一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置和CV-QKD系统

技术领域

本发明涉及连续变量量子密钥分发技术领域，具体而言，涉及一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置和CV-QKD系统。

背景技术

随着量子计算技术的发展，基于计算复杂度的经典密码体系面临重大的安全隐患。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是一种基于量子物理原理的密钥分发系统，具有无条件安全性，引起了广泛的关注与研究。连续变量量子密钥分发(ContinuousVariable Quantum Key Distribution,CV-QKD)技术具有码率高、与经典光纤通信器件及网络融合性好等优点，应用前景广阔。

现有的CV-QKD系统通常采用离散光电器件，存在集成度低、体积大、成本高等缺点。为克服以上缺点，可采用集成光学方法提升CV-QKD的集成度。CV-QKD系统分为发送端和接收端两部分。发送端对制备CV-QKD协议所需量子态，主要通过信号调制和可调光衰减完成。其中，信号调制模块完成信号在IQ相空间中的信息调制，可调光衰减模块完成信号方差的准确调控。信号方差的调制精度是制约系统性能和安全性的重要指标。

对于基于离散光电器件的CV-QKD系统，可调光衰减模块通常采用机械方法改变光的透射率从而实现光强的衰减调控，可控性强。然而，上述方法不适用于集成光学方案的CV-QKD系统。对于CV-QKD系统，一方面，需要将光强衰减到量子等级，需要非常大的衰减系数；另一方面，CV-QKD系统对衰减的精度要求高，且对噪声非常敏感，需要严格控制参数(如温度)的波动对可调光衰减器的影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在现有离散光电器件的CV-QKD系统中可调光衰减模块的光强衰减调控方式不适用于集成光学方案的CV-QKD系统；需要一种具有高衰减系数高精度的可调光衰减器以实现CV-QKD系统片上集成；CV-QKD系统对衰减的精度要求高，且对噪声非常敏感，需要严格控制参数的波动对可调光衰减器的影响，而对于高精度的温度控制难度较大的技术问题之一。

为此，本发明第一方面提供了一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置。

本发明第二方面提供了一种CV-QKD系统。

本发明提供了一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置，包括：光分束单元、第一干涉臂、第二干涉臂和光合束单元；

所述光分束单元分别与第一干涉臂和第二干涉臂相连，所述第一干涉臂设有第一热相移单元，所述第二干涉臂设有第二热相移单元，所述第一热相移单元和第二热相移单元分别与光合束单元相连；

所述光分束单元用于将入射光信号分为两束光，并使两束光分别以透射系数η

所述可调光衰减装置用于将入射光信号衰减到微弱量子信号；所述第一干涉臂和第二干涉臂不平衡，通过采用干涉臂不平衡的可调光衰减装置降低可调光衰减装置的光衰减系数对温度波动的敏感度。

根据本发明上述技术方案的一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置，还可以具有以下附加技术特征：

在上述技术方案中，入射光信号经过所述可调光衰减装置后的输出光场为：

其中，输入可调光衰减装置的入射光信号的光场为

在上述技术方案中，入射光信号经过所述可调光衰减装置后的输出光场的光强可表征为：

其中，I

在上述技术方案中，通过改变第一干涉臂和第二干涉臂的相对相位差，实现可调光衰减功能；光衰减系数为：

本发明还提供了一种CV-QKD系统，所述CV-QKD系统采用集成光学方法集成于片上，包括光源产生模块、信号调制模块和可调光衰减模块；

所述光源产生模块与信号调制模块相连，用于产生光载波信号，并将光载波信号传递给信号调制模块；

所述信号调制模块与可调光衰减模块相连，用于根据CV-QKD系统采用的协议，对光信号的IQ分量分别进行调制，并将调制后的光信号发送给可调光衰减装置。

所述可调光衰减模块用于根据系统给定的调制方差要求，对光信号进行衰减，并将衰减后得到的光量子信号输出到信道中；

所述可调光衰减模块包括若干个级联设置的如上述技术方案中任一项所述的一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置。

根据本发明上述技术方案的一种CV-QKD系统，还可以具有以下附加技术特征：

在上述技术方案中，所述可调光衰减模块包括至少两个基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置；

若干个基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置级联设置，通过若干个基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置级联降低可调光衰减模块光衰减系数对温度波动的敏感度。

在上述技术方案中，所述光分束单元分出的两束光的透射系数不平衡，从而使任一可调光衰减装置内的第一干涉臂和第二干涉臂不平衡。

在上述技术方案中，若干个基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置级联设置后，第一热相移单元和第二热相移单元在温度发生波动时，产生的相位波动为：

其中，

综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：

采用Mach-Zehnder(MZ)干涉方案，通过降低干涉两臂的功率平衡，从而减少光衰减系数对温度波动的敏感性，提高光强衰减的可控性。同时，采用多个基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置级联，实现大幅光衰减，解决集成化CV-QKD系统所需的高精度片上可调光衰减控制问题。并且降低温度波动引入的过噪声，有效提升系统安全码率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置的模块示意图；

图2是本发明一个实施例的CV-QKD系统发送端的模块示意图；

图3是本发明一个实施例的CV-QKD系统中可调光衰减模块的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图3来描述根据本发明一些实施例提供的一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置和CV-QKD系统。

本申请的一些实施例提供了一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置。

如图1所示，本发明第一个实施例提出了一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置，包括：光分束单元、第一干涉臂、第二干涉臂和光合束单元；

