하고 각각의 상기 펄스를 개별적으로 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스로 분할하도록 구성되고; 상기 집적 광학 강도 컨트롤러는: 상기 제 2 집적 광학 소자로부터 출력된 인코딩된 상기 광 펄스의 적어도 일부를 수신하고, 상기 컨트롤러로부터 상기 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로에 출력되는 수신된 상기 광 펄스의 상대 강도를 제어하고; 상기 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로로부터 상기 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스를 수신하고; 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성되며; 상기 제 2 집적 광학 소자는: 상기 추가 광학 장치로부터 인코딩된 상기 펄스 시퀀스를 수신하고; 수신된 상기 각각의 펄스의 출력 강도를 상기 제 1 감지기와 광학 통신하는 제 1 출력과, 상기 집적 광학 강도 컨트롤러와 광학 통신하는 제 2 출력 경로 사이에서 제어하고; 상기 집적 광학 강도 컨트롤러로부터 출력된 광 펄스를 수신하고, 수신된 상기 펄스를 상기 추가 광학 장치로 송신하기 위해 출력하도록 구성된다.

제 3 측면은 본원에 개시된 임의의 적합한 방식으로 변형될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 다음 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함한다.

광학 장치는 상기 제 2 집적 광학 소자가: 송신을 위해 상기 제 1 광학 강도 변조기로부터 출력 된 제 1 펄스 및 제 2 펄스 중 임의의 하나 이상을 수신하고; 후속하는 수신된 펄스의 강도를 독립적으로 변경하고; 송신을 위해 제 1 펄스 및 제 2 펄스 중 임의의 하나 이상의 펄스를 추가 광학 장치에 출력하도록 구성되되도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 제 2 집적 광학 소자가 상기 추가 광학 장치에 광 펄스를 출력하고 그리고 상기 추가 광학 장치로부터 광 펄스를 수신하도록 구성되는 적어도 2개의 광학 경로, 및 상기 경로들 중 하나와 관련된 적어도 하나의 위상 변조기를 포함하고, 상기 위상 변조기는 상기 경로를 따라 전파하는 광학 펄스의 위상을 변경하도록 구성되도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 제 2 집적 광학 소자가 집적 옵틱 마하 젠더 간섭계를 포함하도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 집적 광학 강도 컨트롤러가 집적 옵틱 마하 젠더 간섭계를 포함하도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 광학 스플리터에 펄스를 입력하도록 구성되는 광학 펄스 소스를 더 포함할 수 있다.

광학 장치는 상기 펄스 소스가 광원; 및 상기 광원으로부터 광을 수신하고 광 펄스를 상기 제 1 집적 광학 소자에 출력하도록 구성되는 집적 광학 변조기를 포함하도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 상기 펄스 소스 집적 광학 변조기는 상기 제 1 집적 광학 소자로부터의 광을 수신하여 상기 제 2 광학 감지기에 광을 출력하도록 구성되는 집적 옵틱 마하 젠더 간섭계를 포함하도록 구성될 수 있다.

광학 장치는 제 1 및 제 2 광학 감지기 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제 4 측면에 있어서, 제 2 및 제 3 측면에 기재된 제 2 광학 장치와 광학 통신하여, 제 1 및 제 3 측면에 기재된 제 1 광학 장치를 포함하는, 양자 암호 키를 생성하기 위한 시스템이 제공된다.

제 4 측면은 본원에 개시된 임의의 적합한 방식으로 변형 될 수 있다.

본 발명의 제 5 측면에 있어서, 제 1 및 제 3 측면에 기재된 광학 장치를 사용하여 양자 암호 키를 생성하기 위해 추가 광학 장치에 광 펄스를 송신하는 방법이 제공되고, 상기 방법은: 상기 추가 광학 장치에의 송신을 위해 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하는 단계; 상기 위상 변조기를 사용하여 상기 광학 장치로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 또는 제 2 광 펄스 중 적어도 하나의 위상을 변경하는 단계를 포함한다.

제 5 측면은 본원에 개시된 임의의 적합한 방식으로 변형 될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 다음 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함한다.

상기 방법은 상기 컨트롤러로부터 출력된 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제 6 측면에 있어서, 양자 암호 키를 생성하기 위해 추가 광학 장치로부터 수신된 광 펄스를 처리하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 제 2 및 제 3 측면에 기재된 광학 장치를 사용하고, 상기 추가 광학 장치로부터 펄스를 수신하는 단계; 상기 제 1 감지기와 광학 통신하는 제 1 광학 경로와 상기 집적 광학 경로 컨트롤러와 광학 통신하는 제 2 출력 경로 사이에서 각각의 수신된 상기 펄스의 출력 강도를 제어하는 단계; 상기 제 1 집적 광학 경로 또는 제 2 집적 광학 경로 중 적어도 하나를 따라 전파하는 광 펄스의 위상을 제어 가능하게 변경하는 단계를 포함한다.

제 6 측면은 본원에 개시된 임의의 적합한 방식으로 변형 될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 다음 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함한다.

상기 방법은 컨트롤러로부터 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로로 출력된 광 펄스의 상대 강도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 상세히 기재될 것이다.
도 1은 당사자 A와 B 사이에 상대방 E를 동반한 통신의 블록도를 도시한다.
도 2a는 집적 광학 도파관 부품의 단면의 예시를 도시한다.
도 2b는도 2a의 도파관의 평면도를 도시한다.
도 3a는 BB84 프로토콜의 구현의 개략적인 예시를 도시한다.
도 3b는 교번 베이스(alternate base)를 사용하는 BB84 프로토콜 구현의 개략적인 예시를 도시한다.
도 3c는 COW 프로토콜의 구현의 개략적인 예시를 도시한다.
도 3d는 DPS 프로토콜의 구현의 개략적인 예시를 도시한다.
도 3e는 RFI 프로토콜의 구현의 개략적인 예시를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 명세서에 제시된 송신 광학 장치의 대안적인 구성의 예시를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 명세서에 제시된 송신 광학 장치의 대안적인 구성 예시를 도시한다.
도 6a는 광학 강도 변조기를 더 포함하는도 4a의 송신 장치의 예시를 도시한다.
도 6b 및 도 6c는 도 6a에 도시된 송신 장치의 대안적인 예시를 도시한다.
도 7a는 광원을 더 포함하는 도 4a의 송신 장치의 예시를 도시한다.
도 7b는 광학 강도 변조기를 더 포함하는 도 7a의 송신 장치의 예시를 도시한다.
도 8은 본 명세서에 기재된 광학 장치와 함께 사용하기 위한 광원의 예시를 도시한다.
도 9a는 본 명세서에 기재된 광학 장치의 예시를 도시한다.
도 9b는 광원을 더 포함하는도 9a의 예시를 도시한다.
도 10은 본 명세서에 기재된 수신기 광학 장치의 개략적인 예시를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 도 10의 장치의 대안적인 구현을 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 도 10의 장치의 대안적인 구현을 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 광학 감지기를 더 포함하는 도 10의 장치의 대안적인 예시를 도시한다.
도 14는 추가 광학 소자를 더 포함하는 도 13b의 예시를 도시한다.
도 15는 도 14에 도시된 광학 장치의 구현의 예시를 도시한다.
도 16은 본 명세서에 기재된 송수신기 광학 장치의 예시를 도시한다.
도 17은 도 16에 도시된 광학 장치의 구현의 예시를 도시한다.

본 개시 내용 전반에 걸쳐 사용된 바와 같이, 용어 '하나의' 및 '상기'는 문맥이 달리 지시하지 않는 한 복수 형태를 포함한다. 용어 "포함하는"은 문맥이 달리 지시하지 않는 한 '포함하지만 이에 한정되지 않는'을 의미하는 것으로 의도된다. '결합' 또는 '연결' 또는 '통신하는'이라는 용어는 결합되거나 또는 연결되거나 또는 통신하는 항목 간의 중간 요소의 존재를 배제하지 않는다.

본 명세서 전반에 걸쳐, 특정 광학적 피쳐 또는 부품을 논의 할 때 입력 및 출력 포트에 대한 참조가 이루어질 수 있다. 이 '포트'는 광학적 피쳐 또는 부품의 입력 및 출력으로 해석되어야 한다.

광학 장치(2)는 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 생성된 양자 암호 키를 생성하기 위해 광 펄스를 추가 광학 장치(4)에 송신하기 위해 제시되며; 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스 사이의 위상차를 적어도 비교한다. 이 장치(2)는 전반적으로 광학 송신기 장치(2)로 지칭될 수 도있다.

광학 장치(4)는 추가 광학 장치(2)로부터 수신된 광 펄스로부터 양자 암호 키를 생성하기 위한 적어도 제 1 광학 감지기(202) 및 제 2 광학 감지기(204)에 광을 출력하기 위해 제시되고; 양자 암호 키는 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 생성되며; 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스 사이의 위상차를 적어도 비교한다. 이 장치(4)는 전반적으로 광 수신기 장치(4)로 지칭될 수도 있다.

본 명세서에 기재된 장치(4, 6)에서 사용되는 감지기(202, 204, 205)는 원칙적으로 광자 에너지를 전기 모니터링 장비에 의해 모니터링 될 수 있는 전기 에너지로 변환함으로써 단일 광자를 감지할 수 있는 임의의 하나 이상의 감지기 장치 수 있다. 바람직하게는, 감지기(202, 204, 205)는 예를 들어 인듐 갈륨 비소(InGaAs)와 같은 광자를 흡수하는데 사용되는 반도체 물질를 포함한다. 감지기(202, 204, 205)는 바람직하게는 GHz 펄스 속도로 광자를 감지 할 수 있고, 본 명세서에 기재된 광원에 의해 사용되는 광의 파장(예를 들어, C- 밴드 파장 스펙트럼)을 흡수할 수 있다. 광자 감지기의 예시는 게이트 작동 및 자기 차별화 방식을 사용하는 InGaAs 애벌런치 포토다이오드 또는 니오븀 질화물 초전도 나노와이어 단일 광자 감지기를 포함한다.

또한, 광학 장치(6)는 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 생성된 양자 암호 키를 생성하기 위해 제시되고; 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스 사이의 위상차를 적어도 비교하는 것이다. 이 장치는 전반적으로 광학 송수신기 장치(6)로 지칭될 수도 있다.

도 1은 암호화 시스템을 설명하는 데 사용된 당사자(principle party)를 예시하는 블록 다이어그램을 도시한다. 발신자(sender) 또는 송신 당사자 A(또는 '앨리스), 수신 당사자 B(또는 '밥') 및 원치않는 도청자 E(또는 '이브'). 본 출원에서, 달리 명시되지 않는 한, 송신기 장치(2)는 앨리스이고, 수신기 장치(4)는 밥이고, 송수신기 장치(6)는 앨리스 및/또는 밥 둘 다가 될 수 있다. 서로 안전하게 통신하기 위해, 앨리스와 밥은 서로 송신하려는 데이터를 인코딩하는 데 사용되는, 서로간의 비밀 키를 설정하는 단계를 수행한다.

광학 송수신기(6), 광학 송신기(2) 및 광학 수신기(4) 장치는 적어도 하나의 광자 집적 회로를 사용하여 형성된다. 원칙적으로, 본 명세서에 기재된 상이한 광학 장치의 특징들 중 임의의 특징은 광자 집적 회로로부터 형성될 수 있다. 본 명세서에 도시된 예시에 의해 사용되는 광자 집적 회로는 원칙적으로 모놀리식 및/또는 하이브리드 집적 회로를 포함하되 이에 한정되지 않는 임의의 광자 집적 회로일 수 있다. 바람직하게는 광자 집적 회로는 하나 이상의 집적 옵틱 도파로로부터 형성된다. 도파관은 본 명세서에 기재된 상이한 부품을 형성하고 하나의 부품으로부터 다른 부품으로 광을 결합 및 전파시키는데 사용될 수 있다. 원칙적으로, 매립된 채널, 리브 또는 리지 도파관을 포함하되 이에 한정되지 않는 임의의 집적 옵틱 도파관 단면 설계 및/또는 기하구조가 사용될 수 있다. 원칙적으로, 집적 옵틱 도파관은 회로 내에서 유도된 모드의 전파를 가능하게하는 굴절률을 갖는 물질의 임의의 조합으로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 물질는 반도체 및/또는 유전체를 포함하되 이에 한정되지는 않는다. 바람직하게는 적어도 하나의 물질는 전류 주입 또는 인가된 전기장과 같은(이에 제한되지 않음) 입력 자극에 대한 그 광학 특성(예컨대 굴절률) 중 하나를 변경시키도록 구성된 활성 물질다. 바람직하게는 도파관의 코어는 이들 활성 물질 중 적어도 하나를 포함한다. 도파관 물질에서의 굴절률의 변경을 제어 가능하게 유도하는 것은 이러한 도파관을 따라 전파하는 모드가 위상 변경을 겪는 것을 허용한다.

도파관 회로를 형성하기 위해 반도체와 같이 활성 물질을 갖는 것은 동일한 회로의 수동 및 능동 부분이 동일하거나 유사한 처리 단계에서 제조될 수 있게 한다. 코어 도파관에 바람직한 물질는 인화 인듐(InP), 실리콘(Si), 실리콘 옥시나이트라이드(SiONx), 니오브산리튬(LNb), 갈륨 비소(GaAs) 중 어느 하나이다. 보다 바람직하게, InP는 레이저 소스, 강도 변조기 및 위상 변조기와 같이 집적 부품을 형성하기에 적합하기 때문에 코어의 물질은 InP로 만들어진다.

도 2a 및 도 2b는 본 명세서에 기재된 장치(2, 4, 6)와 함께 사용될 수 있는 리브 도파관(8)의 예시의 단면도를 도시한다.

도 2a는 본 명세서에 기재된 장치(2, 4, 6)와 함께 사용될 수 있는 예시적인 수동 도파관(8)의 단면을 도시한다. 바람직하게는, n형 도핑된 인화 인듐 물질은 리소그래피 기버을 사용하여 도파관(8)을 형성하기 위하여 패터닝된, p형 도핑된 InP의 오버 클래딩(overcladding)에 의해(바람직하게는 향상된 전기-광학 위상 튜닝을 제공하는 다중-양자 우물 구조로서) 고유의 InP 코어(12)를 위한 기판(10)을 제공한다. 코어(12)의 깊이는 0.2㎛에서 0.5㎛ 사이, 보다 바람직하게는 0.3㎛에서0.4㎛ 사이, 보다 바람직하게는 약 0.35㎛일 수 있다. 코어 단면 치수의 각각의 바람직한 범위에서,(코어(12)를 포함하는) 도파관(8)은 직교 편광(TE 또는 TM) 당 오직 하나의 모드만을 가이드하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게 단 하나의 편광, 예를 들어 TE 편광이 가이드된다. 코어(12)는 바람직하게는 p-InP의 제 1 오버 클래딩 층(14)에 의해(기판 언더클래딩에 대향하는) 그 상부 표면 상에 경계 지어진다. 이러한 층(14)의 바람직한 깊이는 1㎛에서 3㎛ 사이, 보다 바람직하게는 2㎛ 일 수 있다.

제 1 오버 클래딩 층(14)은 바람직하게는 p-InGaAs의 제 2 오버 클래딩 층(16)에 의해(코어(12)에 대향하는) 상부 표면 상에 경계 지어진다. 이러한 층(16)의 바람직한 깊이는 0.25㎛에서 0.75㎛ 사이, 보다 바람직하게는 5㎛ 일 수 있다.

바람직하게, 도파관(8)은 바람직한 도파관 리브(8)의 양 측에 평행 트렌치(18)를 에칭함으로써 형성되며, 도 2b에 도시된 바와 같이 웨이퍼 영역의 대부분을 에칭되지 않은 채로 둔다. 바람직하게는 단일 모드 동작을 지원하기 위해 도파관(8)의 폭은 1㎛ 이상이다. 1㎛보다 큰 폭 값은 손실을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 원칙적으로, 도파관(8)은 하나보다 많은 광학 모드를 지원할 수 있다. 바람직한 에칭된 영역(18)의 폭은 2㎛보다 크고, 바람직하게는 5㎛보다 크며, 바람직하게는 10㎛이다. 에칭된 영역(18)의 깊이는 바람직하게는 2㎛에서 8㎛ 사이, 보다 바람직하게는 3㎛에서 5㎛ 사이, 더욱 바람직하게는 4㎛이다.

