相位调制编解码器、装置以及量子密钥分发系统

技术领域

本申请涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种相位调制编解码器、装置以及量子密钥分发系统。

背景技术

量子保密通信技术是量子物理与信息科学相结合的前沿热点领域。基于量子密钥分发(QKD)技术和一次一密密码原理，量子保密通信可在公开信道实现信息的安全传输，实现在用户之间安全地共享密钥，并可以检测到潜在的窃听行为，可应用于国防、政务、金融、电力等高安全信息传输需求的领域。尽管QKD已经经历了从简单的理论证明到长期严格的实验验证的全面发展，然而QKD技术仍然没有的到广泛的应用，现存量子保密通信网络仍存在一些缺点(1)速率较低、(2)稳定性有待提高、(3)体积大重量大。

光电子集成技术的发展为量子通讯器件融入诸多优势，例如实现更复杂、更可靠以及更具有扩展性的量子器件。尤其是硅光子学将成为未来量子光学技术的引领平台，实现量子器件的小型化、低制造成本以及可与现有的CMOS工艺兼容。然而在量子态高速调制方面，现有的基于标准硅光子平台的有效技术却受到了限制。在标准硅光子制造中因为硅本身不具备电光非线性效应，许多硅基量子光学试验中利用较慢速的热光相位调制器实现高保真度态的制备，而当前的量子保密通信的发展已经超越GHz的调制速率，这是热光调制所无法满足的。虽然载流子注入或者载流子耗散(CDMs)调制器具备高速调制的能力，但是却存在相位相关的损耗和调制饱和问题。而损耗和相位的调制深度，在量子保密通信具体应用的量子态制备中是有严格限制的。例如CDMs的损耗与调制相位的大小相关，并且存在相位调制饱和的问题，这些特性降低了CDMs在应用中的保真度。

因此如何稳定高效地实现相位调制是基于相位编解码量子保密通信应用的热点和难题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种相位调制编解码器、装置以及量子密钥分发系统，该相位调制编解码器能够在保持编解码器件或量子密钥分发系统抗干扰的同时，实现编解码器件或量子密钥分发系统对相位的高速调制。

为此，第一方面，本申请实施例提供了一种相位调制编解码器，包括相互连接的第一传输光路和萨尼亚克环-相位调制器，萨尼亚克环-相位调制器包括第一偏振分束旋转器，设置有第一输入端口、第一输出端口以及第二输出端口，所述第一传输光路与所述第一输入端口连接；第二传输光路，一端与所述第一输出端口连接且另一端与所述第二输出端口连接；第一相位调制器，与所述第二传输光路连接；第二相位调制器，与所述第二传输光路连接，且与所述第一相位调制器对称设置；所述第一偏振分束旋转器、所述第二传输光路、所述第一相位调制器以及所述第二相位调制器呈环状设置。

在一种可能的实现方式中，所述第一传输光路和所述第二传输光路均为偏振保持传输光路；所述第一传输光路的快轴或慢轴与所述第一输入端口的极化方向成45度；所述第二传输光路的偏振方向与所述第一输出端口和所述第二输出端口的极化方向一致。

第二方面，本申请实施例提供了一种相位调制编解码装置，包括保偏分束器、编解码装置短臂和编解码装置长臂；所述编解码装置短臂与所述保偏分束器连接，所述编解码装置长臂与所述保偏分束器连接。

在一种可能的实现方式中，所述编解码装置长臂包括上述任一项所述的相位调节编解码器，所述相位调节编解码器的第一传输光路与所述保偏分束器连接。

在一种可能的实现方式中，所述编解码装置短臂包括：第三传输光路，一端与所述保偏分束器连接：第二偏振分束旋转器，设置有第二输入端口、第三输出端口以及第四输出端口，所述第二输入端口与所述第三传输光路的另一端连接；第四传输光路，一端与所述第三输出端口连接且另一端与所述第四输出端口连接，所述第四传输光路与所述第二偏振分束旋转器呈环状设置。

在一种可能的实现方式中，所述第三传输光路和所述第四传输光路均为偏振保持传输光路；所述第三传输光路的快轴或慢轴与所述第二输入端口的极化方向成45度；所述第四传输光路的偏振方向与所述第三输出端口和所述第四输出端口的极化方向一致。

在一种可能的实现方式中，所述编解码装置短臂包括上述任一项所述的相位调节编解码器，所述相位调节编解码器的第一传输光路与所述保偏分束器连接。

在一种可能的实现方式中，所述编解码装置长臂包括：第五传输光路，一端与所述保偏分束器连接：第三偏振分束旋转器，设置有第三输入端口、第五输出端口以及第六输出端口，所述第三输入端口与所述第五传输光路的另一端连接；第六传输光路，一端与所述第五输出端口连接且另一端与所述第六输出端口连接，所述第六传输光路与所述第三偏振分束旋转器呈环状设置。

在一种可能的实现方式中，所述第五传输光路和所述第六传输光路均为偏振保持传输光路；所述第五传输光路的快轴或慢轴与所述第三输入端口的极化方向成45度；所述第六传输光路的偏振方向与所述第五输出端口和所述第六输出端口的极化方向一致。

