CN109560876A - 时间相位-偏振编码装置、解码装置及量子通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于时间相位‑偏振编码的编码装置、解码装置及量子通信系统，其中将时间相位编码与偏振编码有机结合，使得能够在同一个光脉冲信号上实现时间相位编码和偏振编码，大大提高成码率；同时有机地将时间、相位和偏振解码结合在一起，大大简化解码结构，并借助非平衡基矢设置减少解码端的固有损耗，实现时间基矢无损解码或减少系统时间窗口。

Description

时间相位-偏振编码装置、解码装置及量子通信系统

技术领域

本发明涉及量子通信领域，具体涉及可用于时间相位-偏振编解码装置及量子通信系统。

背景技术

量子通信作为当代通信技术发展的主要方向和发展前沿，由于其相对传统通信而言，在原理上可以保证通信的绝对安全性，因此吸引了各国科技工作者的注意，其发展日新月异。随着应用和研究的飞速进行，人们越来越意识到量子通信原理上绝对安全性这一传统通信无可比拟的优势。

在量子通信领域中，应用最广泛和成熟的是量子密钥分发方向。量子密钥分发以量子不可复制等基本原理为出发点，通过“一次一密”的加密方式，将信息非常安全地传输，非常适用于对保密性要求很高的国防单位、政府机关、科研单位和金融机构等。

如今的量子密钥分发的编码方案中，应用范围较广的是偏振编码和相位编码方案。

其中，1984年最早提出的偏振编码方案，优点在于接收端插损低、成本低且结构简单，因此目前为最主要的编码方案。其不足之处在于光纤偏振扰动对偏振系统的影响较大，直接影响误码率。在实际应用中，针对架空光缆环境还需要频繁起动偏振反馈机制或者增设快偏模块以控制误码率达到正常水平才能保证成码。然而增加的结构和机制也带来了时间上的浪费以致成码率降低或者不稳定。

相较而言，相位编码方案使用不等臂干涉仪制备光脉冲，通过对前后两个光脉冲增加相对相位差，并以此来承载信息。由于相位编码方案受光纤的偏振变化的影响较小，因此即使偏振发生变化而导致接收的计数率下降，也不会导致光学误码率上升。这使得相位编码方案更加适合偏振变化比较剧烈的情形。然而，该方案的劣势是传统相位系统的接收端插损很大，比偏振编码系统的接收端增加至少3dB。当外界环境恶劣时，接收损耗还会继续增加，导致成码率以及最远成码距离低于偏振系统。

在上述基础上，人们提出了时间比特-相位编码的方案。该方案结合了时间基矢和相位基矢。由于时间基矢比偏振和相位要稳定得多，所以在一定程度上提高了成码率。而相位基矢可以适当摆脱系统对偏振的影响，以适应复杂的外界环境。然而由于相位基矢的存在，该方案也继承了一部分相位编码方案的缺点：相位基矢接收端插损大且非干涉部分存在3dB固有损耗。这一点可以通过改变时间基矢和相位基矢的选择比例，以及适当增加信号光的偏振态调制机制来优化。然而，相应的，系统的控制过程极其复杂，例如对温度等参数进行高精度控制，结构上也增加了成本和复杂程度。

上述三种主流的编码方案都存在各自的优缺点。然而，编码方案普遍存在的问题却是成码率不够高，传输距离不够远。即使使用非平衡基矢等方案，提高幅度仍然有限。

因此，人们又提出了诸多的优化编码方案，试图解决上述问题。

2010年王金东等人提出了一种结合BB84协议和DPS协议的高效量子通信协议(见文献J.Phys.B 43,095504(2010))。图1示意性地示出了根据该协议的编解码结构，其中，单个光子先任意选择4种偏振态进行编码，再分成三个脉冲并进行延时，然后在相邻的两个脉冲之间进行差分相位编码，从而将单个光子的密钥产生效率提升至7/6。