프로토콜

양자 암호 기법은 적어도 하나의 베이시스(basis)를 사용하며, 각각의 베이시스는 비밀 키를 설정하기 위해 앨리스와 밥 사이에 송신된 적어도 2개의 데이터 값을 정의한다. 따라서, 키를 생성하기 위해 송신기(2), 수신기(4) 및 송수신기(6) 장치에 의해 사용되는 베이시스는 상이한 양자 암호화 프로토콜을 사용함으로써 발생할 수 있다. 각 프로토콜은 적어도 하나의 베이시스를 사용한다. 각각의 베이시스는 적어도 2개의 데이터 값을 가지며, 여기서 각 데이터 값은 2개의 공간적 또는 시간 분리된 광 펄스를 비교함으로써 유도된다. 각각의 펄스는 펄스 '빈(bin)'(20)에 할당되고; 상이한 펄스 빈들(20)은 시간(예를 들어, 하나의 빈이 다른 빈 다음에 송신됨) 및/또는 공간(예를 들어, 하나의 빈(20)이 다른 빈(20)으로 다른 공간 경로로 송신 됨)에서 분리된다. 일부 프로토콜에서, 베이시스의 데이터 값은 하나의 빈(20)에서 하나의 펄스가 존재하고 다른 빈에서 펄스(20)가없는 것으로부터 유도된다.

본 명세서의 장치(2, 4, 6)를 설명하기 위해, 제로 강도(펄스 없음) 및 비제로 강도(적어도 하나의 광자)를 가질 수있는 펄스 상태로서 각각의 빈(20) 내의 펄스를 규정할 수 있다. 장치(2, 4, 6)에 의해 송신되고 수신된 펄스 상태는 전형적으로 1보다 작은 평균 광자 수(μ)를 갖는다. 감쇠된 레이저와 같은 약한 간섭 성 소스의 경우, 펄스 상태는 측정이 이루어질 때까지 하나의 광자를 갖고, 광자를 갖지 않고 또는 복수의 광자를 갖는 것을 보장할 수 없다. 따라서 본 명세서에 기재된 프로토콜은 2개의 의도된 출력 사이에 적절한 소광비를 제공하도록 장치를 구성함으로써 단일 광자 펄스 또는 제로 광자 펄스를 생성 할 가능성을 최대화하는 것을 목표로 한다. 비제로 광자 펄스와 제로 광자 펄스 사이의 소광비는 바람직하게 10dB보다 크고, 더 바람직하게 20B보다 크다.

BB84와 같은 일부 프로토콜은 각각의 베이시스로 데이터 값을 정의하기 위해 별도의 두 펄스 세트를 사용하지만 DPS와 같은 일부 프로토콜은 동일한 펄스를 사용하여 동일한 베이시스로 2개의 상이한 데이터 값을 정의할 수 있다.

각각의 데이터 값에 대한 펄스 상태 세트는 송신기 장치(2)에 의해 송신되고 수신기 장치(4)에 의해 이어서 수신된다. 수신기 장치(4)는 데이터 값을 정의하는 2개의 펄스 상태 세트를 비교하고, 데이터 값에 대응하는 광학 상태를 출력한다. 각각의 데이터 값에 대한 펄스 상태의 세트는 비교되고 출력 상태로 디코딩 될 때, 데이터 값의 광학 출력 상태가 직교 고유 상태가되도록 구성된다.

각각의 베이시스의 각 데이터 값에서의 광학 상태는 적어도 하나의 광학 자유도(즉, 광학 펄스의 특성의 자유도)만큼 서로 상이하다. 본 명세서에 기재된 장치(2, 4, 6)에서, 광학 자유도는 적어도 펄스들 사이의 상대 위상 및/또는 제로 강도 펄스 상태와 비제로 강도 펄스 상태가 송신되는 타임 빈(time bin)(20) 사이의 상대 위상을 적어도 포함한다. '타임 빈'(20)은 동일한 광학 경로를 따른 동일한 세트에서의 펄스의 송신들 간의 상대적인 타이밍 차이이다. 타임 빈(20)은 동일한 광학 경로를 따라 전파될 때 펄스가 중첩되지 않도록 시간적으로 서로 충분히 멀리 있다. RFI와 같은 다른 프로토콜에서, 펄스의 상이한 공간 모드가 프로토콜을 정의하는데 사용될 수있다(즉, 펄스 상태는 상이한 광학 통신 채널을 통해 송신된다).

양자 키를 설정할 때, 앨리스는 특정 프로토콜에 따라 밥에게 광학 펄스의 시퀀스를 보낸다. 밥은 펄스를 수신하고 동일한 프로토콜에 따라 펄스를 측정한다. 일반적으로 그리고 바람직하게는, 앨리스에 의해 송신 된 비제로 펄스 상태는 1보다 낮은 평균 광자 수를 가지므로, 앨리스가 복수의 광자를 갖는 펄스를 송신할 기회는 미미하다. 단일 광자 펄스를 보내는 능력은 QKD에서 중요한데, 이는, 약한 간섭성 소스를 사용할 때 다수의 광자 펄스가 키의 보안을 약화시킬 수 있기 때문이다.(감쇄된 레이저와 같은) 약한 간섭성 소스의 경우, 0.1보다 작은 평균 광자가 일반적으로 다중광자 항(term)을 제거하는 데 사용된다. 단일 광자 펄스를 보다 확실하게 방출하고 다중 광자 항을 가지지 않는 양자점 소스와 같은 다른 광원이 사용될 수 있으므로, 1 미만의 μ와 같은 더 높은 평균 광자 수를 가질 수 있다. 일단 밥이 앨리스가 보낸 펄스에 대한 측정을 수행하면, 앨리스와 밥은 앨리스의 초기 송신된 데이터 중 어떤 비트가 양자 키를 생성하는 데 사용되는지를 결정하기 위해 일반(classical) 채널을 통해 통신한다. 종종 이것은 Bob이 측정한 데이터 값의 서브세트를 송신해야 한다. 앨리스와 밥 사이에 공유된 양자 키를 생성하는 추가 단계는 키를 셋업하는데 사용되는 수신된 데이터 값을 선택하는 임의의 적절한 기법에 따를 수 있다. 여기에는 오류 추정, 오류 정정 또는 조정, 보안 강화를위한 개인 정보 보호가 포함될 수 있되 이에 국한되지는 않는다.

예를 들어 BB84와 같은 특정 프로토콜에서, 제 1 베이시스를 사용하는 0 및 1의 데이터 값 및 다른 베이시스를 사용하는 0 및 1 데이터 값과 같은 데이터 값을 정의하는 데 복수의 베이시스가 사용된다. 각각의 베이시스는 하나 이상의 펄스를 사용하여 데이터 값 0과 1을 인코딩하는 자체 방식을 갖고, 예컨대, BB84에서, 일부 베이시스는 0과 1의 데이터 값을 정의하기 위해 2개의 순차적인 비제로 강도 펄스들 사이의 위상차를 사용하는 반면에, 다른 베이시스는 0과 1의 데이터 값을 한정하기 위하여 제로 강도와 비제로 강도 펄스를 송신하는 상대 순서를 사용한다. BB84의 일반적인 구현에서, 앨리스는 송신된 각 데이터 값에 대해 임의의 베이시스의 랜덤 선택을 사용하여 데이터를 보낸다. 밥은 일반적으로 언제든지 베이시스 중 하나에 따라 펄스 세트만 측정할 수 있다. 따라서, 밥이 올바르게 측정할 베이시스를 알지 못하기 때문에 밥은 펄스 세트를 올바르게 또는 잘못 측정할 수 있다. BB84에서 밥이 2 개의 펄스 상태에서 데이터 값을 측정하기 위해 올바른 베이시스를 사용할 때(앨리스로 다시 송신 된 경우) 데이터 값을 나타내는 출력 광학 상태는 앨리스가 송신한 알려진 데이터 값을 따를 것이다. 그러나 밥이 펄스 상태를 측정하기 위해 잘못된 베이시스를 사용하면 출력 광학 상태는 랜덤일 것이다. 밥이 사용하는 정확한 그리고 부정확한 측정 베이시스는 키를 생성하고 도청자의 존재를 확인하는 데 사용되는 절차의 일부를 형성한다.

도 3a 내지 도 3e는 BB84, COW, DPS 및 RFI 프로토콜이 본 명세서에 기재된 장치(2, 4, 6) 및 방법을 사용하여 어떻게 구현될 수 있는지의 개략적인 예시를 도시한다. BB84, COW 및 DPS 프로토콜의 경우, 밥으로 송신된 광학 펄스는, 각각의 유입(incoming) 펄스 상태를 2개의 서브 펄스 상태로 분할하고, 앨리스가 보낸 제 1 및 제 2 타임 빈(20)사이의 시간 지연과 실질적으로 유사한 시간 지연만큼 서브 펄스 상태를 지연시키고 서브 펄스 상태를 재결합함으로써(양자 키를 정의하도록 사용될 수 있는) 데이터 값으로 바뀐다. 그러므로 펄스는 각각이 서브 펄스 상태를 운반하는 길고 짧은 광학 경로로 분할되고, 경로는 다시 근접해지고(또는 접하고) 경로를 따라 전파하는 서브 펄스를 간섭한다. 앨리스에 의해 송신된 타임 빈들(20) 양쪽에서의 펄스 상태에 대해 이를 수행 한 결과는 도 3a의 우측에 예시된 바와 같이 2 개의 연속적으로 송신된 타임 빈(20)과 관련된 3개의 측정 타임 빈(22)이다. 데이터 값은 3개의 측정 된 타임 빈(22)을 검사함으로써 확인될 수 있다.

도 3a 및 3b는 본 명세서에 개시된 장치(2, 4, 6)와 함께 사용되는 BB84 프로토콜의 구현의 2가지 예시를 도시한다. 도 3a는 BB84 프로토콜을 구현하는 제 1 방법을 도시한다. 제 1 방법은 2개의 베이시스(24, 26)를 갖는다. 제 1 베이시스(24)(상부 브래킷 세트로 도시됨)는 2개의 데이터 값으로부터 형성되고, 제 1 데이터 값을 정의하는 펄스 상태는 제 1 타임 빈(20)에서 제로 강도 펄스 상태이며 제 2 타임 빈(20)에서 비제로 강도 펄스 상태이다. 다른 데이터 값은 제 1 타임 빈(20)에서 비제로 강도 펄스 그리고 제 2 타임 빈(20)에서 제로 강도 펄스를 갖는다. 타임 빈(20)을 수신하면, 데이터 값은 마지막으로 측정된 타임 빈(22)의 첫 번째 비제로 펄스 상태의 존재에 의해 결정된다.

제 2 베이시스(26)(브래킷의 하부 세트에 도시됨)는 제 1 및 제 2 타임 빈(20)에서 비제로 강도 펄스를 갖는 것으로 정의된 데이터 값 모두를 갖는다. 바람직하게, 각각의 데이터 값을 정의하는 펄스는 동일한 강도를 가지며, 광자는 각 타임 빈 사이에서 공유된다. 제 1 데이터 값을 정의하는 2개의 펄스의 한 세트는 2개의 타임 빈 분리 펄스 사이에서 제로 상대 위상차인 반면, 제 2 데이터 값을 정의하는 2개의 펄스 세트는 π의 상대 위상차를 갖는다. 타임 빈(20)을 수신하면, 데이터 값은 중간 측정된 타임 빈(22)에서의 펄스 상태의 간섭(40)에 의해 결정된다.

도 3b는 BB84 프로토콜을 구현하는 다른 방법을 도시한다. 이 구현에서, 양 쪽 베이시스(28, 30)는 각각의 데이터 값을 정의하기 위해 2개의 비제로 강도 펄스 상태 세트를 사용한다. 상이한 데이터 값의 펄스 상태 간의 위상차는 다르다. 각각의 베이시스(28, 30)에 대해, 하나의 데이터 값에 대응하는 펄스 들간의 위상차는 동일한 베이시스(28, 30)의 다른 데이터 값에 대응하는 펄스 들간의 위상차와 π의 위상차만큼 오프셋된다. 더욱이, 각각의 베이시스(28, 30)는 상이한 펄스 상태 위상차를 사용하여 그 데이터 값을 정의한다. 예를 들어, 도 3b에서,(상부 브래킷 세트의) 제 1 베이시스(28)의 제 1 데이터 값은 π/2 위상차를 갖는 펄스 상태를 사용하고; 제 1 베이시스(28)의 제 2 데이터 값은 3π/2 위상차를 갖는 펄스 상태를 사용하며(따라서, 사용된 위상차는 데이터 값을 정의하기 위해 π만큼 상이하다); 제 2 베이시스(30)의 제 1 데이터 값은 위상차가 제로 펄스 상태를 사용하고; 제 2 베이시스(30)의 제 2 데이터 값은 π 위상차를 갖는 펄스 상태를 사용하여 데이터 값을 정의한다. 도 3a에 도시된 최하부 베이시스(26)와 유사한 방식으로, 타임 빈(20)을 수신하면, 중간 측정된 타임 빈(22) 내의 펄스 상태의 간섭(40)에 의해 데이터 값이 결정된다.

도 3b 구현을 위해 데이터 값을 도출하는 수신 장치(4)는 서브 펄스가 이동하는 아암들 중 하나를 따라 0 또는 π/2 위상 지연을 적용함으로써 기본 측정을 변경한다. 제로 위상 지연이 사용되면, 브래킷들의 하부 세트에서의 베이시스(30)는 상이한 펄스 세트들이 간섭될 때(40) 장치(4)의 광학 출력에서 결정론적 차이를 야기할 것이다.

반대로, 최상위 브래킷에서 베이시스(28)로부터의 펄스 세트를 측정하기 위해 동일한 위상 지연이 사용되면, 간섭하는(40) 펄스 세트로부터의 출력 광학 상태는 미리 결정된 출력 광학 상태를 산출하지 않지만 랜덤 광학 출력 상태를 산출하고, 안전한 키를 산출할 수 없다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 BB84 프로토콜의 이러한 구현들 모두는 송신에서 후속하는 펄스 상태 세트들의 송신 사이의 시간 지연을 필요로 하므로, 수신기 장치(4)에 의해 측정될 때, 펄스 상태들의 한 세트의 제 1 펄스가 광학 채널을 따라 송신된 펄스 상태의 이전 세트의 마지막 펄스와 비교하여 부정확하게 얻어지지 않는다.

도 3c는 본 명세서에 개시된 장치(2, 4, 6)과 함께 사용되는 COW 프로토콜의 구현 예시를 도시한다. COW 프로토콜은 단일 베이시스(32) 및 디코이 상태(34)를 사용한다. 단일 베이시스(32)는 2개의 데이터 값으로부터 형성되고, 제 1 데이터 값을 정의하는 펄스 상태가 제 1 타임 빈(20)에서 제로 강도 펄스이고 제 1 타임 빈(20)을 따르는 제 2 타임 빈(20)에서 비제로 강도 펄스이다. 다른 데이터 값은 제 1 타임 빈(20)에서 비제로 강도 펄스를 가지며 제 2 타임 빈(20)에서 제로 강도 펄스를 갖는다. 디코이 상태(34)는 제 1 및 제 2 타임 빈(20)에서 비제로 강도 펄스를 갖는다. 디코이 상태(34)는 광학 통신 채널의 보안을 평가하는데 사용되는 연속적인 광자 펄스를 생성할 가능성을 증가 시키는데 사용된다.