第三方面，本申请实施例提供了一种量子密钥分发系统，包括上述的编解码器或上述相位调制编解码装置，作为量子密钥分发系统的接收端，用于解码；

包括上述的编解码器或上述相位调制编解码装置，作为量子密钥分发系统的发射端，用于编码。

根据本申请实施例提供的相位调制编解码器、装置以及量子密钥分发系统，相位调制编解码器，包括相互连接的第一传输光路和萨尼亚克环-相位调制器，萨尼亚克环-相位调制器包括第一偏振分束旋转器、第二传输光路以及第一相位调制器，第一偏振分束旋转器设置有第一输入端口、第一输出端口以及第二输出端口，第一传输光路与第一输入端口连接；第二传输光路一端与第一输出端口连接且另一端与第二输出端口连接；第一相位调制器，与第二传输光路连接；第二相位调制器与第二传输光路连接，且与第一相位调制器对称设置；第一偏振分束旋转器、第二传输光路、第一相位调制器以及第二相位调制器呈环状设置。该相位调制编解码器能够在保持编解码器件或量子密钥分发系统抗干扰的同时，实现编解码器件或量子密钥分发系统对相位的高速调制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。另外，在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，且附图并未按照实际的比例绘制。

图1示出本申请实施例提供的一种相位调制编解码器的结构示意图；

图2示出本申请实施例提供的一种相位调制编解码装置的结构示意图；

图3示出本申请实施例提供的另一种相位调制编解码装置的结构示意图。

附图标记说明：

1、第一传输光路；

2、萨尼亚克环-相位调制器；21、第一偏振分束旋转器；211、第一输入端口；212、第一输出端口；213、第二输出端口；22、第二传输光路；23、第一相位调制器；24、第二相位调制器；

3、保偏分束器；4、编解码装置短臂；41、第三传输光路；42、第二偏振分束旋转器；421、第二输入端口；422、第三输出端口；423、第四输出端口；43、第四传输光路；5、编解码装置长臂；51、第五传输光路；52、第三偏振分束旋转器；521、第三输入端口；522、第五输出端口；523、第六输出端口；53、第六传输光路。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1至图3所示，本申请实施例提供一种相位调制编解码器，包括相互连接的第一传输光路1和萨尼亚克环-相位调制器2，萨尼亚克环-相位调制器2包括第一偏振分束旋转器21、第二传输光路22、第一相位调制器23以及第二相位调制器24，第一偏振分束旋转器21设置有第一输入端口211、第一输出端口212以及第二输出端口213，第一传输光路1与第一输入端口211连接；第二传输光路22一端与第一输出端口212连接且另一端与第二输出端口213连接；第一相位调制器23与第二传输光路22连接；第二相位调制器24与第二传输光路22连接且与第一相位调制器23对称设置；第一偏振分束旋转器21、第二传输光路22、第一相位调制器23以及第二相位调制器24呈环状设置。

在一些可选的示例中，第一传输光路1和第二传输光路22均为偏振保持传输光路；第一传输光路1的快轴或慢轴与第一输入端口211的极化方向成45度；第二传输光路22的偏振方向与第一输出端口212和第二输出端口213的极化方向一致。

工作时，来自第一传输光路1的输入光脉冲通过第一输入端口211输入第一偏振分束旋转器21，所述的输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。所述x偏振态经由第一偏振分束旋转器21分束从第二输出端口213输出，进入第二传输光路22，沿顺时针方向传播。所述y偏振态经由第一偏振分束旋转器21分束旋转为x偏振态从第一输出端口212输出，进入第二传输光路22，沿逆时针方向传播。

沿顺时针方向传播的x光脉冲相继经过第二相位调制器24和第一相位调制器23调相后，由第一输出端口212输入，经过偏振旋转后变换为y偏振态进入第一偏振分束旋转器21。

沿逆时针方向传播的x光脉冲相继经过第一相位调制器23和第二相位调制器24调相后，由第二输出端口213输入第一偏振分束旋转器21。

如此，实现由第一输入端口211输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置变换后由第一输入端口211输出时变换为y偏振态。由第一输入端口211输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置变换后由第一输入端口211输出时变换为x偏振态。

且由第一输入端口211输入的x偏振态和y偏振态在装置内都是x偏振态，分别沿顺时针和逆时针方向同时分别到达第二相位调制器24、第一相位调制器23进行相位调制。该抗干扰高速相位调制编解码器实现输入光脉冲的两个正交偏振态由该装置反射输出时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。同时采用第一相位调制器23、第二相位调制器24对称放置的装置结构，使得输入光脉冲的x偏振态(顺时针传播x偏振态)和y偏振态(逆时针传播x偏振态)能够同时进行调制，即在每一次编解码过程中对第一相位调制器23和第二相位调制器24的调制电压保持不变且只需保持最短时间，由此实现最大限度的提升装置的调制速度。