2013年赵顾颢等人对图1所示的方案进行了改进(见文献J.OptoeletronicsLaser24,133(2013)),其中在偏振维度编码和相位维度编码中均使用了BB84协议。图2示出了基于此改进方案的编解码结构示意图，其中使用4个激光器分别产生偏振编码所需要的4种偏振量子态，然后这四路光信号进行合束，之后的光子进入不等臂干涉仪分成前后两束光脉冲用于进行相位编码。在解码端，光子先进入不等臂干涉仪进行相位解码，再通过分束器和偏振分束器进行偏振解码。

中国专利CN205647538中提出了一种新型的复合量子密钥分发系统方案，其中结合了差分相位编码和偏振态编码方式。如图3所示，在该系统中，引入了法拉第镜结构，并通过改进传统系统结构，实现了更高的系统效率和更好的稳定性。例如在解码端，先采用主动基矢选择方法对偏振维度进行解码，再设计干涉路径使得差分相位协议中相位解码概率达到100％。

然而在上述偏振调制方案中，有的采用低效率的机械旋转拨片方式，有的采用对高速电信号调制技术难度要求很高的电光调制晶体方案，有的编码速率很低。另一方面，相位-偏振编码的方案虽然理论上每次单光子通信时，增加了1个比特的编码信息，但是却始终存在相位基矢解码的3dB固有损耗，而导致最终成码率的提高非常有限。并且，上述方案将偏振编码与相位编码结合之后，其解码端结构非常复杂，成本很高，非常不适合在现实生活中应用与推广，难以保证其实用性。

发明内容

针对现有技术中用于编码的方案中存在的成码率较低、系统非常复杂等上述问题，本发明提出了一种时间相位-偏振编解码装置。

在本发明的一个方面，公开了一种时间相位-偏振解码装置，其中有机地将时间解码、相位解码和偏振解码相结合，使得解码端的结构比现有技术简化很多，并且增加了时间解码的功能，可以减少解码端存在的固有损耗，做到时间基矢无损解码，大大提高了性价比。

在本发明的另一个方面，公开了一种时间相位-偏振编码装置，在现有时间比特-相位编码方案的基础上增加了偏振基矢，使得能够在同一个光脉冲信号上实现时间相位编码和偏振编码，从而在很大程度上提高了编码装置的成码率。

根据本发明的时间相位-偏振解码装置，其可以包括第一基矢选择单元、第一解码单元和第二解码单元；所述第一解码单元被配置用于时间相位解码或相位解码；所述第二解码单元被配置成用于偏振时间解码或时间解码；以及所述第一基矢选择单元被配置成根据预设概率选择进行与所述第一解码单元相关的解码或者进行与所述第二解码单元相关的解码。借助基矢选择单元，使得有可能通过元件共用的方式，以较为简单的结构同时提供时间、相位和偏振解码功能的选择，从而能够满足不同的通信线路状态。

根据本发明，所述第一解码单元可以包括不等臂迈克尔逊干涉仪、两个光电探测器和解码部；所述干涉仪包括分束器和两个反射单元，所述两个反射单元分别与所述分束器连接以构成所述干涉仪的长臂和短臂，所述干涉仪的臂长差与相位基矢的2个时间模式光脉冲之间的时间间隔一致；所述两个光电探测器分别连接所述干涉仪的两个输出端口；以及所述解码部连接所述两个光电探测器，以根据所述两个光电探测器的输出进行所述时间相位或相位解码。

进一步地，解码装置还可以包括光学传输元件，所述光学传输元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中从所述第一端口输入的光信号能够从所述第二端口输出，从所述第二端口输入的光信号能够从所述第三端口输出；并且，所述不等臂迈克尔逊干涉仪的所述输出端口中的一个经由所述光学传输元件与所述光电探测器中的一个相连。