수신 장치는 2개의 공간적으로 분리된 광학 경로(36, 38)로(유입 펄스가 전파되는) 광학 경로를 분할한다. 따라서, 펄스는 일반적으로 펄스 당 1 또는 0개의 광자를 갖는다. 따라서 광자는 2개의 경로(36, 38) 중 하나를 따라 간다. 경로들 중 하나(38)는 광자의 도달 시간을 결정하는 감지기에서 종료된다. 키에 대한 데이터 값은이 타이밍 정보로부터 도출된다. 대안적으로, 광자가 다른 광학 경로(36)로 분할될 때, 연속적인 타임 빈들(20) 사이의 임의의 위상 변경을 감지함으로써 채널의 안전성을 결정하기 위해 사용된다. 채널의 보안은 연속적인 펄스들 사이의 일관된 상대 위상을 측정함으로써 확인된다. 통상적으로 측정은 타임 빈(20)의 중첩 상태가 인접한 타임 빈(20)에 의해 간섭되는 경우(40) (마하 젠더(Mach Zehnder)와 같이) 불균형 간섭계(unbalanced interferometer)를 사용하여 성취되고, 여기서, 각각의 빈(20)은 의도적으로 펄스에서 광자를 갖도록 송신된다. 통상적으로, 광자의 비제로 수를 갖도록 송신되는 펄스는 0.0001보다 큰 μ를 가질 수 있다. 먼저 언급된 바와 같이, 비제로 광자 펄스와 제로 광자 펄스 사이의 소광비는 바람직하게 10dB보다 크고, 더욱 바람직하게는 20dB보다 크다.

도 3d는 본 명세서에 개시된 장치(2, 4, 6)과 함께 사용되는 DPS 프로토콜의 구현 예시를 도시한다. DPS 프로토콜은 동일한 채널을 따라 송신된 연속적인 타임 빈(20)에서 2개의 연속적인 펄스 사이의 상대 위상차를 사용한다. 후속 펄스 상태 세트를 송신하는 사이에 지연이 필요한 BB84와 달리. DPS는 비제로 강도 펄스 상태의 트레인에서 각 연속 펄스 간의 위상차를 사용한다. 도 3d는 연속적인 펄스들 사이의 위상차 0 및 π에 대응하는 2개의 상이한 데이터 값들과 함께 사용되는 단일 베이시스를 도시한다.

도 3a의 상부 브래킷 세트와 유사한 방식으로, 데이터 값은 a) 분할되고 긴 광학 경로를 따르는 제 1 타임 빈(20)의 서브 펄스와 b) 분할되고 짧은 광학 경로를 따르는 후속하는 제 2 타임 빈(20)의 서브 펄스의 간섭(40)을 검사하는것으로부터 도출된다.

도 3e는 본 명세서에 개시된 장치(2, 4, 6)와 함께 사용되는 RFI 프로토콜의 구현 예시를 도시한다. RFI 프로토콜은 각각의 데이터 값을 정의하는 펄스 상태가 공간적으로 분리된 광학 송신 채널(42, 44)을 통해 송신되는 다수의 베이시스, 바람직하게는 3개의 베이시스를 사용하는고, 여기서 각각의 펄스 상태는 비제로 강도 펄스를 포함한다. RFI 프로토콜은 하나의 동의 및 정렬된 베이시스 세트를 사용하여 보안 키(도 3e에서 Z로 표시됨)를 정의하며 채널의 보안을 결정하기 위해 다른 2개의 베이시스(도 3e에서 X 및 Y로 표시됨)를 사용한다. 이러한 프로토콜은 상이한 채널(42 및 44)을 통해 송신된 펄스가 천천히 편향되고 비정렬되도록 한다.

본 명세서에 개시된 장치(2, 4, 6)에서, 동의된 베이시스(Z)는 2개의 데이터 값을 포함하고, 제 1 데이터 값은 상부 송신 채널(42)에서 비제로 신호 펄스로 구성되고, 제 2 데이터 값은 하부 송신 채널(44)에서 비제로 신호 펄스로 구성된다. 다른 2개의 베이시스들(X 및 Y)은 상부 및 하부 송신 채널(42, 44) 내의 비제로 신호 펄스들의 존재 및 데이터 값을 정의하기 위한 각 채널 내의 펄스들 사이의 위상차를 이용한다. 0와 π의 위상은 제 2 베이시스(X)에 사용되고, 다른 조합이 사용될 수는 있지만 제 3 베이시스(Y)에 대해서는 π/2와 3π/2가 사용된다. X 및 Y 베이시스의 측정은 2개의 광학 채널(42, 44)을 간섭시키고 각각의 베이시스에서 2개의 데이터 값을 나타내는 2개의 공간적으로 분리된 출력(46, 48)에서 단일 광자를 감지함으로써 달성된다. Z 베이시스의 측정은 출력 중 하나에서 광자의 감지가 특정 입력 채널을 따라 전파하는 광자의 존재를 나타내는 동일한 기법을 사용하여 성취된다. 예를 들어, 균형 마하 젠더 간섭계(balanced Mach-Zehnder interferometer)를 사용하여 2개의 입력 채널(42, 44)을 간섭시키고 Z 베이시스에 따라 측정할 때, 상부 출력(46)에서 광자를 감지하되 하부 출력(48)에서 감지하지 못하는 것은 하부 송신 채널(44)을 따라서 송신되는 광자를 표시하고, 따라서 특정 데이터 값을 정의한다.

채널들(42, 44)상의 불완전성은 상위 및 하위 통신 채널들(42, 44) 상대적인 위상의 변경을 야기하고, 이것은, 다른 프로토콜에서의 오류를 유발하되, X 및 Y 베이시스가 통신 채널의 평가를 위하여 RFI 프로토콜에서 사용될 경우 상대방(이브)의 지식의 경계는 여전히 얻어질 수 있다.

본 명세서에 기재된 장치(2, 4, 6)에 의해 사용된 모든 프로토콜에 걸쳐, 송신기(2) 또는 송수신기(6) 장치는 바람직하게 펄스 상태 당 μ

1 광자; 바람직하게는 펄스 상태 당 μ<0.5 광자; 보다 바람직하게는 펄스 상태 당 μ<0.2 광자; 펄스 상태 당 μ<0.1 광자인 평균 광자 수를 갖는 비제로 펄스 상태를 출력하도록 구성된다. 임의의 펄스에서 복수의 광자가 출력될 확률이 낮을수록 도청자가 양자 키를 알아낼 가능성이 적다. 펄스당 평균 광자 수의 그러한 낮은 값으로, 일부 의도되지 않은 비제로 강도 상태는 임의의 광자를 갖는 수신기 장치에 도달하지 않을 수 있다. 이것은 송신 장치(2)에서의 광학 손실, 송신기(2)와 수신기(4) 장치 사이의 광학 송신 채널에서의 광학 손실 및 수신 장치(4)에서의 광학 손실을 포함하는 다수의 물리적 현상을 통해 발생할 수 있다. 이 문제는 많은 양의 펄스 상태 세트를 송신하여 양자 키를 생성함으로써 극복 할 수 있으므로 광학 손실과 고유 한 데이터 선택 프로세스가 발생하더라도 수용 가능한 양자 키를 생성하기에 충분한 비트의 데이터가 존재한다. 성공적인 송신 가능성을 높이기 위해 더 높은 평균 광자 수를 사용할 수 있으며 각 상태에 대해 무작위로 여러 강도를 선택하면 보안을 유지할 수 있다. 이는 디코이 상태 인코딩으로 알려져 있다.

동작의 파장 범위(즉, 송신기(2)에 의해 송신되고 수신기(4) 장치에 의해 수신되는 펄스 상태의 파장)는 원칙적으로 임의의 파장 범위일 수 있다. 바람직하게 파장 범위는 1260nm에서 1,675nm 사이(DWDM 전자 통신 대역), 보다 바람직하게 1530nm에서 1565nm 사이의(C-대역)이다.

본 명세서에 기재된 장치(2, 4, 6)는 임의의 양자 키 분배 시스템에 사용될 수 있지만, 바람직하게는 다중 프로토콜 및 재구성가능한 동작을 원하는 네트워크 내에서 적어도 하나의 광학 섬유를 따라 포인트 투 포인트(point to point) 양자 통신을 위해 사용되며, 가정 및 개인 및 휴대용 장치를 사용하여 일반 데이터 통신 또는 추가 암호화 작업을 보장한다.

송신기 장치

제 1 측면으로서, 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 양자 암호 키를 생성하기 위한 광 펄스를 추가 광학 장치(4)에 송신하는 광학 장치(2)가 제시되고; 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스 사이의 위상차를 적어도 비교한다. 이 장치(2)는 전반적으로 송신기 장치(2)로 지칭될 수 있다.

장치(2)는 적어도 2개의 펄스를 출력하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 장치(2)는 적어도 하나의 베이시스, 바람직하게는 양자 암호화 프로토콜에 사용되는 적어도 2개의 베이시스에 따라 하나 이상의 펄스 상태를 출력하도록 구성된다. 바람직하게, 장치(2)는 적어도 하나, 바람직하게는 둘 이상의 양자 암호화 프로토콜에 대응하는 펄스 또는 펄스 상태의 시퀀스를 출력하도록 구성된다.

도 4a 및 도 4b는 이러한 광학 장치(2)의 블록 다이어그램 예시를 도시한다.

광 송신기(2)는 적어도 하나의 입력 광 펄스를 수신하고 입력 광 펄스를 제 1 집적 광학 경로(52)를 따라 전파하는 제 1 광 펄스로 그리고 제 2 집적 광학 경로(54)를 따라 전파하는 제 2 광 펄스로 분할되도록 구성되는 집적 광학 스플리터(50)를 포함한다. 제 2 광학 경로(54)는 제 1 광학 경로(52)보다 길고 제 1 광 펄스와 제 2 광 펄스를 시간적으로 분리하는 광학 경로 길이를 포함한다. 2개의 광학 경로(52, 54) 사이의 광학 경로 길이 차는 바람직하게 광 펄스를 생성하도록 사용되는 광원의 간섭 길이보다 짧다. 집적 광학 스플리터(50)는 원칙적으로 방향성 커플러(DC), 멀티 모드 간섭(MMI) 커플러 또는 Y-브랜치를 포함하되 이에 한정되지 않는 임의의 광학 스플리터(50)일 수 있다. 도 5a는 DC 또는 MMI와 같은 2x2 커플러 인 광학 스플리터(50)의 예시를 도시하고, 도 5b는 Y-브랜치인 스플리터(50)의 예시를 도시한다.

스플리터(50)에 의해 수신된 입력 펄스는 송신기 장치(2)의 일부인 또는 송신기 장치(2)에서 분리되어 있는 광원(56)으로부터 생성될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 광원(56)으로부터 광학 스플리터(50)로의 입력을 표시하는 화살표를 도시한다. 광원(56)은 원칙적으로 임의의 광원(56)일 수 있지만, 바람직하게는 경로 길이 불균형으로부터 제 1 광학 경로(52)와 제 2 광학 경로(54)로부터 출력된 제 1 광 펄스와 제 2 광 펄스 사이의 지연만큼의 간섭 시간을 갖는다. 바람직하게 광원(56)은 시간적으로 변조된 레이저 소스를 포함한다. 레이저 소스는 원칙적으로 임의의 레이저 소스가 될 수 있다. 레이저 소스는 펄스를 출력하는 직접 변조된 레이저 소스를 포함 할 수 있고, 또는 광원(56)은 별개의 변조 소자에 의해 펄스로 변조된 출력을 갖는 연속파(CW) 소스를 포함할 수 있다. 바람직하게는 소스는 후속 펄스와 보다 높은 변조 속도 사이에 안정적인 위상 관계를 제공하기 위해 외부 변조를 갖는 CW 소스이다. 이것은 또한 펄스 레이저 소스를 사용하여 성취될 수 있다. 광원(56)은 바람직하게는 출력 파장이 변경될 수 있도록 조정가능하다. 광원(56)은 바람직하게 본 명세서에 기재된 장치에 의해 요구되는 반복 속도로 펄스를 출력하는 외부 펄스 변조기를 갖는 파장 조정가능한 CW 레이저 원을 포함한다.

입력 펄스는 예컨대 랜덤 변조 패턴에 의해 임의로 출력되는 펄스의 트레인일 수 있다.

스플리터(50)에 의해 수신된 입력 펄스는 바람직하게 입력 펄스의 트레인(미도시)이다. 바람직하게, 입력 트레인은 각각의 펄스가 실질적으로 동일한 강도를 갖는 비제로 강도 펄스 상태의 트레인이다. 광학 스플리터에 동일한 강도의 펄스의 트레인을 입력함으로써, 광학 송신기 장치(2)는 그 다른 부품을 이용하여 장치(2)로부터 출력되는 트레인 내의 펄스의 타이밍, 상대 위상 또는 광자 강도 중 임의의 하나 이상을 선택적으로 수정할 수 있다. 펄스의 트레인은 원칙적으로 임의의 펄스 반복 주파수를 가질 수 있고, 바람직하게 제 1 경로(52)와 제 2 경로(54) 사이의 광학 경로의 상대적 지연의 정수 단계에서, 예컨대, 경로 길이 차가 300ps일 경우, COW 및 DPS는 300ps 주기성을 요하며, BB84는 900ps 반복으로부터 이득을 취할 것이다.

바람직하게, 스플리터(50)에 의해 수신된 펄스는 제 1 광학 경로(52)와 제 2 광학 경로(54) 사이의 광학 경로 길이 차이로부터의 상대 지연의 절반보다 작은 펄스 반치전폭(Full Width Half Maximum; FWHM)을 갖는다. 바람직하게, 이러한 상대 지연이 300ps(표준 InP 도파관에서 26mm)인 경우 FWHM은 150ps보다 작아야하되, 이상적으로는 100ps보다 작아야한다.

광학 송신기 장치(2)는 각각의 제 1 집적 광학 경로(52) 및 제 2 집적 광학 경로(54)로부터 시간적으로 분리된 제 1 및 제 2 광 펄스를 수신하도록 구성된 집적 광학 강도 컨트롤러(58)를 더 포함한다. 집적 광학 강도 컨트롤러(58)는 또한 광학 수신기 장치(4)로의 송신을 위해 컨트롤러(58)로부터 출력된 제 1 및 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어할 수 있도록 구성된다. 따라서, 집적 광학 강도 컨트롤러(58)는 상이한 물리적 광학 경로(52, 54)를 따라 2개의 펄스(스플리터(50)에 의해 분할됨)를 수신하고, 제 1 및 제 2 펄스가 동일한 다양한 레벨의 강도를 갖고 출력 포트(60)로부터 제어가능하게 출력되는 적어도 하나의 출력 광학 포트를 제공한다. 컨트롤러(58)로부터의 제 1 및 제 2 펄스들 중 하나의 출력 강도는 다른 펄스에 비해 증가되거나 감소될 수 있다. 필요한 경우, 펄스들 중 적어도 하나의 광 강도는 0으로 설정될 수 있다(따라서, 펄스는 제로 강도 펄스 상태가 된다). 제 1 및 제 2 펄스가 모두 컨트롤러(58)에 의해 출력될 때(즉, 제 1 및 제 2 펄스 상태가 비제로 강도를 가질 때), 컨트롤러(58)는 양 펄스의 출력 강도가 동일한 것(또는 가능한한 수치적으로 동일한 것)을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(58)는 제 2 광학 경로(54)를 따라 마주 치게되는 제 2 펄스의 광학 손실을 고려하여 제 1 펄스를 감쇠시킬 필요가 있을 수 있다.

광학 송신기 장치(2)는 송신기 장치(2)로부터 출력되는 제 1 또는 제 2 광 펄스 중 적어도 하나의 위상을 변경하도록 구성되는 위상 변조기(62)를 더 포함한다. 위상 변조기(62)는 또한 본 명세서에서 위상 컨트롤러(62)로도 지칭될 수 있다. 위상 컨트롤러(62)는 원칙적으로 스플리터(50)에 의해 분할된 후에 제 1 및 제 2 펄스가 송신기 장치(2)에 들어가는 광학 경로에서의 임의의 지점에 위치될 수 있다. 도 4a는 제 1 광학 경로(52)를 따라 함께 위치되는 위상 변조기(62)를 도시하고, 도 4b는 강도 컨트롤러(58)의 출력(60)을 따라 함께 위치되는 위상 변조기를 도시한다.