所述光分束单元分别与第一干涉臂和第二干涉臂相连，所述第一干涉臂设有第一热相移单元，所述第二干涉臂设有第二热相移单元，所述第一热相移单元和第二热相移单元分别与光合束单元相连；

所述光分束单元用于将入射光信号分为两束光，并使两束光分别以透射系数η

所述可调光衰减装置用于将入射光信号衰减到微弱量子信号；所述第一干涉臂和第二干涉臂不平衡，通过采用干涉臂不平衡的可调光衰减装置降低可调光衰减装置的光衰减系数对温度波动的敏感度。

假设入射可调光衰减装置的光场为

其中，η

入射光信号经过所述可调光衰减装置后的输出光场的光强可表征为：

其中，I

通过改变第一干涉臂和第二干涉臂的相对相位差，实现可调光衰减功能；光衰减系数为：

本发明第二个实施例提出了一种CV-QKD系统，且在第一个实施例的基础上，如图1至图3所示，对于热相移单元，温度的波动，会引起折射率的变化，影响相位波动，即公式(2)或(3)中的

光衰减系数的波动会引入CV-QKD系统的过量噪声(excess noise)，从而影响其安全码率。因此，需严格控制热相移单元的温度，而温度控制的精度决定了热相移单元引入的过量噪声的大小。对于CV-QKD系统，温度控制的精度越高，则难度越大，电控部分的成本和体积越大，现有技术很难实现特别高精度的温度控制。

因此，在CV-QKD系统设计中，对可调光衰减器的需求需综合考虑以下两个要素：一方面，需降低温度控制的难度，即降低光衰减系数对温度波动的敏感度；另一方面，满足大衰减系数要求，可将经典强光衰减到微弱量子信号。

为解决以上问题，本实施例提出了一种CV-QKD系统，将多个非平衡基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置进行级联。一方面可降低光衰减系数对温度波动的敏感度，另一方面可实现大衰减系数。

在本实施例中，所述CV-QKD系统采用集成光学方法集成于片上，包括光源产生模块、信号调制模块和可调光衰减模块；

所述光源产生模块与信号调制模块相连，用于产生光载波信号，并将光载波信号传递给信号调制模块；

所述信号调制模块与可调光衰减模块相连，用于根据CV-QKD系统采用的协议，对光信号的IQ分量分别进行调制，并将调制后的光信号发送给可调光衰减装置。

所述可调光衰减模块用于根据系统给定的调制方差要求，对光信号进行衰减，并将衰减后得到的光量子信号输出到信道中；

所述可调光衰减模块包括若干个级联设置的如第一个实施例所述的一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置。

所述可调光衰减模块包括至少两个基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置；

通过若干个基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置级联降低光衰减系数对温度波动的敏感度。

所述光分束单元分出的两束光的透射系数不平衡，从而使任一可调光衰减装置内的第一干涉臂和第二干涉臂不平衡。即透射系数η

在上述技术方案中，若干个基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置级联设置后，第一热相移单元和第二热相移单元在温度发生波动时，产生的相位波动为：

其中，

如图3所示，该CV-QKD系统的可调光衰减模块由n个非平衡的基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置级联而成。入射光首先进入非平衡可调光衰减装置1，非平衡可调光衰减装置1输出的光进入非平衡可调光衰减装置2。以此类推，最后从第n个非平衡可调光衰减装置输出的光为CV-QKD系统所需的微弱量子信号。各透射系数η

本发明第三个实施例提出了一种CV-QKD系统，且在第二个实施例的基础上，如图1至图3所示，假设某CV-QKD系统对可调光衰减模块的要求是：衰减系数接近-40dB且温度变化0.1K情况下其输出功率涨落小于1％。

本实施中的可调光衰减模块由两个非平衡的基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置级联而成，即n＝2；且通过调节，使得光分束单元和光合束单元的透射系数不平衡。不失一般性的，假设两个级联的非平衡可调光衰减器参数相同，令η

本发明第一个对比例提出了一种CV-QKD系统，且在第一个实施例的基础上，如图1至图2所示，所述CV-QKD系统采用集成光学方法集成于片上，其发送端包括光源产生模块、信号调制模块和可调光衰减模块；

所述光源产生模块与信号调制模块相连，用于产生光载波信号，并将光载波信号传递给信号调制模块；

所述信号调制模块与可调光衰减模块相连，用于根据CV-QKD系统采用的协议，对光信号的IQ分量分别进行调制，并将调制后的光信号发送给可调光衰减装置。

所述可调光衰减模块用于根据系统给定的调制方差要求，对光信号进行衰减，并将衰减后得到的光量子信号输出到信道中；

所述可调光衰减模块包括一个如上述实施例所述的一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置。

该对比例与第一个实施例的区别在于，可调光衰减装置中的第一干涉臂和第二干涉臂平衡，即所述光分束单元分出的两束光的透射系数趋于平衡；η

经过第一热相移单元的光信号的透射系数和经过第二热相移单元的光信号的透射系数趋于平衡；即η

对于基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置，通过提高两臂的平衡性，即尽量使得η

假设某CV-QKD系统对可调光衰减模块的要求是：衰减系数接近-40dB且温度变化0.1K情况下其输出功率涨落小于1％。

在本对比例中，CV-QKD系统的可调光衰减模块采用单个基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置构成，通过调节使光分束单元分出的两束光的透射系数η

对于硅氧化物，其介电常数随温度的变化率取为10

根据本对比例和第三个实施例可以看出，两种方案均可达到约40dB衰减。然而第三个实施例对温度的敏感性远小于对比例。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。