进一步地，所述第一解码单元中的解码部可以被设置成，在一个系统周期内检测所述两个光电探测器在第一、第二和第三时间窗口上的输出，其中所述第一、第二和第三时间窗口在时间上依次靠后。

所述第一解码单元中的解码部可以进一步被设置成，根据在所述第二时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器来进行相位基矢解码。所述解码部还可以被设置成，根据所述两个光电探测器是在第一或第三时间窗口上探测到非干涉光信号来进行时间基矢解码。

进一步地，所述第一解码单元中的解码部可以被设置成，在一个系统周期内检测所述两个光电探测器在第一和第二时间窗口上的输出，其中所述第一和第二时间窗口在时间上依次靠后。

所述第一解码单元中的解码部可以进一步被设置成根据在所述第二时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器来进行相位基矢解码。

优选地，所述反射单元可以为法拉第旋转镜。

优选地，所述不等臂迈克尔逊干涉仪中可以设置有移相器。

根据本发明，所述第二解码单元可以包括第二基矢选择单元、第一偏振态解码模块以及第二偏振态解码模块；所述第二基矢选择单元被配置成根据预设概率选择进行第一偏振态解码或第二偏振态解码。其中，所述第一偏振态解码可以为H/V态解码、R/L态解码和+/-态解码中的一个，而所述第二偏振态解码可以为H/V态解码、R/L态解码和+/-态解码中不同的另一个。进一步地，所述第一偏振态解码模块可以包括偏振分束器、与所述偏振分束器连接的两个光电探测器、以及与所述光电探测器连接的解码部。所述第二偏振态解码模块可以包括偏振分束器、与所述偏振分束器连接的两个光电探测器、以及与所述光电探测器连接的解码部。并且，所述第一偏振态解码模块和所述第二偏振态解码模块中的一个或两者中还可以设置有偏振控制器。

进一步地，所述第二解码单元中的解码部可以被设置成：在一个系统周期内检测所述光电探测器在第一和第二时间窗口上的输出，其中所述第一和第二时间窗口在时间上依次靠后；以及，根据探测到光信号的所述时间窗口的位置来进行时间基矢解码。

进一步地，所述第二解码单元中的解码部可以被设置成：在一个系统周期内检测所述光电探测器的输出，并且根据探测到光信号的所述光电探测器来进行偏振基矢解码。

根据本发明的时间相位-偏振编码装置可以包括光源、时间相位编码单元以及偏振编码单元；

所述时间相位编码单元包括不等臂MZ干涉仪，所述不等臂MZ干涉仪干涉仪的臂长差被设置成与所述光源产生脉冲的频率的两倍所对应的时间间隔一致；以及

所述偏振编码单元包括偏振分束器和相位调制器，保偏光纤连接所述偏振分束器的透射端口和反射端口，从而形成环形光路；所述相位调制器设置在所述环形光路上，并且所述相位调制器与所述偏振分束器的所述透射端口之间的光路和所述相位调制器与所述偏振分束器的所述反射端口之间的光路之间的光程差与所述不等臂MZ干涉仪的臂长差一致。

进一步地，本发明的编码装置还可以包括光学传输元件，所述光学传输元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中从所述第一端口输入的光信号能够从所述第二端口输出，从所述第二端口输入的光信号能够从所述第三端口输出；并且，由所述时间相位编码单元输出的光信号经由所述第一端口和所述第二端口到达所述偏振编码单元，由所述偏振编码单元输出的光信号经由所述第二端口和所述第三端口向外输出。

本发明还公开了一种量子通信系统，其可以包括如上述时间相位-偏振解码装置。

本发明还公开了一种量子通信系统，其可以包括上述时间相位-偏振编码装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1示意性地示出了现有技术的一种编码方案；