위상 변조기(62)는 원칙적으로 위상 변조기가 관련된 광 경로를 가로 지르는 후속 광 펄스의 위상을 독립적으로 변경시키도록 충분히 빠르게 동작할 수 있는 임의의 타입의 위상 변조기(62)일 수 있다. 위상 변조기(62)는 광학 도파관(8)에 의해 가이드되는 광학 모드의 위상을 변경시킬 수 있는 집적 옵틱 위상 변조기인 것이 바람직하다. 위상 변조기 도파관 구조는 임의의 적합한 물질 시스템, 바람직하게는 광학 모드의 유효 인덱스(예를 들어, 전기적 구동 신호에 의해)를 발생시키는 물질의 적어도 하나의 굴절률을 시간적으로 변경시킴으로써 위상 변경(지연)를 광에 입력하도록 외부 제어될 수 있는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 집적된 옵틱 위상 변조기에 바람직한 물질은, 물질이 고유의 비선형 전기 광학 계수를 가지며 저출력 및 보다 짧은 변조기를 허용하는 위상 변조를 더욱 향상시키기 위해 양자 한정 슈타르크 효과를 유도할 수 있기 때문에 InP이다. 또한 InP는 레이저 소스, 광학 증폭기 및 포토다이오드와 같은 모놀리식 제조 공정에서 다른 부품의 통합을 허용한다. 니오브산리튬 및 갈륨 비소를 포함하되 이에 한정되지 않는 위상 변조를 위해 다른 재료가 사용될 수 있다. 위상 변조기(62)는 바람직하게는 위상 변조기를 통해 전파하는 광 펄스에 대해 적어도 0 내지 π 위상 변경, 보다 바람직하게는 0 내지 3π/2 위상 변경, 가장 바람직하게는 0 내지 2π 위상 변경을 제어 가능하게 부여하도록 구성된다.

전술한 송신기 장치(2)의 동작은 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 기재된 양자 암호화 프로토콜에 따른 펄스의 출력을 참조하여 지금 기재된다. 원칙적으로 송신기 장치(2)는 본 명세서에 기재된 수신기(4) 또는 송수신기(6)를 포함하는 임의의 수신기 장치에 펄스를 송신할 수 있되, 이에 한정되는 것은 아니다.

장치(2)는 또한 본 명세서에 상세히 기재되지 않는 기타 프로토콜 및 기타 암호화 작업에 따라 펄스 상태를 출력할 수 있다.

BB84 프로토콜에 따라 장치(2)를 작동시킬 때, 장치(2) 도 3a 또는 도 3b에 도시되고 상기 기재된 바와 같이 BB84 프로토콜의 구현에 따라 펄스 상태를 출력할 수 있다.

도 3a에 도시된 BB84 프로토콜의 구현의 최상부 베이시스(24)를 구현할 때, 장치(2)는 멀티 광자 입력 펄스를 스플리터(50) 및 제 1 광학 경로(52) 및 제 2 광학 경로(54)를 사용하여 2개의 타임 빈으로 분할한다. 광학 강도 컨트롤러(58)는 광학 출력 포트(60)를 따라 제 1 및 제 2 펄스 중 단 하나를 선택적으로 출력한다. 이러한 베이시스(24)의 상부 데이터 값에 있어서, 컨트롤러는 제 1 펄스를 제로 레벨 강도까지 감쇠시키고, 제 2 펄스는 비제로 레벨 강도로 출력되도록 허용한다. 동일한 베이시스(24)의 하부 데이터 값에 대해, 컨트롤러(58)는 제 1 펄스가 비제로 레벨의 강도로 출력되도록 허용하면서 제 2 펄스를 제로 레벨 강도까지 감쇠시킨다.

도 3a의 화살표는 펄스를 수신 장치(4)로 보내는 것을 나타낸다. 수신 장치(4)는 각 펄스를 서브 펄스로 분할하고, 타임 빈(20) 사이의 시간 지연과 동일한 시간 지연만큼 서브 펄스를 지연시키고, 결과적인 간섭 광자를 하나 이상의 감지기에 송신하기 전에 제 2 펄스 타임 빈으로 제 1 펄스 타임 빈(20)을 간섭한다. 특정 예시에서, 수신 장치는 각각 분리된 감지기에서 종결되는 2개의 출력 포트를 갖는 간섭계를 사용할 수 있다. 데이터 값에 대한 제 1 펄스와 제 2 펄스를 비교하는 본 프로세스로부터의 결과 출력은 3개의 측정 된 타임 빈(22)이며, 여기서, 제 1 측정된 타임 빈의 펄스는 하나 이상의 감지기로의 최단 루트에 전파된 제 1 송신된 펄스의 서브 펄스에 대응한다. 중간 측정 된 타임 빈(22)은 지연 경로를 따라 전파 된 제 1 펄스로부터의 서브 펄스 및 더 짧은 경로를 따라 전파된 제 2 펄스로부터의 서브 펄스에 대응한다. 최종 측정된 타임 빈(22)은 지연 경로를 따라 전파된 제 2 펄스로부터의 서브 펄스에 대응한다.

도 3a에 도시된 BB84 프로토콜의 구현의 최상부 베이시스(24)를 사용하여 측정할 때, 수신 장치(4)는 첫 번째 또는 마지막으로 측정된 타임 빈에서 펄스의 존재에 의해 데이터 값을 식별한다.

도 3a에 도시된 BB84 프로토콜의 구현의 최하부 베이시스(26)를 구현할 때, 송신기 장치(2)는 스플리터(50) 및 제 1 광학 경로(52) 및 제 2 광 경로(54)를 사용하여 입력 펄스를 2개의 타임 빈(20)으로 분할한다. 그 후, 광학 강도 컨트롤러(58)는 동일한 광학 출력 포트(60)를 따라 제 1 및 제 2 펄스 모두를 출력한다(즉, 제 1 및 제 2 펄스 상태는 비제로 강도를 갖는다). 위상 컨트롤러(62)는 상이한 타임 빈(20)에서 출력 펄스의 위상을 변경하는데 사용된다. 최상부 데이터 값에 대해, 위상 컨트롤러(62)는 각 타임 빈(20)에서 펄스들 사이에 제로 위상차를 부여하도록 구동되는 반면, 하부 데이터 값에 대해 위상 컨트롤러는 각 타임 빈(20)의 펄스 간의 π 위상차를 부여하도록 구동된다.

도 3a에 도시된 BB84 프로토콜의 구현의 최하부 기저부(26)를 사용하여 측정 할 때, 수신 장치(4)는 중간 측정 된 타임 빈(22)에서의 펄스의 간섭(40)에 의해 데이터 값을 식별한다. 이것은, 중간 측정된 타임 빈(22)의 간섭된 펄스가 위상 차가 0일 때 2개의 출력 포트 중 하나로부터 벗어나거나 간섭 펄스들간의 위상차가 π일 때 다른 출력 포트 다른 하나의 출력 포트로부터 벗어나는 간섭계 컴바이너 후에 2개의 집적 광학 출력 포트를 갖고 모니터링하는 방식을 포함하되 이에 한정되지 않는 다수의 방식으로 수행될 수 있다.

도 3b에 도시된 BB84 프로토콜의 구현의 상부 베이시스(28) 및 하부 베이시스(30)를 구현할 때, 장치(2)는 스플리터(50) 및 제 1 광학 경로(52) 및 제 2 광학 경로(54)를 사용하여 입력 펄스를 2 개의 타임 빈으로 분할한다. 광학 강도 컨트롤러(58)는(제 1 및 제 2 펄스 상태가 비제로 강도를 갖도록) 동일한 광학 출력 포트(60)를 따라 제 1 및 제 2 펄스 모두를 출력한다. 위상 컨트롤러(62)는 상이한 송신된 타임 빈(20)에서의 출력 펄스의 위상을 변경하는데 사용된다. 위상 컨트롤러(62)는 최상위 베이시스(28)에서 하나의 데이터 값에 대하여 제 1 및 제 2 펄스 사이에 π/2 위상차를 부여하기 위해 그리고 동일한 베이시스(28)로 다른 데이터 값에 대해 제 1 및 제 2 펄스 간의 3π/2 위상차를 부여하기 위해 사용된다.

이러한 베이시스(28)가 도 4a에 도시된 장치(2)를 사용하여 구현되면, 위상 변경이 짧은 경로(52)를 이동하는 제 1 펄스를 컨트롤러(58)에 부여된다. 이러한 베이시스가 도 4b에 도시된 장치(2)를 사용하여 구현될 경우, 위상 변경은은 컨트롤러가 출력할 때 두 펄스 중 하나에서 구현될 수 있다. 어느 경우에나, 위상 변조기(62)는 위상 변조기(62)를 통해 이동하는 후속 펄스들의 위상을 독립적으로 변경 시키도록 구성 될 필요가 있다.

하부 베이시스(30)에 대해, 위상 컨트롤러(62)는 하나의 데이터 값에 대하여 제 1 펄스와 제 2 펄스 간에 제로 위상차 그리고 동일한 베이시스(30)에서 다른 데이터 값에 대해 제 1 펄스와 제 2 펄스 간에 π 위상차를 부여하도록 사용된다.

도 3a의 하부 베이시스(26)의 측정과 유사한 방법으로, BB84의 이러한 구현에서 베이시스(28, 30)의 측정은 중간 측정된 빈(22)에서의 펄스의 간섭(40)을 조사함으로써 행해진다.

COW 프로토콜에 따라 송신기(2)를 동작시킬 때, 송신기 장치(2)는 전술한 바와 같이 그리고 도 3c에 도시된 바와 같이 제로 상태, 하나의 상태 및 디코이 상태와 관련된 펄스를 출력할 수 있다.

도 3c에 도시된 COW 프로토콜의(논 디코이 상태) 베이시스(32)를 구현할 때, 장치(2)는 스플리터(50) 및 제 1 광 경로(52) 및 제 2 광 경로(54)를 사용하여 입력 펄스를 2개의 타임 빈(20)으로 분할한다. 그 다음, 광학 강도 컨트롤러(58)는 광학 출력 포트(60)를 따라 제 1 및 제 2 펄스 중 하나만을 선택적으로 출력한다. 베이시스(32)의 가장 오른쪽 데이터 값에 대해, 컨트롤러(58)는 제 1 펄스를 제로 레벨 강도로 감쇠시키고, 제 2 펄스는 비제로 레벨 강도로 출력되게 한다. 동일한 베이시스(32)의 가장 왼쪽 데이터 값에 대하여, 컨트롤러(58)는 제 1 펄스가 비제로 레벨 강도로 출력되도록 허용하면서 제 2 펄스를 제로 레벨 강도까지 감쇠시킨다.

대안적으로, 장치(2)는 타임 빈 분리의 반복 속도(따라서 후속 펄스 시간 분리)에서 펄스 소스로부터 입력 펄스를 수신할 수 있다. 스플리터(50)는 펄스를 분할하지만, 컨트롤러(58)는(컨트롤러(58)에 입력된) 제 1 경로 또는 제 2 경로 중 하나로부터의 펄스만을 출력하도록 설정된다. 그런 다음 추가 강도 변조기(도 4a 또는 도 4b에 미도시)가 수신기(4)로의 펄스 출력의 강도를 변조하는데 사용될 수 있다. 그러한 추가 강도 변조기의 예시가 도 6a 내지 도6c에 도시된다.

COW 프로토콜에 대한 수신된 펄스를 측정할 때, 유입 펄스의 비율은 그 도착 시간을 측정하여 보안 키를 생성함으로써 모호하지 않게 식별된다. 다른 비율은 2개의 연속적인 비어 있지 않은 펄스를 간섭함으로써 채널의 일관성 및 보안을 평가하는데 사용되며, 도청하는 제 3 자로부터 생성된 펄스 빈 상의 위상 변경이 이 간섭을 조사함으로써 검출될 수 있다. COW 프로토콜 펄스를 수신할 때, 유입 펄스는 유입 광학 신호의 강도를 명목상으로 2개의 공간적으로 분리된 경로로 나누는 광학 스플리터를 사용하여 두 부분으로 분할될 수 있다. 의도되지 않은 비제로 강도 펄스에서 단일 광자를 사용하는 방식에서, 광자는 2 개의 공간적으로 분리된 광 경로 중 하나의 경로로 지향되고, 여기서 하나의 경로는 펄스의 타이밍을 측정하고, 다른 경로는 광자를 인접한 연속적인 펄스 빈의 광자로 광자를 간섭하도록 셋업된다. 디코이 상태는 2개의 연속적인 비어 있지 않은 펄스를 제공하여 의도적으로 이러한 간섭 측정을 허용하지만 랜덤 스트림에서도 발생할 수 있다.

도 3d에 도시된 DPS 프로토콜을 구현할 때, 장치(2)는 타임 빈(20) 분리의 반복 속도(따라서 후속 펄스 시간 분리)로 펄스 소스로부터 입력 펄스를 수신한다. 그 후, 장치(2)는 스플리터(50) 및 제 1 광학 경로(52) 및 제 2 광학 경로(54)를 사용하여 입력 펄스를 2개의 타임 빈으로 분할한다. 광학 강도 컨트롤러(58)는 컨트롤러(58)의 광학 출력 포트(60)를 따라 제 1 및 제 2 펄스 중 하나만을 선택적으로 출력하여 제 1 펄스의 트레인 또는 제 2 펄스의 트레인을 출력한다. 트레인 내의 각 후속 펄스의 위상은 데이터 값을 인코딩하는데 필요한 위상차를 제공하기 위해 위상 변조기(62)에 의해 조정될 수 있다. 도 4a에서, 컨트롤러(50)는 위상 컨트롤러(62)가 이 경로(52)를 따라 동일하게 배치되기 때문에 제 1(짧은) 광학 경로를 따라 전파하는 펄스만을 출력할 것이다.

DPS 프로토콜에 대한 수신된 펄스를 측정할 때, 각각의 연속적으로 측정된 타임 빈에 대한 간섭 조건은 상술한 바와 유사한 방식으로, 예를 들어 불균형 간섭계를 사용하여 조사된다.

도 3e에 도시된 RFI 프로토콜을 구현할 때, 장치(2)는 타임 빈(20) 분리의 반복 속도(따라서 후속 펄스 시간 분리)로 펄스 소스로부터 입력 펄스를 수신한다. 그 다음, 장치(2)는 스플리터(50) 및 제 1 광학 경로(52) 및 제 2 광학 경로(54)를 사용하여 입력 펄스를 분할한다. 광학 강도 컨트롤러(58)는 광학 출력 포트(60)로부터 출력될 제 1 및 제 2 펄스 중 하나만을 선택적으로 출력하여, 제 1 펄스의 트레인 또는 제 2 펄스의 트레인을 출력한다. 강도 컨트롤러 후에 위치된 하나 이상의 추가 광학 부품(도 4a 또는 도 4b에 미도시)은 a) 강도 컨트롤러(58)로부터 출력된 각각의 펄스를 공간적으로 분리된 광학 경로(42, 44)를 따라 출력된 비제로 강도 광학 펄스로 분할함으로써; 그리고 b) 2개의 출력 펄스간의 위상차를 부여하여 X 및 Y 베이시스의 데이터 값에 대하여 펄스를 생성하도록 사용될 수 있다. 동일한 추가 광학 부품은 또한 강도 컨트롤러(58)로부터 출력된 각각의 펄스를 하나의 비제로 강도 광학 펄스와 공간적으로 분리된 광학 경로(42, 44)를 따르는 다른 제로 강도 출력으로 분할함으로써 Z 베이시스의 데이터 값에 대한 펄스를 생성하는데 사용될 수 있다. 강도 컨트롤러(58)로부터 펄스를 수신하고 RFI 베이시스를 출력하는 그러한 추가 광학 부품의 예시는 도 6c의 강도 변조기 부품(64)이다.

강도 컨트롤러(58)가 제 1 펄스 또는 제 2 펄스 중 어느 하나에 대해 제로 강도 펄스 상태를 출력하는 상기 동작 구성 중 임의의 경우에, 제로 강도로 감소하는 바람직한 펄스는 경로 길이 손실이 출력 펄스에 대하여 최소화되도록 더 긴 제 2 경로를 이동하는 펄스다.