通过在萨尼亚克环中设计镜面对称的第一相位调制器23、第二相位调制器24的调相结构，能够在保持编解码器件或量子密钥分发系统抗干扰的同时，实现编解码器件或量子密钥分发系统对相位的高速调制。本发明可用于设计实现编解码器件或量子密钥分发系统的全光集成，能够避免标准硅光子制造中现存的相位调制相关的调制饱和问题，实现调制深度在π相位以上的高速量子态调制，有助于实现量子密钥分发器件或系统的小型化。

在一些可选的示例中，一种相位调制编解码装置包括保偏分束器3、编解码装置短臂4和编解码装置长臂5；编解码装置短臂4与保偏分束器3连接，编解码装置长臂5与保偏分束器3连接。

保偏分束器3一侧的两个端口I和O分别作为相位编解码装置的输入和输出端口，I和O可互换。保偏分束器3与编解码装置长臂5和编解码装置短臂4构成不等臂迈克尔逊干涉仪。

其中，编解码装置长臂5包括上述任一项的相位调制编解码器，相位调制编解码器的第一传输光路1与保偏分束器3连接。

进一步的，编解码装置短臂4包括第三传输光路41、第二偏振分束旋转器42以及第四传输光路43，第三传输光路41一端与保偏分束器3连接；第二偏振分束旋转器42设置有第二输入端口421、第三输出端口422以及第四输出端口423，第二输入端口421与第三传输光路41的另一端连接；第四传输光路43一端与第三输出端口422连接且另一端与第四输出端口423连接，第四传输光路43与第二偏振分束旋转器42呈环状设置。

第三传输光路41和第四传输光路43均为偏振保持传输光路；第三传输光路41的快轴或慢轴与第二输入端口421的极化方向成45度；第四传输光路43的偏振方向与第三输出端口422和第四输出端口423的极化方向一致。

工作时，光脉冲经保偏分束器3的端口I进入保偏分束器3并由保偏分束器3分成两路光脉冲分别进入第一传输光路1和第三传输光路41。来自第一传输光路1的光脉冲经相位调制编解码装置长臂5中第一偏振分束旋转器21变换和第一相位调制器23和第二相位调制器24进行相位调制后返回第一传输光路1进而返回保偏分束器3。来自第三传输光路41的光脉冲经相位调制编解码装置短臂4中第二偏振分束旋转器42变换后返回第三传输光路41进而返回保偏分束器3。经相对延时返回来的来自第一传输光路1和第三传输光路41的光脉冲经保偏分束器3合束后由端口O输出。

在一些可选的示例中，编解码装置短臂4包括上述的相位调制编解码器，相位调制编解码器的第一传输光路1与保偏分束器3连接。

进一步的，编解码装置长臂5包括第五传输光路51、第三偏振分束旋转器52以及第六传输光路53，第五传输光路51一端与保偏分束器3连接；第三偏振分束旋转器52设置有第三输入端口521、第五输出端口522以及第六输出端口523，第三输入端口521与第五传输光路51的另一端连接；第六传输光路53一端与第五输出端口522连接且另一端与第六输出端口523连接，第六传输光路53与第三偏振分束旋转器52呈环状设置。

第五传输光路51和第六传输光路53均为偏振保持传输光路；第五传输光路51的快轴或慢轴与第三输入端口521的极化方向成45度；第六传输光路52的偏振方向与第五输出端口522和第六输出端口523的极化方向一致。

工作时，光脉冲经保偏分束器3的端口I进入保偏分束器3并由保偏分束器3分成两路光脉冲分别进入第一传输光路1和第五传输光路51。来自第一传输光路1的光脉冲经编解码装置短臂4中第一偏振分束旋转器21变换和第一相位调制器23和第二相位调制器24进行相位调制后返回第一传输光路1进而返回保偏分束器3。来自第五传输光路51的光脉冲经编解码装置长臂5中第三偏振分束旋转器52变换后返回第三传输光路51进而返回保偏分束器3。经相对延时返回来的来自第一传输光路1和第五传输光路51的光脉冲经保偏分束器3合束后由端口O输出。

一种量子密钥分发系统，包括上述的编解码器或相位调制编解码装置，作为量子密钥分发系统的接收端，用于解码；包括上述的编解码器或相位调制编解码装置，作为量子密钥分发系统的发射端，用于编码。

应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。

应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在……上”、“在……以上”和“在……之上”，以使得“在……上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括“在某物上”且其间具有中间特征或层的含义，并且“在……以上”或者“在……之上”不仅包括“在某物以上”或“之上”的含义，还可以包括“在某物以上”或“之上”且其间没有中间特征或层(即，直接处于某物上)的含义。

此外，文中为了便于说明可以使用空间相对术语，例如，“下面”、“以下”、“下方”、“以上”、“上方”等，以描述一个元件或特征相对于其他元件或特征的如图所示的关系。空间相对术语意在包含除了附图所示的取向之外的处于使用或操作中的器件的不同取向。装置可以具有其他取向(旋转90度或者处于其他取向上)，并且文中使用的空间相对描述词可以同样被相应地解释。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。