图2示意性地示出了现有技术的另一种编码方案；

图3示意性地示出了现有技术的又一种编码方案；

图4示意性地示出了根据本发明的时间相位-偏振编码装置的结构原理图；

图5描述了图4所示的编码装置的编码原理；

图6示意性地示出了根据本发明的时间相位-偏振解码装置的结构原理图；

图7说明了根据本发明的第一解码单元的一种解码原理；

图8说明了根据本发明的第一解码单元的另一解码原理；

图9说明了根据本发明的第二解码单元的解码原理；

图10示意性地表现了根据本发明的第二解码单元对承载了时间比特值0的单光脉冲的解码原理；以及

图11示意性地表现了根据本发明的第二解码单元对承载了时间比特值1的单光脉冲的解码原理。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

针对现有技术的采用偏振编码方案、相位编码方案、时间比特-相位编码方案的诱骗态系统中存在的成码率较低、系统复杂等问题，本发明提出了一种时间相位-偏振编码方案，其中创造性地将时间比特-相位编码原理与偏振编码原理结合，在增加设备不多的情况下，能够有效提高成码率，并且性价比较高，非常适用于推广和使用。

图4示意性地示出了根据本发明的时间相位-偏振编码装置的一个示例性实施例，图5描述了图4所示编码装置的编码原理。

如图4所示，编码装置可以包括光源11、时间相位编码单元12和偏振编码单元13。

在该示例性实施例中，光源11被示出采用传统的单激光器，但是本领域技术人员能够认识到，任何能够满足编码需求的光源均可以被使用，例如可以采用脉冲注入锁定激光器等其他激光器的结构。

时间相位编码单元12可以包括不等臂MZ干涉仪121、第一相位调制器122、强度调制器123。其中，不等臂干涉仪121的臂长差可以被设置成与激光器11产生脉冲的频率的两倍所对应的时间间隔一致，使得一个入射光脉冲经过该干涉仪121后形成包括相邻前后两个光脉冲的光脉冲对。

第一相位调制器122对光脉冲对中的两个光脉冲分别进行相位调制，在前后两个光脉冲之间形成一个相位差，从而实现相位编码。

强度调制器123通过对光脉冲对中相邻前后两个脉冲中的任意一个进行消光，达到选择前后两个时间窗口的目的，从而实现时间编码。

优选地，在相位编码中，强度调制器123也对相邻前后两个光脉冲的强度进行调制，使其强度衰减1/2，以使时间基矢下的脉冲强度与相位基矢下的脉冲强度保持一致，从而实现光强的归一化处理。

显然，由相邻前后两个光脉冲组成的光脉冲对在经过相位编码后，如果被强度调制器123进行时间窗口的选择，则两个脉冲中的一个会被消光，因此无法承载相位编码的信息；反之，该光脉冲对经过强度调制器后，在没有被强度调制器随机消光的情况下(即未对其进行时间编码)，则该光脉冲对上可以承载有相位编码的信息，但此时未能承载时间编码的信息。

偏振编码单元13可以采用sagnac环结构，例如可以包括第一偏振分束器(PBS)132和第二相位调制器133，其中保偏光纤连接第一偏振分束器132的透射端口和反射端口，从而形成一个环形光路。第二相位调制器133设置在该环形光路上，且与第一偏振分束器的透射端口和反射端口之一(图4中为透射端口)构成长臂，与另一个端口(图4中为反射端口)构成短臂，其中两臂的臂长差可以设置为与不等臂干涉仪121中的臂长差相同，即与光源产生脉冲的频率的两倍所对应的时间间隔一致。

当光脉冲从时间相位编码单元12中输出时，首先经由第一环形器131的第一端口和第二端口到达第一偏振分束器132，并在其作用下分成两路光脉冲，分别由其透射端口和反射端口输出进入环形光路，并同时沿相反方向在环形光路中传播。借助相位调制器133，可以在环形光路中的这两路光脉冲之间形成一个相位差。由于经历的传播光路相同，因此这两路光脉冲在绕环一圈后将同时返回第一偏振分束器132，并合为一束。由于在第二相位调制器133的作用下在这两路光脉冲之间调制形成有一个相对相位差，因此由这两路光脉冲在第一偏振分束器132处合束输出的光脉冲与入射sagnac环的光脉冲相比在偏振方向将会有所变化，且这种偏振方向的变化与第二相位调制器133调制施加在两路光脉冲上的相对相位差有关。因此，可以通过第二相位调制器133实现对入射光脉冲的偏振编码。