강도 컨트롤러(58)로부터 출력된 임의의 프로토콜에 따른 출력 펄스 상태는 예를 들어 펄스 당 평균 광자 수를 줄이기 위해 수신 장치로 송신되기 전에 다른 광학 부품에 의해 추가로 강도 변조될 수 있다.

양자 키의 데이터 값을 형성하는 펄스 상태는 추가 강도 변조기(64) 또는 스플리터 소자와 같이 강도 컨트롤러(58) 후에 위치되는 다른 광학 부품의 집적 옵틱 도파관의 출력 포트 또는 강도 컨트롤러(58)의 출력 포트(60)와 같은 집적 옵틱 도파관으로부터 송신기 장치(2)로부터 출력될 수 있다. 출력은 통상적으로 송신기 장치에 대한 송신을 위한 광학 섬유에 결합된다.

이제, 본 명세서에 기재된 송신기 장치(2)를 추가하거나 수정하기 위해 사용될 수 있는 임의의 하나 또는 그 이상의, 장치(2)의 선택적인 특징들, 컴포넌트들 및 구성들의 추가 세부 사항이 개시된다.

광학 강도 변조기

광 송신기 장치(2)는 도 6a에 도시된 바와 같이 수신기 장치로의 송신을 위해 광학 강도 컨트롤러(58)로부터 출력된 제 1 및 제 2 펄스 중 임의의 하나 이상을 수신하도록 구성된, 광학 강도 변조기(64)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 광 강도 변조기(64)는 본 명세서에서 기재된 바와 같이 집적 옵틱 도파관(8)을 포함한다. 추가 광학 강도 변조기(64)는 또한(컨트롤러(58)로부터의) 후속 수신 펄스들의 강도를 독립적으로 변경시키고 광학 수신기 장치로의 송신을 위해 제 1 및 제 2 펄스들 중 임의의 하나 이상을 출력하도록 구성된다.

도 6b 및 도 6c는 감쇠기를 통해 전파하는 펄스를 선택적으로 제어가능하게 감쇠하도록 구성된 단일 입력/단일 출력 경로 강도 변조기(66)를 도 6b에서 도시하는 광학 강도 변조기(64)의 예시적인 구현을 도시한다. 이 구성에서의 변조기(66)의 예시는 집적 옵틱 전자 흡수 변조기일 수 있다.

광 강도 변조기의 강도 변조의 속도(rate)는 바람직하게는 적어도 강도 컨트롤러(58)로부터 입력된 펄스의 속도만큼 빠르다. 이러한 구현은, 공간적으로 분리된 출력 경로를 따라 펄스가 전파해야 하는 RFI 프로토콜에 따라 다른 광학 부품(미도시)이 펄스를 출력할 것을 요한다.

도 6c는 변조기가 마하 젠더(MZI) 타입 변조기(68)인 강도 변조기(64)의 대안적이고 바람직한 구현을 도시한다. 이러한 광학 강도 변조기(64)의 마하 젠더(68) 구현은 적어도 2개의 광학 출력 경로(70, 72)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 위상 변조기(74)는 MZI(68)의 스플리터(76)와 리컴바이너(recombiner)(78) 사이에서 MZI의 아암 중 적어도 하나와 관련된다. 바람직하게, 도 6c에서 예시된 바와 같이 각 아암상에는 하나의 위상 변조기(74)가 있다. 아암 위상 변조기(74)는 본 명세서에 기재된 다른 타입의 위상 변조기와 유사한 구성을 가질 수 있다.

따라서, 추가 광학 강도 변조기(64)가 MZI 구성(68)에 있을 때, 그것은 2개의 출력 광학 경로(70, 72)를 포함할 수 있고, 제 1 또는 제 2 펄스 중 적어도 하나를 입력으로서 수신하고, 상기 펄스를 2개의 서브 펄스로 분할되고, 컴바이너(78)에서 상기 서브 펄스를 간섭시키고; 2개의 광학 출력 경로(70, 72) 중 적어도 하나를 따라 간섭 펄스를 출력하도록 구성된다. MZI(68)는 하나 이상의 입력 포트(80, 82)를 가질 수 있다. 도 6c에 도시된 바람직한 구성에서, MZI는 2개의 입력 포트를 가지며, 하나(80)는 컨트롤러(58)의 출력(60)과 광학 통신하며, 다른 하나(82)는 추가 입력 도파관(84)과 광학 통신한다.

MZI(68)는 바람직하게는 동일한 광학 경로 길이를 갖는 광학 아암을 갖는 균형 MZI이지만, 원칙적으로, 불균형 MZI는 충분히 건설적이고 파괴적인 간섭으로 간섭할 아암이 송신될 프로토콜에 대하여 출력 펄스 상태를 요한 후에 경로 길이차가 펄스가 재결합하는 것을 허용하는 한 사용될 수 있다.

MZI의 출력(70, 72) 중 적어도 하나는 도 6c에 도시된 바와 같이, 수신기 장치로 송신되기 전에 적어도 하나의 위상 변조기(86)에 입력될 수 있다. 이러한 위상 변조기(86)는 예를 들어 도 4a에 도시된 위상 변조기와 실질적으로 유사한, 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 임의의 위상 변조기 구성을 취할 수 있다. 바람직하게 위상 변조기는 변조기(64)로부터 펄스를 출력하는데 사용되는 도파관의 섹션을 포함한다. 이 위상 변조기(86)는 수신기 장치쪽으로 상기 출력 경로를 따라 전파하는 광학 펄스의 위상을 변경하도록 구성된다. MZI 출력 경로(70)와 관련된 위상 변조기(86)를 갖는 MZI(68)의 그러한 구성을 갖는 것은 송신기(2)가 RFI 포맷의 펄스를 출력하게 한다. 이것은 강도 변조기(64)로의 각각의 연속적인 펄스 입력을 취하고, 각 아암에서 위상 변조기(74)를 구성하여 MZI 출력 포트(70, 72) 중 하나 또는 둘 모두에 제로 또는 비제로 강도 펄스를 출력하며, 위상 변조기(86) 시용시 2개의 출력 펄스간의 위상을 변경함으로써 성취된다.

하나의 물리적 출력 만이 요구되는 다른 프로토콜의 경우, MZI(68)는 MZI(68)를 통해 강도 컨트롤러(58)로부터 출력된 펄스의 모든 강도를 수신기 장치로의 송신을 위해 출력 포트(70)로 라우팅하는데 사용될 수 있다.

대안적으로, MZI(68)는 수신기로의 송신을 위해 펄스 강도의 일부만을 출력 포트(70)로 라우팅하고 나머지 부분을 수신기를 위한 것이 아닌 MZI 출력 포트(72)로 라우팅하는 데 사용될 수 있다. 이것은 펄스 당 평균 광자 수를 줄이는 것을 포함하여 여러 가지 이유로 필요할 수 있다. 동일한 펄스 내에 다수의 광자가 있는 펄스를 사용하면 일반적으로 이브(eve)가 키를 학습할 확률이 높아진다. 도 6c에 도시된 구성은 BB84, COW, RFI 및 DPS에 따라 펄스 상태를 출력하는 데 사용될 수 있다.

이러한 구성의 출력 아암 상의 위상 변조기(86)는 도 4b와 관련하여 전술한 위상 변조기(62) 대신에 사용될 수 있으며, 여기서 광학 강도 변조기(64)(도 4b에 미도시)는 강도 컨트롤러(58)와 위상 변조기(86) 사이에서 삽입된다. 대안적으로, 송신기는 도 6c에 도시된 바와 같이 위상 변조기(62 및 86) 모두를 가질 수 있다.

강도 컨트롤러

광학 강도 컨트롤러(58)는 원칙적으로 임의의 구성을 가질 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 강도 컨트롤러(58)에 대한 2개의 대안적인 구성을 도시한다. 도 5b는 Y-컴바이너(90)의 각 입력 아암 상에 전기 흡수 변조기(EAM)와 같은 2개의 가변 광학 감쇠기(92)를 갖는 Y-컴바이너(90)가 되는 일 예시를 도시한다.

바람직하게, 광학 강도 컨트롤러(58)는 적어도 2개의 입력 광학 경로(96, 98); 적어도 2개의 중간 광학 아암 및 적어도 2개의 출력 광학 경로(60)를 포함하고, 적어도 2개의 출력 광학 경로(60) 중 하나는 수신기로의 송신을 위한 펄스들을 출력하는데 사용된다. 적어도 하나의 아암은 아암을 따라 전파하는 펄스의 위상을 변경시키도록 구성된 위상 변조기(98)와 관련된다.

이러한 구성은 상술한 광학 강도 변조기(64)에 대한 MZI(68) 구성과 유사한 MZI(100)(또는 다른 간섭계)일 수 있고, 광학 강도 컨트롤러(58)는 입력된 제 1 또는 제 2 펄스 중 하나를 수신하고, 각각의 상기 펄스를 2개의 서브 펄스로 분할하며 출력 광학 경로 중 적어도 하나를 따라 출력하기 위해 상기 서브 펄스를 간섭하도록 구성된다. 이러한 MZI(100) 구성을 사용하는 것은 컨트롤러(58)가 수신 장치로의 송신을 위해 컨트롤러(58)로부터 출력되는(60) 제 1 및 제 2 펄스 각각의 강도를 변경시키는 것을 허용한다. 이것은 이러한 MZI의 광학 아암 중 하나와 관련된 적어도 하나의 위상 변조기(98)를 제어함으로써 성취될 수 있다. 바람직하게는, 각각의 아암은 본 명세서의 다른 곳에서 기재된 것과 유사한 독립적으로 제어가능한 개별 위상 변조기(98)와 관련된다. 컴바이너(102)에서의 서브 펄스 간의 위상차는 2개의 출력 포트(60)로부터 출력된 광의 비율을 결정한다.

펄스들 중 하나가 제로 강도 상태로 출력될 필요가 있을 때, 위상 변조기(98)는 MZI(100)가 수신기 장치로의 송신을 의도하지 않은 다른 출력 포트(60)로부터 전체 펄스 강도를 출력하도록 설정된다.

강도 컨트롤러(58)는 특히 광학 경로들 중 하나가 다른 광학 경로보다 더 많은 광학 손실을 도입할 때(예를 들어, 더 긴 제 2 광학 경로가 더 짧은 제 1 광학 경로보다 손실될 때), 동일한 강도의 제 1 및 제 2 펄스를 출력하도록 구성될 수 있다.

광원

도 7a 및 도 7b는 광원(56)을 더 포함하는 본원에 기재된 광학 송신기 장치(2)의 예시의 블록도를 도시한다.

광원(56)은 바람직하게 펄스를 광학 스플리터(50)에 입력하도록 구성되며, 바람직하게는 광원(104) 및 소스 광학 변조기(106)를 포함하며, 소스 광학 변조기(106)는 광원(106)으로부터 광을 수신하고 광학 스플리터(50)에 광 펄스를 출력하도록 구성된다. 소스 광학 변조기(106)는 임의의 강도 변조기, 예를 들어 EAM 일 수 있다. 바람직하게 소스 광학 변조기(106)는 상기 광학 변조기(68)에 대해 전술 한 바와 같은 MZI와 같은 균형 간섭계(108)이다. 소스 MZI 변조기(108)는 스플리터(50)로 출력하기 위해 원하는 반복율로 광 펄스를 제어 가능하게 출력하도록 구성된다.

도 8은 2개의 반사 부품(112) 사이에 위치된 집적 옵틱 도파관 이득 섹션(110)(예를 들어, 반도체 광학 증폭기(SOA))을 포함하는 광원(104)의 선호되는 예시를 도시한다. 집적 옵틱 이득 섹션(110)은 원틱적으로 임의의 광학 이득 섹션 일 수 있되, 바람직하게는 밀도 반전(population inversion)을 유지하도록 전자 펌핑되도록 구성된 반도체 도파관 설계를 포함한다. 반사 부품(112)은 원칙적으로 레이저 공동 이득 섹션(110)내로 반사 광학 피드백을 제공하는 임의의 광학 부품 일 수 있다. 반사 부품(112)은 바람직하게 격자에 의해 반사된 파장을 조절하기 위해 전기적으로 제어되도록 구성된 조정가능한 브래그 격자이다. 반사 부품(112) 중 하나는 소스 변조기(106)에 광학적으로 링크된 출력 도파관에 결합된다. 파장 조절가능한 그리고 펄싱된(pulsed) 광원(56)을 갖는 것은 송신기 장치(2)가 복수의 파장 채널을 사용하는 상이한 프로토콜에 따라 펄스를 출력하는 것을 허용한다.

원칙적으로 다른 광원(104)이 사용될 수 있다. 장치(2)가 BB84 및 RFI 프로토콜을 동작시키는 경우, 소스(104)는 LED와 같은 비간섭성 소스 또는 전기 또는 광학적으로 자극되는 단일 광자 송신기를 포함할 수 있다. SPDC 나 SFWM과 같은 비선형 프로세스로부터의 알려진 단일 광자 소스가 또한 사용될 수 있다.

송신기 장치의 예시

스플리터(50), 제 1 집적 광학 경로(52) 및 제 2 집적 광학 경로(54), 강도 컨트롤러(58), 위상 변조기(62), 강도 변조기(64) 및 추가적인 출력 위상 변조기(86)를 갖는 송신기 장치(2)의 예시가 도 9a에 도시된다. 스플리터(50)는 MMI 커플러와 같은 2x2 커플러이다. 스플리터(50)와 광학적으로 결합된 더 짧은 제 1 광학 경로(52)는 그 경로를 따라 위상 변조기(62)를 갖는다. 강도 컨트롤러(58)는 각각의 중간 MZI 아암 상에 위상 변조기(98)를 갖는 균형 집적 옵틱 MZI(100)이다. MZI(100)는 2개의 입력 포트(94, 96) 및 2개의 출력 포트(60)를 가지며, 따라서 2×2 MZI로 지칭될 수 있다. 컨트롤러(58)의 출력 포트들(60) 중 하나는 강도 변조기(64)에 입력된다. 이러한 예시에서 강도 변조기(64)는 컨트롤러(58)의 MZI(100)와 실질적으로 유사한 균형 집적 옵틱 MZI(68)이다. MZI 강도 변조기(68)의 출력 중 하나(70)는 위상 변조기(86)로 출력되고, 그 출력은 광학 수신기 장치를 위한 것이다. 강도 컨트롤러(64)의 다른 출력 포트(72)는 다른 출력 포트(72)를 나가는 광의 강도를 결정하기 위해 모니터링 될 수 있다.

이러한 예시에서 모든 MZI는 2x2 MMI 커플러를 스플리터/컴바이너 요소로 사용하지만 원칙적으로 다른 2x2 커플러를 사용할 수도 있다.

송신기 장치(2)의 추가 예시는 도 9b에 도시되어 있다. 송신기 장치(2)는 단일 광자 집적 옵틱 칩 상에 모놀리식으로 집적된다. 이러한 예시는 송신기 장치(2)가 전술된 바와 같이 MZI 구성(108)의 '소스' 변조기(106)내에 결합된 도 8을 참조하여 상기 기재된 광원(104)을 포함하는 소스(56)를 더 포함한다는 점을 제외하고는 도 9a에 도시된 것과 유사한 부품을 갖는다. 소스 변조기(MZI)(108)의 출력 포트들(114) 중 하나는 스플리터(50)내에 펄스를 입력하는 데 사용되는 반면, 다른 하나(116)는 광 강도 레벨을 모니터링하는데 사용된다. 바람직하게, 소스 변조기(MZI)(108)는 컨트롤러(58)의 MZI(100)와 실질적으로 유사하다.

광원(56)로부터 출력된 광 강도 레벨의 모니터링은 광학 섬유 또는 다른 광학 송신 수단에 의해 출력 포트(116)에 광학적으로 결합될 수 있는 감광성(photo sensitive) 감지기에 상기 광을 입력함으로써 성취될 수 있다. 대안적으로, 임의의 모니터링 감지기는 다른 집적 옵틱 부품과 동일한 집적 옵틱 칩 상에 위치될 수 있다.

장치에 사용되는 임의의 MZI는(예를 들어, 도 9a/9b에 도시된 바와 같이 칩의 단부 패싯에서 종결 됨으로써) 광학적으로 액세스될 수 있는 도파관(8)에 광학적으로 결합된 여분의(명목상 사용되지 않는) 입력/출력 포트 중 임의의 것을 가질 수 있다. 이러한 도파관(8)은 테스팅, 특성화 또는 교정과 같은(이에 한정되지 않음) 활동을 위해 장치(2)로부터의 출력된 광을 모니터링하고 및/또는 장치(2)내로 광을 입력하는데 사용될 수 있다. 또한, 간섭계 구조물에 사용되는 스플리터/컴바이너 중 임의의 것이 50/50 분할비(splitting ratio)를 갖는 것이 바람직하다.

리시버

다른 광학 장치(2, 6)로부터 수신된 광 펄스로부터 양자 암호 키를 생성하기 위한 적어도 제 1 광학 감지기(202) 및 제 2 광학 감지기(204)에 광을 출력하기에 적합한 광학 장치(4)가 여기서 제시된다. 양자 암호 키는 적어도 하나의 양자 암호 기술에 따라 생성되고; 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스 사이의 위상차를 적어도 비교한다.

도 10은 그러한 광학 장치(4)의 블록도의 예시를 도시한다.

광학 장치(4)는 적어도 제 1 및 제 2 광 펄스를 수신하고 제 1 출력 광학 경로(208) 및 제 2 출력 광학 경로(210) 사이의 각각의 상기 펄스의 출력 강도를 제어하도록 구성된 제어가능한 집적 광학 스플리터(206)를 포함한다. 제 1 출력 광학 경로(208)는 제 1 광학 감지기(202)(도 10에 도시되지 않음)와 광학적으로 통신하도록 구성된다.

광학 장치(4)는 집적 광학 소자를 더 포함한다. 이 소자는 제어가능한 광 스플리터(206)의 제 2 출력 광학 경로(210)로부터 상기 제 1 및 제 2 광 펄스의 적어도 일부를 수신하도록 구성된다. 소자(212)는 또한 각각의 상기 수신된 펄스를 분할해서 제 1 집적 광학 경로(214)를 따라 전파하는 제 3 광 펄스와 제 2 집적 광학 경로(216)를 따라 전파하는 제 4 광 펄스로 출력하도록 구성된다. 제 2 집적 광학 경로(216)는 제 1 집적 광 경로(214)보다 길고 제 3 및 제 4 광 펄스를 시간적으로 분리하는 광학 경로 길이를 포함한다.

광학 장치(4)는 대응하는 제 1 집적 광학 경로(214) 또는 제 2 집적 광학 경로(216)를 따라 전파하는 제 3 또는 제 4 광 펄스 중 적어도 하나의 위상을 제어 가능하게 변경하도록 구성된 위상 변조기(218)를 더 포함한다. 도 10은 더 짧은 제 1 광학 경로(214)와 관련된 이러한 위상 변조기(218)를 도시하고 있지만, 원칙적으로 위상 변조기(218)는 더 긴 제 2 광학 경로(216)와 관련될 수 있다. 선택적으로, 분리된 위상 변조기(218)는 제 1 광학 경로(214) 및 제 2 광학 경로(216)의 각각과 관련될 수 있다.

광학 장치(4)는 각각의 제 1 및 제 2 집적 광학 경로(214 및 216)로부터 시간적으로 분리된 제 3 및 제 4 광 펄스를 수신하도록 구성된 집적 광학 컴바이너(220)를 포함한다. 집적 광학 컴바이너(220)는 또한 제 1 광 펄스로부터 분할된 제 4 광 펄스를 제 2 광 펄스로부터 분할된 제 3 광 펄스와 간섭시키고 결합된 펄스를 제 2 광학 감지기(204)(도 10에 미도시)로 출력하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 인접한 펄스들의 부분들이 간섭된다.

그러므로, 집적 광학 소자(212), 제 1 집적 광학 경로(214) 및 제 2 집적 광학 경로(216) 및 집적 광학 컴바이너(220)는 일부 프로토콜에 대해 불균형 간섭계(예를 들어, 불균형 MZI)를 형성하도록 구성될 수 있다. 위상 변조기(218)는 특정 프로토콜 베이시스를 측정하기 위해 제 1 및 제 2 집적 광학 경로(214 및 216)를 따라 전파하는 제 3 또는 제 4 광 펄스 사이에 필수 위상차를 부여할 수 있다.

동작에 있어서, 수신 장치(4)는 다수의 상이한 프로토콜에 대해 (QKD 송신기로부터 송신된) 유입 광 펄스 상태를 분석하도록 구성될 수 있다. BB84 프로토콜의 경우, 바람직하게, 제어가능한 스플리터(206)는 모든 입사광을 광학 소자(212)로 라우팅하여, 어떠한 광도 제 1 광학 감지기(202)에 들어가지 않게 한다. 소자(212), 제 1 집적 광학 경로(214) 및 제 2 집적 광학 경로(216) 및 집적 옵틱 컴바이너(220)는 상기 기재된 바와 같이 3개의 측정된 타임 빈(22)을 생성하는데 사용된다. 제 1 집적 광학 경로(214)와 제 2 집적 광학 경로(216) 사이의 광학 경로 차는 바람직하게 연속하는 유입 타임 빈(20) 사이의 시간 지연과 동일한 제 3 펄스와 제 4 펄스 사이의 시간적 지연을 제공하도록 설정된다. 컴바이너(220)로부터의 광학적 출력(222)은 제 3 및 제 4 펄스의 간섭으로부터 출력되는 단일 광자의 타이밍 도달을 모니터링하기 위해 사용된다. 컴바이너(220)는 하나 이상의 출력(220)을 가질 수 있지만 바람직하게는 MMI 또는 DC와 같은 2x2 컴바이너이며, 여기서, 출력 포트(222a) 중 하나는 제 2 감지기(204)에 결합된다. 바람직하게 다른 출력 포트(222b)는 도 13b에 예시된 바와 같이 제 3 감지기(205)에 결합된다.

컴바이너(220)의 출력(222a, 222b)에 광학적으로 결합된 2개의 감지기(204, 205)를 갖는 것은 제 3 및 제 4 펄스의 간섭의 보다 정확한 모니터링을 허용한다. 상이한 베이시스 세트의 펄스들에 대해 상이한 위상들이 사용되는 상이한 베이시스들을 측정하기 위해, 위상 변조기(218)는 제 3 및 제 4 펄스들이 제 2 감지기(204)가 동일한 베이시스 세트의 데이터 값을 구별하도록 허용하는 방식으로 컴바이너(220)에서 간섭하도록 요구된 위상 변경을 입력하는데 사용된다.

COW 프로토콜을 동작시킬 때, 제어가능한 광학 스플리터(206)는 나머지 광자 신호가 집적 광학 소자에 결합되는 동안 제 1 광학 감지기에 유입 펄스의 일부를 탭 오프(tap off)하도록 설정된다. 이러한 분할비는 제 1 감지기(202)가 유입 펄스로부터 광자를 감지할 수 있게 허용하는 임의의 비율, 예를 들어 60/40(60%가 광학 소자(212)를 향해 나아감, 더욱 바람직하게는 50/50) 보다 양호한(즉 더 큰) 비율로 유입 광을 분할하도록 구성되는 비율이 될 수 있다. 이러한 탭 오프는 도착 측정의 시간이 보안 키를 생성하는데 사용되도록 허용하고, 광의 다른 부분은 상기 기재된 바와 같이 간섭을 사용하여 통신 채널의 보안을 결정하기 위해 소자(212), 제 1 경로(214) 및 제 2 경로(216) 및 컴바이너(220)로 이동한다.

도 11a 및 도 11b는 원칙적으로 임의의 적절한 집적 광학 스플리터(206)가 제어가능한 출력 분할비로 상기 기재된 바와 같이 사용될 수 있지만 광학 장치(4)와 함께 사용될 수있는 상이한 제어가능한 집적 광학 스플리터(206)의 두 가지 상이한 예시를 도시한다.

도 11a는 집적 광학 스플리터(206)가 단일 광학 입력 포트(224) 및 2개의 광학 출력 포트(208, 210)를 갖는 집적 옵틱 커플러(207)를 포함하는 장치(4)를 도시한다. 커플러(207)는 2개의 출력 포트(208, 210) 사이에서 광의 가변 분할비를 갖도록 제어가능하다. 커플러(207)는 MMI 커플러, 방향성 커플러 또는 Y 브랜치 커플러일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 제어 가능성(즉, 2개의 공간적으로 분리된 출력 포트(208, 210)로의 입력 광의 분할비를 제어하는 능력)은 하나 이상의 전자 신호에 의해 구동되는 광학 효과를 포함하는 임의의 적절한 수단을 사용하여 성취될 수 있다. 분할비를 제어하는 광학 효과는 열 광학(thermo-optic), 전기 광학 및 변형 유도 광학 비선형성을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 효과일 수 있다.

도 11b는 집적 광학 스플리터가 2개의 광학 입력 포트(224a, 224b) 및 2개의 광학 출력 포트(210, 208)를 갖는 MZI(226)를 포함하는 장치를 도시한다. 집적 광학 간섭계(226)는 제 1 광학 펄스 경로를 수신하기 위한 제 1 광학 입력 경로(224a), 제 2 광학 펄스 경로를 수신하기 위한 제 2 광학 입력 경로(224b), 적어도 2개의 간섭 아암 및 제 1 출력 광학 경로(208)와 제 2 출력 광학 경로(210) 사이의 각각의 펄스의 출력 강도를 변경하기 위하여 상기 아암을 따라 전파하는 펄스에 위상 변경을 제어가능하게 부여하도록 구성된 적어도 하나의 위상 변조기(228)를 포함할 수 있다. 도 11b는 2개의 이러한 위상 변조기(228)를 도시하며, 각각은 상이한 아암과 관련되고 각 아암을 따라 전파하는 광의 위상을 제어하도록 구성된다. 간섭계(226) 및 간섭계의 부품들은 송신기 장치(2)의 광학 강도 변조기(64, 68)에 대하여 상기 기재된 부품들과 유사할 수 있고, 여기서, 송신기 장치(2)의 변조기(64)의 입력 포트들(80, 82)은 본 간섭계(226)의 출력 포트(208, 210)와 동일하며, 그 반대도 가능하다. 2개의 입력 포트(224a, 224b)를 갖는 것은 수신기 장치(4)가 RFI 프로토콜을 동작하게 하고, 도 3e에 도시 된 2개의 공간적으로 분리된 입력 펄스는 MZI의 2개의 입력 포트(224a, 224b)내에 입력된다. MZI는 X/Y 베이시스의 2개의 입력 펄스를 간섭하고 하나의 MZI 출력 포트(208)를 통해 제 1 감지기(202)에 그리고 다른 MZI 출력 포트(210)를 통해 제 2 감지기(204)에 광을 출력하도록 사용된다. RFI X 및 Y 베이시스들을 모니터링할 때, 간섭 장치(226)는 단지 하나의 시간적 경로가 취해지도록 구성될 것이다.

도 12a 및 도 12b는 제어가능한 광학 스플리터(206)의 제 2 출력 광학 경로(210)로부터 펄스를 수신하고 각각의 상기 수신된 펄스를 제 1 집적 광학 경로(214)를 따라 전파하는 제 3 광 펄스와 제 2 집적 광학 경로(216)를 따라 전파하는 제 4 광 펄스로 분할하도록 구성되는 집적 광학 소자(212)의 2개의 예시를 도시한다. 원칙적으로 임의의 집적 광학 컴포넌트는 도 12a에 도시된 바와 같이 1x2 MMI 또는 Y 브랜치 스플리터를 포함하여 사용될 수 있다.

집적 광학 소자(212)는 바람직하게 컨트롤러로부터 출력된 제 3 및 제 4 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성된 집적 광학 강도 컨트롤러를 포함한다. 도 12b는 집적 광학 간섭계(230)를 포함하는 이러한 컨트롤러의 선호되는 예시를 도시한다. 간섭계(230)는 제어가능한 집적 광학 스플리터(206)로부터 광학 펄스를 수신하기 위한 광학 입력 경로(232a)를 포함한다. 도 12b는 2개의 광학 입력 포트(232a, 232b) 및 2개의 광학 출력 포트(234a, 234b)를 갖는 집적 옵틱 MZI 구성을 갖기 위한 간섭계를 도시한다. 간섭계(230)는 또한 적어도 2개의 간섭 아암을 포함한다. 이러한 아암은 바람직하게는 경로 길이가 동일하되, 원칙적으로 간섭계 아암으로 분할된 펄스가 간섭계(230)의 제 2 (출력) 커플러(236)에서 간섭하도록 충분히 짧은 경로 길이 차이를 가질 수 있다. 간섭계(230)는 또한 상기 간섭계 아암 중 하나와 결합되고 상기 스플리터(240)로부터 출력된 제 3 및 제 4 펄스의 상대 출력 강도를 변경하기 위해 상기 아암을 따라 전파하는 펄스에 위상 변경을 제어 가능하게 부여하도록 구성된 적어도 하나의 위상 변조기(238)를 포함한다. 도 12b는 각각 상이한 간섭계 아암과 관련되는 2개의 그러한 위상 변조기(238)를 포함한다. 스플리터(240), 컴바이너(236), 간섭계 아암, 위상 컨트롤러(238) 및 입/출력 광학 포트(232a/232b, 234a/234b)를 포함하는 간섭계의 구성은 본 명세서의 다른 곳에서 기재된 간섭계 구조와 유사하며, 원칙적으로 다른 간섭계에 대해서 기재된 구조, 특징 및 변형은 이러한 컨트롤러에 사용될 수 있다. 바람직하게, 컨트롤러(212)는 펄스를 송신하기 위해 광학 장치(2)를 위해 사용되는 광학 강도 컨트롤러(58)로서 동일하거나 유사한 구성을 갖고, 여기서, 송신기 장치(2)의 변조기(58)의 입력 포트는 본 간섭계(230)의 출력 포트(234a/234b)와 동일하거나 그 반대가 된다.

대안적으로, 광학 소자(212)는 도 11a에 도시된 조정가능한 스플리터(206)와 유사한 구성을 취할수 있다.

강도 컨트롤러(212)를 가짐으로써, 장치(4)는 (측정 된 타임 빈(22)을 설정할 때) 광의 더 큰 부분을 긴 (제 2) 집적 경로(216)로 향하게하여 그 경로에서 발견되는 고유 광학 손실을 오프셋할 수 있도록 사용된다. 이런 방식으로, 컴바이너(220)에 도달하는 제 3 및 제 4 펄스의 광학 강도는 실질적으로 동일하고 따라서 컴바이너(220)에서 개선된 간섭을 일으킨다(즉, 증가된 콘트라스트 비로 간섭 프린지를 생성). 대안적으로, RFI 프로토콜을 동작시킬 때, 컨트롤러(212)는 제 2 감지기(204)가 임의의 간섭 효과를 겪지 않도록 모든 모든 유입 광을 제 1 선택 경로(214) 또는 제 2 선택 경로(216) 중 하나(바람직하게는, 제 1 선택 경로로 라우팅할 수 있다(즉, 모든 광을 제 1 경로(214) 또는 제 2 경로(216) 중 하나내로 라우팅하여 측정 타임 빈(22)의 설정이 중복되지 않게 함).

도 13a 및 도 13b는 각각의 제 1 집적 광학 경로(214) 및 제 2 집적 광학 경로(216)로부터 시간적으로 분리된 제 3 및 제 4 광 펄스를 수신하고, 제 1 광 펄스로부터 분할된 제 4 광 펄스를 제 2 광 펄스로부터 분할된 제 3 광 펄스로 간섭하며, 결합된 펄스를 출력하도록 구성된 집적 광학 컴바이너(220)의 2개의 상이한 예시를 도시한다. 집적 광학 컴바이너(220)는 원칙적으로 Y 컴바이너, 방향성 커플러, MMI 커플러를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 컴바이너 일 수 있다. 컴바이너는 원칙적으로 2개 이상의 입력 포트(242) 및 1개 이상의 출력 포트(222)를 가질 수 있고, 예를 들어, 도 13a는 2개의 입력 포트(242) 및 하나의 출력 포트(222)를 갖는 컴바이너를 도시하고, 도 13b는 2개의 입력 포트(242) 및 2개의 출력 포트(222a, 222b)를 갖는 컴바이너를 도시한다.