由第一偏振分束器132处合束输出的光脉冲最终经由第一环形器131的第二端口和第三端口向外输出，从而提供经时间、相位和偏振编码的光脉冲信号。

理想情况下，经时间编码后的单个光脉冲在偏振编码单元作用下可以增加1比特的偏振比特信息；经过相位编码后的脉冲对在偏振编码单元作用下可以增加1比特的偏振比特信息。

图6示意性地示出了本发明的解码装置结构的示例性实施例。如图所示，解码装置可以包括第一基矢选择单元21、第一解码单元22和第二解码单元23。其中，第一解码单元22可以用于进行时间相位或相位解码；第二解码单元23可以用于进行偏振时间或时间解码。由于第二解码单元23也可以进行时间基矢的解码，由此可以实现时间基矢下的无损解码。

在一个系统周期内，当承载编码信息的光脉冲进入解码装置时，其首先经由第一基矢选择单元21按照预设概率进入第一解码单元22或第二解码单元23。在该实施例中，基矢选择单元21可以借助分束器(BS)来实现。

如图6所示，第一解码单元22可以包括第二环行器221、不等臂迈克尔逊干涉仪222、第一光电探测器D1-1、第二光电探测器D1-2、以及分别连接相应光电探测器的解码部(未示出)。

其中，不等臂迈克尔逊干涉仪222可以包括分束器2221、第一反射单元2222和第二反射单元2223，其中，第一反射单元和第二反射单元分别连接分束器2221的反射端和透射端，从而形成干涉仪的短臂和长臂。根据本发明，干涉仪222的长臂与短臂之间的臂长差可以被设置成与相位基矢下的两个相邻光脉冲之间的时间间隔保持一致。

图7说明了本发明的第一解码单元的一种解码原理，其用于说明对与光电探测器相连的解码部的设置。

在一个系统周期内，当承载有编码信息的光脉冲经由第一基矢选择单元21进入第一解码单元22时，相位基矢下的光脉冲对经由第二环行器221的第一端口和第二端口进入干涉仪222。由于干涉仪222的长臂与短臂之间的臂长差被设置成与相位基矢下的两个光脉冲之间的时间间隔保持一致，因此对于长臂和短臂上经反射单元反射返回的前后连续两个光脉冲，短臂上的前一个光脉冲将在第一时间返回第二分束器2221，后一个光脉冲在第二时间返回分束器2221，长臂上的前一个光脉冲在第二时间返回分束器2221，后一个光脉冲在第三时间返回分束器2221，其中第一时间<第二时间<第三时间。由此可见，在一个系统周期内，在第二时间上会有两个光脉冲返回到分束器2221，且这两个光脉冲对应于相位基矢的前后两个连续时间模式光脉冲，它们具有相干性且两者之间存在与编码信息相关的相位差关系。具体而言，当相位基矢的前后两个连续光脉冲之间的相位差为0时(例如代表编码0)，在第二时间上将在第二分束器2221处发生干涉作用，且干涉结果将经由第二环形器2221的第二端口和第三端口被传送至第二光电探测器D1-2。第二光电探测器D1-2相应地将在对应于第二时间的第二时间窗口t01上接收到一个较强的干涉光信号，光电探测器D1-1在时间窗口t01上未接收到光信号。