도 14는 2x2 광학 컴바이너(220)의 출력들(222a) 중 하나가 균형 MZI(106)와 같은 추가 광학 부품을 통해 감지기(204)에 선택적으로 연결되는 수신기 장치(4)의 예시를 도시한다. 이러한 추가 부품(106)은 컴바이너(220)로부터 출력 된 광을 라우팅하여 광학 경로를 공간적으로 분리하는데 사용될 수 있다. 이러한 광학 경로는 광을 모니터링하기 위해 광학 감지기(206)와 광학적으로 통신할 수 있다.

도 15는 선호되는 수신기 장치(4)의 예시를 도시하고, 여기서, 제어가능한 스플리터(206) 및 광학 소자(212)는 균형 집적 광학 MZI(226, 230)이고, 컴바이너(220)는 2x2 MMI이다. 장치(4)는 모놀리식 집적 광학 칩으로서 형성된다. 제 1, 제 2 및 제 3 광학 감지기(202, 204, 205)는, 원칙적으로 이들이 장치(4)의 일부분이 아니더라도(따라서 칩 상에 없을 수도 있음), 칩 상에 집적된다. 추가 균형 MZI(244)는 제 2 감지기(204)와 컴바이너(220) 사이의 칩 상에 위치된다. 제 2 감지기는 원칙적으로 2x2 컴바이너 출력들(222a, 222b) 중 임의의 하나에 광학적으로 결합될 수 있다. 위상 변조기(218)는 제 1 집적 광학 경로(214) 상에 위치된다. 동일한 칩상의 광학 부품들의 여분의 광학 포트들은 도 9b에 도시된 칩에 대하여 기재된 된 것과 유사한 방식으로 광학적으로 액세스 될 수 있다.

송수신기

본 명세서에서, 제 3 측면에 있어서, 광 펄스들의 시퀀스를 인코딩 및 디코딩함으로써 양자 암호 키를 생성하는 광학 장치(6)가 제시되고; 양자 암호 키는 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 생성되며; 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스 사이의 위상차를 적어도 비교한다.

이러한 장치(6)는 전체적으로 송수신기 장치(6)로 지칭될 수 있다.

도 16은 그러한 광학 장치(6)의 블록도 예시를 도시한다.

광학 장치(6)는 광원(도 16에 미도시)으로부터 입력 광 펄스를 수신하고, 상기 광 펄스의 시퀀스를 인코딩하며 인코딩된 광 펄스의 시퀀스를 추가 광학 장치(4)에 송신하도록 구성된다. 광학 장치(6)는 추가 광학 장치(2)로부터의 광 펄스의 인코딩된 시퀀스를 수신하고, 상기 펄스를 처리하고, 디코딩을 위해 제 1 광학 감지기(202) 및 제 2 광학 감지기(204)(감지기는 도 16에 미도시)로 출력하도록 구성된다.

도 16에 도시된 바와 같이, 상기 장치는 제 1 집적 광학 경로(250) 및 제 2 집적 광학 경로(252)를 포함하며, 상기 제 2 경로(252)는 상기 제 1 집적 광 경로(250)보다 긴 광학 경로 길이를 갖는다. 장치(6)는 제 1 및 제 2 집적 광 경로(250, 252) 및 제 2 광학 감지기(204)와 광학적으로 통신하는 제 1 집적 광학 소자(254) 및 제 1 집적 광학 경로(250) 및 제 2 집적 광학 경로(252)와 광학적으로 통신하는 집적 광학 강도 컨트롤러(256)를 포함한다.

장치는 집적 광학 강도 컨트롤러(256) 및 제 1 광학 감지기(202)와 광학적으로 통신하는 제 2 집적 광학 소자(258) 및 제 1 집적 광학 경로(250) 또는 제 2 집적 광학 경로(252) 중 적어도 하나를 따라 전파하는 광 펄스의 위상을 제어가능하게 변경시키도록 구성된 위상 변조기(260)를 더 포함한다.

송수신기 장치(6)는 각각의 제 1 및 제 2 측면에 따라 본 명세서에서 상기 기재된 바와 같이 수신기 장치(4) 및 송신기 광학 장치(2)로서 사용될 수 있다. 제 1 및 제 2 측면에 적용가능한 다양한 선택적 변형 및 특징은 또한 제 3 측면에 따른 송수신기 장치(6)와 적절하게 결합될 수 있다. 따라서, 송수신기 장치(6)의 부품들은 송신기 장치(2) 및 수신기 장치(4)의 부품들에 동등한 기능을 제공하는데 사용될 수 있다.

송수신기 장치(6)는 제 1 측면에서 기재된 송신기 장치(2)와 유사한 송신기 장치로서 동작할 수 있다. 이러한 방식으로 동작할 때, 송수신기 장치(6)는 제 1 측면에서 기재된 바와 같은 다음의 특징들을 포함한다(송신기 광학 장치(2)). 송수신기의 제 1 광학 소자(254)는 적어도 하나의 입력 광 펄스를 수신하고, 입력 광 펄스를 제 1 집적 과학 경로를 따라 전파하는 제 1 광 펄스내로 그리고 제 2 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 2 광 광 펄스로 분할하도록 구성되는 (송신기(2)에 대하여 기재되는 바와 같이) 집적 광학 스플리터(50)로서 기능한다. 송수신기 장치(6)의 집적 광학 강도 컨트롤러(256)는 각각의 제 1 및 제 2 집적 광학 경로로부터 시간적으로 분리 된 제 1 및 제 2 광 펄스를 수신하고 추가 광학 장치에 대한 송신을 위해 컨트롤러(58)로부터 출력된 제 1 및 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성된 (제 1 측면에 기재된 바와 같은) 송신기 장치의 집적 광학 컨트롤러(58)로서 기능한다. 송수신기 장치(6)의 제 2 광학 소자(258)는 송신기 장치의 강도 변조기(64)로서 기능하는 것이 바람직하다. 송수신기 장치(6)의 위상 변조기(260)는 송신기 장치(2)의 위상 변조기(62)에 대해 기재된 것과 동일한 기능을 갖는다.

송수신기 장치(6)는 제 2 측면에 기재된 수신기 장치(4)와 유사한 수신기 장치로서 동작할 수 있다. 이러한 방식으로 동작할 때, 송수신기 장치(6)는 제 2 측면에서 설명되고 도 10 내지 도 15에 도시된 바와 같은 다음의 특징들(수신기 광학 장치(2))을 포함한다.

송수신기(6)의 제 2 광학 소자(258)는 적어도 제 1 및 제 2 광 펄스를 수신하고 제 1 출력 광학 경로와 제 2 출력 광학 경로 사이에서 각각의 펄스의 출력 강도를 제어하도록 구성된 (제 2 측면에서 기재된 바와 같은) 수신기 장치(4)의 제어가능한 집적 광학 스플리터(206)로서 기능하고; 제 1 출력 광학 경로는 제 1 광학 감지기(202)와 광학적으로 통신하도록 구성된다.

집적 광학 강도 컨트롤러(256)는 바람직하게는 수신기 장치(4)의 제어가능한 집적 광학 소자(212)로서 기능한다.

송수신기 장치(6)의 제 1 집적 광학 경로(250) 및 제 2 집적 광학 경로(252)는 수신기 장치(4)의 제 1 집적 광학 경로(214) 및 제 2 집적 광학 경로(216)와 동일하다.

제 1 광학 소자(254)는 바람직하게 각각의 제 1 및 제 2 집적 광학 경로로부터 시간적으로 분리된 제 3 및 제 4 광 펄스를 수신하고, 제 2 광 펄스로부터 분할된 제 3 광 펄스로 제 1 광 펄스로부터 분할된 제 4 광 펄스를 간섭하며 제 2 광학 감지기(204)에 결합된 펄스를 출력하도록 구성된 (제 2 측면에서 기재된 바와 같은) 수신기 장치(4)의 집적 광학 컴바이너(220)를 포함한다.

송수신기 장치(6)의 위상 변조기(260)는 수신기 장치(4)의 위상 변조기(218)에 대해 기재된 것과 동일한 기능을 갖는다.

도 16(및 도 17)에 도시된 송수신기 장치(6)에 있어서, 제 1 측면에 대해 기재된 집적 광 스플리터(50)는 제 2 측면의 집적 광학 컴바이너(220)와 동일한 부품이고, 여기서 (제 1 측면에 따라 사용될 때) 입력 포트는 (제 2 측면에 따라 사용될 때) 출력 포트와 동일하고 그 반대도 마찬가지이다. 제 1 측면에 따라 사용될 때 제 1 집적 광학 경로(52) 및 제 2 집적 광학 경로(54)는 제 2 측면에 따라 사용될 때 제 1 집적 광학 경로(214) 및 제 2 집적 광학 경로(216)와 동일하다.

송수신기(6)는 따라서, 본 명세서에 기재된 제 1 측면 및 제 2 측면에 따른 송신기 장치(2) 및/또는 수신 장치(4)로서 동작할 수 있다.

송수신기(6)는 동작의 송신 및 수신 모드에서 그리고 제 1 및 제 2 측면에서 기재한 바와 같이 다수의 프로토콜에 따라 동작할 수 있다. 송수신기(6)는 송신기 및 수신기 펄스를 시간 멀티플렉싱하는 것을 포함하는 임의의 적절한 수단에 의해 송신기(2) 및 수신기(4)로서 동작하도록 구성될 수 있으므로, 장치(6)의 위상 변조기는 대안적으로 동작의 다른 모드로부터 다음 번 인터리브된 펄스를 수행하는 광학 경로를 따라 위상 변경의 경우 없이 송신 및 수신 동작을 위해 요구되는 위상을 부여한다.

동작시, 송수신기 장치(6)의 요소는 다음과 같이 구성된다.

수신기로서 동작할 때, 제 1 집적 광학 소자(254)는 제 1 집적 광학 경로(250) 및 제 2 집적 광학 경로(252)로부터 출력된 인코딩된 펄스 시퀀스의 펄스를 광학적으로 결합하며 상기 결합된 펄스 시퀀스의 적어도 일부를 제 2 광학 감지기(204)에 출력하도록 구성된다.

송신기 동작시, 제 1 집적 광학 소자(254)는 광원(56)으로부터 광 펄스를 수신하며 각각의 상기 펄스를 각각 제 1 집적 광학 경로(250) 및 제 2 집적 광학 경로(252)를 따라 각각 전파하는 제 1 및 제 2 광 펄스로 분할하도록 구성된다.

수신기 동작에서, 집적 광학 강도 컨트롤러(256)는, 제 2 집적 광학 소자(258)로부터 출력된 인코딩된 광 펄스의 적어도 일부를 수신하며 제 1 집적 광학 경로(250) 및 제 2 집적 광학 경로(252)내로 컨트롤러(256)로부터 출력된 수신된 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성된다.

송신기 동작에서, 집적 광학 강도 컨트롤러(256)는 제 1 집적 광학 경로(250) 및 제 2 집적 광학 경로(252)로부터 제 1 및 제 2 광 펄스를 수신하며 컨트롤러(256)로부터 출력된 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성된다.

'수신기' 동작에서, 제 2 집적 광학 소자(258)는 추가 광학 장치로부터의 인코딩된 펄스 시퀀스를 수신하며 제 1 감지기(202)와 광학 통신하는 제 1 출력(262)과 집적 광학 강도 컨트롤러(256)와 광학 통신하는 제 2 출력 경로 사이에서 각각의 상기 수신된 펄스의 출력 강도를 제어하도록 구성된다.

'송신기' 동작에서, 제 2 집적 광학 소자(258)는 집적 광학 강도 컨트롤러(256)로부터 출력된 광 펄스를 수신하고 추가 광학 장치에 대한 송신을 위해 상기 수신된 펄스를 출력하도록 구성된다.

'송신기' 동작에서, 제 2 집적 광학 소자(258)는 집적 광학 강도 컨트롤러(256)로부터 출력된 제 1 펄스와 제 2 펄스 중 하나 이상을 수신하고 후속하는 수신 펄스의 강도를 독립적으로 변경하며 추가 광학 장치에 대한 송신을 위한 제 1 펄스와 제 2 펄스 중 하나 이상을 출력하도록 구성될 수 있다.

제 2 집적 광학 소자(258)는 추가 광학 장치로 광 펄스를 출력하고 그로부터 광 펄스를 수신하도록 구성된 적어도 2개의 출력 광학 경로(264, 266)를 포함할 수 있다.

제 2 집적 광학 소자(258)는 상기 경로들(266) 중 하나와 관련된 적어도 하나의 위상 변조기(268)를 포함할 수 있으며, 상기 위상 변조기(268)는 상기 경로를 따라 전파하는 광학 펄스의 위상을 변경시키도록 구성된다.

도 17은 도 15에 도시되고 설명된 부품들과 도 9b에 도시되고 설명된 부품들의 조합인 것으로서 송수신기(6)의 선호되는 구현을 도시한다. 도 17의 구현은 바람직하게는 적어도 제 2 감지기(204) 및 광원(56)를 포함하는 집적 옵틱 칩이다. 선호되는 구현은 또한 제 1 감지기(202) 및/또는 제 3 감지기(205)를 포함할 수 있다. 제 1 광학 소자(254)는 2×2 광학 커플러, 바람직하게는 MMI 커플러이다. 집적 광학 강도 컨트롤러(256) 및 제 2 광학 소자(258)는 본 명세서의 다른 곳에서 기재된 바와 같이 균형 MZI이다.

송수신기 장치(6)는 (제 1 측면에서 기재된 바와 같은 광학 스플리터(50)와 동일한 송신기로서 동작할 때) 펄스를 제 1 집적 광학 소자(254)에 입력하도록 구성된, 도 17에 도시된 바와 같은 광원(56)을 더 포함 할 수 있다. 펄스 소스는 광원(104)으로부터 광을 수신하며 제 1 집적 광학 소자(254)에 광 펄스를 출력하기 위하여 구성된 집적 광학 변조기(106)를 포함할 수 있다.

수신기로서 동작할 때, 소스 집적 광학 변조기(106)는 제 1 집적 광학 소자(254)로부터 광을 수신하여 제 2 광학 감지기(204)로 광을 출력하도록 구성된 집적 옵틱 마흐 젠더 간섭계를 포함한다.

본 출원에서, 특징의 특정 조합이 공식화되었으나, 본 발명의 공개의 범위는 본 명세서에서 명시적으로/암묵적으로 또는 그 임의의 일반화에 의해 기재된 임의의 신규한 특징 또는 신규한 특징들의 임의의 조합을 포함하고, 임의의 청구항에서 현재 청구하는 바와 같은 동일 발명에 대한 관련 여부 그리고 본 발명과 마찬가지로 임의의 또는 모든 동일한 기술적 문제의 완화 여부를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 출원인은 본 출원 또는 여기서 그로부터 도출된 임의의 추가 출원의 수행 동안 이러한 특징 및/또는 이러한 특징의 조합에 있어서 새로운 청구항이 공식화될 수 있음을 공지한다.

Claims (29)

1. 적어도 2개의 광 펄스간의 위상차를 적어도 비교하는 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 양자 암호 키를 생성하기 위하여 광 펄스를 추가 광학 장치에 송신하기 위한 광학 장치로서, 상기 광학 장치는:
   I) 집적 광학 스플리터로서:
   A) 적어도 하나의 입력 광 펄스를 수신하고,
   B) 상기 입력 광 펄스를:
   i. 제 1 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 1 광 펄스와;
   ii. 제 2 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 2 광 펄스로 분할하도록 구성되고,
   상기 제 2 집적 광학 경로가:
   iii. 상기 제 1 집적 광학 경로보다 길고,
   iv. 상기 제 1 광 펄스 및 상기 제 2 광 펄스를 시간적으로 분리하는, 광학 경로 길이를 포함하는,
   상기 집적 광학 스플리터,
   II) 집적 광학 강도 컨트롤러로서:
   C) 개별적인 상기 제 1 집적 광학 경로 및 상기 제 2 집적 광학 경로로부터 시간적으로 분리된 상기 제 1 광 펄스 및 상기 제 2 광 펄스를 수신하고,
   D) 상기 컨트롤러로부터 상기 추가 광학 장치로의 송신을 위하여 출력되는 상기 제 1 광 펄스 및 상기 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성되는, 상기 집적 광학 강도 컨트롤러; 및
   III) 상기 광학 장치로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 또는 상기 제 2 광 펄스 중 적어도 하나 광 펄스의 위상을 변경하도록 구성되는 위상 변조기를 포함하는, 광학 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   I) 송신을 위해 제 1 광학 강도 변조기로부터 출력되는 제 1 펄스 및 제 2 펄스 중 임의의 하나 이상의 펄스를 수신하고;
   II) 후속하는 수신된 펄스의 강도를 독립적으로 변경하고;
   III) 상기 추가 광학 장치로의 송신을 위해 상기 제 1 펄스 및 상기 제 2 펄스 중 임의의 하나 이상의 펄스를 출력하도록 구성되는 광학 강도 변조기를 더 포함하는, 광학 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 광학 강도 변조기는:
   I) 적어도 2개의 광학 출력 경로 및
   II) 상기 광학 출력 경로를 따라 전파하는 광학 펄스의 위상을 변경하도록 구성되며 상기 광학 출력 경로들 중 하나와 관련되는 적어도 하나의 위상 변조기를 포함하는, 광학 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   I) 상기 광학 장치로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 또는 제 2 광 펄스 중 적어도 하나의 위상을 변경하도록 구성되는 위상 변조기가 제 1 위상 변조기이며;
   II) 제 2 광학 강도 변조기의 위상 변조기가 제 2 위상 변조기인, 광학 장치.
5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광학 강도 변조기는 2개의 출력 광학 경로를 포함하는데,
   I) 입력으로서 상기 제 1 펄스 또는 상기 제 2 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 수신하고;
   II) 각각의 상기 펄스를 2개의 서브 펄스로 분할하고,
   III) 컴바이너에서 상기 서브 펄스들을 간섭시키며;
   IV) 상기 2개의 광학 출력 경로 중 적어도 하나를 따라 간섭된 펄스를 출력하도록 구성되는, 광학 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 강도 컨트롤러는:
   I) 적어도 2개의 입력 광학 경로; 및
   II) 적어도 2개의 중간 광학 아암 - 적어도 하나의 중간 광학 아암은 중간 광학 아암을 따라 전파하는 펄스의 위상을 변경하도록 구성되는 위상 변조기와 관련됨 - ; 및
   II) 적어도 하나의 출력 광학 경로들 - 상기 적어도 하나의 출력 광학 경로들 중 하나는 송신을 위해 상기 펄스를 출력하도록 사용됨 - 을 포함하고;
   제 1 광학 변조기가, 입력된 상기 제 1 펄스 또는 상기 제 2 펄스 중 임의의 펄스를 수신하고, 각각의 상기 펄스를 2개의 서브 펄스로 분할하며 적어도 하나의 출력 광학 경로를 따른 출력을 위해 상기 서브 펄스들을 간섭시키도록 구성되는, 광학 장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집적 광학 스플리터에 펄스를 입력하도록 구성되는 광학 펄스 소스를 더 포함하는, 광학 장치.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 광학 펄스 소스는:
   I) 광원; 및
   II) 상기 광원으로부터 광을 수신하고 상기 집적 광학 스플리터에 광 펄스를 출력하도록 구성되는 소스 광학 변조기를 포함하는, 광학 장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 위상 변조기는 상기 제 1 광학 경로 또는 상기 제 2 광학 경로 중 하나의 경로와 관련되며 상기 경로를 따라 전파하는 광학 펄스의 위상을 변경하도록 구성되는, 광학 장치.
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 스플리터, 제 1 광학 경로, 제 2 광학 경로, 제 1 광학 변조기, 제 2 광학 변조기, 제 3 광학 변조기 및 광원 중 임의의 하나 이상은 집적 옵틱 부품을 포함하는, 광학 장치.
11. 추가 광학 장치로부터 수신된 광 펄스로부터 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 생성되는 양자 암호 키를 생성하기 위해 제 1 광학 감지기 및 제 2 광학 감지기에 광을 출력하기 위한 광학 장치로서, 상기 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스간의 위상차를 적어도 비교하고;
    상기 광학 장치는:
    I) 적어도 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스를 수신하고 제 1 출력 광학 경로와 제 2 출력 광학 경로 사이의 각각의 상기 펄스의 출력 강도를 제어하도록 구성되는 제어가능한 집적 광학 스플리터 - 상기 제 1 출력 광학 경로는 상기 제 1 광학 감지기와 광학 통신하도록 구성됨 - ;
    II) 집적 광학 소자로서,
    A) 상기 제어가능한 집적 광학 스플리터의 상기 제 2 출력 광학 경로로부터 상기 제 1 광학 펄스 및 제 2 광학 펄스의 적어도 일부를 수신하고;
    B) 각각의 수신된 상기 펄스를:
    i. 제 1 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 3 광 펄스; 및
    ii. 제 2 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 4 광 펄스로 분할하도록 구성되는데,
    상기 제 2 집적 광학 경로가:
    iii. 상기 제 1 집적 광학 경로보다 길고;
    iv. 제 3 광학 펄스 및 제 4 광학 펄스를 시간적으로 분리하는 광학 경로 길이를 포함하는,
    상기 집적 광학 소자;
    III) 대응하는 제 1 집적 광학 경로 또는 제 2 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 3 광 펄스 또는 제 4 광 펄스 중 적어도 하나의 광 펄스의 위상을 제어가능하게 변경하도록 구성되는 위상 변조기; 및
    III) 집적 광학 컴바이너로서:
    a. 개별적인 상기 제 1 집적 광학 경로 및 상기 제 2 집적 광학 경로로부터 시간적으로 분리되는 제 3 광 펄스 및 제 4 광 펄스를 수신하고;
    b. 상기 제 1 광 펄스로부터 분할된 상기 제 4 광 펄스와 상기 제 2 광 펄스로부터 분할된 상기 제 3 광 펄스를 간섭시키고;
    c. 결합된 펄스를 상기 제 2 광학 감지기에 출력하도록 구성되는 상기 집적 광학 컴바이너를 포함하는, 광학 장치.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 제어가능한 집적 광학 스플리터는 집적 광학 간섭계를 포함하고, 상기 직접 광학 간섭계는:
    I) 제 1 광학 입력 경로;
    II) 제 2 광학 입력 경로 - 상기 제 1 광학 입력 경로 및 상기 제 2 광학 입력 경로는 상기 제 1 펄스 및 상기 제 2 펄스 중 임의의 펄스를 수신하도록 구성됨 - ;
    III) 적어도 2개의 간섭계 아암;
    IV) 상기 광학 입력 경로들로부터의 입력을 수신하고 광을 간섭계 아암들에 나누도록 구성되는 광학 컴바이너;
    V) 상기 간섭계 아암들로부터 입력을 수신하고 제 1 출력 광학 경로 및 제 2 출력 광학 경로내로 광을 출력하도록 구성되는 광학 컴바이너;
    VI) 하나의 간섭계 아암과 관련되고, 상기 간섭계 아암을 따라 전파하는 펄스에 위상 변경을 제어가능하게 부여하며 상기 제 1 출력 광학 경로와 상기 제 2 출력 광학 경로 사이의 각각의 상기 펄스의 출력 강도를 변경하도록 구성되는 적어도 하나의 위상 변조기를 포함하는, 광학 장치.
13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 집적 광학 소자는 집적 광학 강도 컨트롤러를 포함하고, 상기 집적 광학 강도 컨트롤러는, 상기 집적 광학 강도 컨트롤러로부터 출력되는 상기 제 3 광 펄스 및 상기 제 4 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성되는, 광학 장치.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 집적 광학 강도 컨트롤러는 집적 광학 간섭계를 포함하며, 상기 집적 광학 간섭계는:
    I) 제어가능한 집적 광학 스플리터로부터 광학 펄스를 수신하기 위한 광학 입력 경로;
    III) 적어도 2개의 간섭계 아암,
    IV) 하나의 간섭계 아암과 관련되며, 상기 간섭계 아암을 따라 전파하는 펄스에 위상 변경을 제어가능하게 부여하여 상기 집적 광학 스플리터로부터 출력되는 제 3 펄스 및 제 4 펄스의 상대 출력 강도를 변경하도록 구성되는 적어도 하나의 위상 변조기를 포함하는, 광학 장치.
15. 광 펄스들의 시퀀스를 인코딩 및 디코딩함으로써 양자 암호 키를 생성하기 위한 광학 장치로서, 상기 양자 암호 키는 적어도 하나의 양자 암호 기법에 따라 생성되며, 상기 양자 암호 기법은 적어도 2개의 광 펄스들 사이의 위상차를 적어도 비교하고;
    상기 광학 장치는:
    A) 광원로부터 입력 광 펄스를 수신하고, 상기 광 펄스의 시퀀스를 인코딩하고 인코딩된 상기 광 펄스의 시퀀스를 추가 광학 장치에 송신하고;
    B) 상기 추가 광학 장치로부터 인코딩된 광 펄스의 시퀀스를 수신하고, 펄스들을 처리하여 디코딩을 위해 제 1 광학 감지기 및 제 2 광학 감지기에 처리된 펄스들을 출력하도록 구성되고,
    상기 광학 장치는:
    I) 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로 - 상기 제 2 집적 광학 경로는 상기 제 1 집적 광학 경로보다 긴 광학 경로 길이를 가짐 - ;
    II) 상기 제 1 집적 광학 경로, 제 2 집적 광학 경로 및 상기 제 2 광학 감지기와 광학 통신하는 제 1 집적 광학 소자;
    III) 상기 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로와 광학 통신하는 집적 광학 강도 컨트롤러;
    IV) 집적 광학 강도 컨트롤러 및 제 1 광학 감지기와 광학 통신하는 제 2 집적 광학 소자;
    V) 상기 제 1 집적 광학 경로 또는 제 2 집적 광학 경로 중 적어도 하나를 따라 전파하는 광 펄스의 위상을 제어 가능하게 변경하도록 구성되는 위상 변조기를 포함하고;
    i) 제 1 집적 광학 소자는:
    a) 상기 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로로부터 출력 된 인코딩된 상기 펄스 시퀀스의 펄스를 광학적으로 결합하고; 결합된 상기 펄스 시퀀스의 적어도 일부를 상기 제 2 광학 감지기에 출력하고;
    b) 상기 광원로부터 광 펄스들을 수신하고 각각의 상기 펄스를 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로를 따라 전파하는 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스 각각으로 분할하도록 구성되고;
    ii) 상기 집적 광학 강도 컨트롤러는:
    c) 상기 제 2 집적 광학 소자로부터 출력된 인코딩된 상기 광 펄스들의 적어도 일부를 수신하고, 상기 컨트롤러로부터 상기 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로에 출력되는 수신된 상기 광 펄스들의 상대 강도를 제어하고;
    d) 상기 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로로부터 상기 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스를 수신하고; 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하도록 구성되며;
    iii) 상기 제 2 집적 광학 소자는:
    e) 상기 추가 광학 장치로부터 인코딩된 상기 펄스 시퀀스를 수신하고; 수신된 상기 각각의 펄스의 출력 강도를,
    상기 제 1 감지기와 광학 통신하는 제 1 출력과,
    상기 집적 광학 강도 컨트롤러와 광학 통신하는 제 2 출력 경로 사이에서 제어하고;
    f) 상기 집적 광학 강도 컨트롤러로부터 출력된 광 펄스를 수신하고, 수신된 상기 펄스를 상기 추가 광학 장치로 송신하기 위해 출력하도록 구성되는, 광학 장치.
16. 청구항 15에 있어서, 상기 제 2 집적 광학 소자는:
    I) 송신을 위해 상기 제 1 광학 강도 변조기로부터 출력 된 제 1 펄스 및 제 2 펄스 중 임의의 하나 이상의 펄스를 수신하고;
    II) 후속하는 수신된 펄스의 강도를 독립적으로 변경하고;
    III) 송신을 위해 제 1 펄스 및 제 2 펄스 중 임의의 하나 이상의 펄스를 추가 광학 장치에 출력하도록 구성되는, 광학 장치.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 제 2 집적 광학 소자는,
    I) 상기 추가 광학 장치에 광 펄스를 출력하고 그리고 상기 추가 광학 장치로부터 광 펄스를 수신하도록 구성되는 적어도 2개의 광학 경로, 및
    II) 상기 광학 경로들 중 하나와 관련된 적어도 하나의 위상 변조기를 포함하고, 상기 위상 변조기는 상기 광학 경로를 따라 전파하는 광학 펄스의 위상을 변경하도록 구성되는, 광학 장치.
18. 청구항 15 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 집적 광학 소자는 집적 옵틱 마하 젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 포함하는, 광학 장치.
19. 청구항 15 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집적 광학 강도 컨트롤러는 집적 옵틱 마하 젠더 간섭계를 포함하는, 광학 장치.
20. 청구항 15 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서, 광학 스플리터에 펄스를 입력하도록 구성되는 광학 펄스 소스를 더 포함하는, 광학 장치.
21. 청구항 20에 있어서, 상기 광학 펄스 소스는:
    I) 광원; 및,
    II) 상기 광원으로부터 광을 수신하고 광 펄스를 상기 제 1 집적 광학 소자에 출력하도록 구성되는 집적 광학 변조기를 포함하는, 광학 장치.
22. 청구항 21에 있어서, 상기 광학 펄스 소스의 집적 광학 변조기는 상기 제 1 집적 광학 소자로부터의 광을 수신하여 상기 제 2 광학 감지기에 광을 출력하도록 구성되는 집적 옵틱 마하 젠더 간섭계를 포함하는, 광학 장치.
23. 청구항 15 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 광학 감지기 및 상기 제 2 광학 감지기 중 적어도 하나를 더 포함하는, 광학 장치.
24. 청구항 11 내지 23 중 어느 한 항에 기재된 제 2 광학 장치와 광학 통신하는, 청구항 1 내지 청구항 10 및 청구항 15 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 기재된 제 1 광학 장치를 포함하는, 양자 암호 키를 생성하기 위한 시스템.
25. 청구항 1 내지 청구항 10 및 청구항 15 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 기재된 광학 장치를 사용하여 양자 암호 키를 생성하기 위해 추가 광학 장치에 광 펄스를 송신하는 방법으로서, 상기 방법은:
    I) 상기 추가 광학 장치에의 송신을 위해 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하는 단계;
    II) 위상 변조기를 사용하여 상기 광학 장치로부터 출력된 상기 제 1 광 펄스 또는 제 2 광 펄스 중 적어도 하나의 위상을 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
26. 청구항 25에 있어서, 상기 컨트롤러로부터 출력된 제 1 광 펄스 및 제 2 광 펄스의 상대 강도를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
27. 양자 암호 키를 생성하기 위해 추가 광학 장치로부터 수신된 광 펄스를 처리하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 청구항 11 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 기재된 광학 장치를 사용하고,
    I) 상기 추가 광학 장치로부터 펄스를 수신하는 단계;
    II) 제 1 감지기와 광학 통신하는 제 1 광학 경로와 집적 광학 경로 컨트롤러와 광학 통신하는 제 2 출력 경로 사이에서 각각의 수신된 상기 펄스의 출력 강도를 제어하는 단계;
    III) 상기 제 1 집적 광학 경로 또는 제 2 집적 광학 경로 중 적어도 하나를 따라 전파하는 광 펄스의 위상을 제어 가능하게 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
28. 청구항 25에 있어서, 상기 집적 광학 경로 컨트롤러로부터 제 1 집적 광학 경로 및 제 2 집적 광학 경로로 출력된 광 펄스들의 상대 강도를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
29. 실질적으로 도 4a 내지 도 17에서 기재되고 도시된 바와 같은 광학 장치.

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