当相位差为π时(例如代表编码1)，同样在第二时间上将会在第二分束器2221处发生干涉作用，但该干涉结果将会由分束器2221的另一个端口处输出，并被传送至第一光电探测器D1-1。光电探测器D1-1在第二时间窗口t01上接收到一个较强的光信号，光电探测器D1-2在第二时间窗口t01上未接收到光信号。此外，在对应于第一时间的第一时间窗口t00上，光电探测器D1-1和D1-2可能接收到短臂上前一个光脉冲经分束器2221分束后输出的光信号；在对应于第三时间的第三时间窗口t02上，光电探测器D1-1和D1-2可能接收到长臂上后一个光脉冲经分束器2221分束后输出的光信号。

由此可见，在第一解码单元22中，当进行相位基矢解码时，在一个系统周期内，光电探测器D1-1和D1-2中的一个将在t00、t01和t02三个时间窗口上可能接收到光信号，其中t01时间窗口上的光信号为干涉信号，t01和t02时间窗口上的光信号为非干涉信号。光电探测器在t01时间窗口上的探测结果，对应于相位基矢下的编码值。例如，当光电探测器D1-1在t01时间窗口上探测到干涉信号时，可以表示相位基矢的编码0；反之亦然。

在一个系统周期内，当时间基矢下的一个光脉冲进入第一解码单元22时，其同样将经由第二环形器221和分束器2221进入干涉仪222的长臂和短臂。由于不等臂干涉仪的臂长差设置，如果该时间基矢的光脉冲的时间位置在前(例如代表时间编码0)，则短臂和长臂上的光脉冲将分别在第一时间和第二时间返回到分束器2221，相应地，探测器D1-1或D1-2将各有一半概率在第一时间窗口t00和第二时间窗口t01上探测到光信号。第一时间窗口t00为非干涉窗口，为时间基矢探测窗口。如果该时间基矢的光脉冲的时间位置在后(例如代表时间编码1)，则短臂和长臂上的光脉冲将分别在第二时间和第三时间返回分束器2221，相应地，探测器D1-1或D1-2将各有一半概率在第二时间窗口t01和第三时间窗口t02上探测到光信号，第三时间窗口t02为非干涉窗口，也为时间基矢探测窗口。

由此可见，在第一解码单元22中，当进行时间基矢解码时，在一个系统周期内，两个光电探测器之一在非干涉时间窗口(即时间基矢探测窗口)有探测到光信号的时间窗口位置t00或t02，分别对应于时间基矢下的不同编码值。例如，光电探测器D1-1或D1-2在第一时间窗口t00有探测到信号，则表示时间基矢的编码0；光电探测器D1-1或D1-2第三时间窗口t02上有探测到信号，则表示时间基矢的编码1。

基于图7所示的解码过程，第一解码单元22的解码部可以被设置成，在一个系统周期内接收两个光电探测器D1-1和D1-2在第一、第二和第三时间窗口t00、t01和t02上的探测结果，其中：对于相位基矢，根据在第二时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器来解码；对于时间基矢，根据光电探测器上出现非干涉信号的时间窗口的位置来解码，其中第一时间窗口位置和第三时间窗口位置可以用于表示不同的时间编码。

图8示出了第一解码单元22的另一解码原理。如图8所示，解码单元22可以被设置成仅在相位基矢下进行解码，其在一个系统周期内接收两个光电探测器D1-1和D1-2在第二时间窗口t01上的探测结果，其中对于相位基矢，根据在第二时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器来解码；而对于时间基矢，则不进行解码操作。在这种解码原理下，解码部为了实现解码所需要的时间窗口更小(两个时间窗口)，由于解码需要的时间窗口数量减少，因此需要的解码周期变短，探测的时间效率可以更高。然而，相较于前一种解码方法，图8所示的解码方法将利用相对较短的探测周期，达到了较高的探测时间效率，但会导致时间比特的固有损耗。

优选地，在第一解码单元22中，反射单元可以借助法拉第旋转镜来实现，用以消除采用单模光纤时因双折射效应引起的光偏振态的随机变化，从而保证相位基矢解码中的干涉对比度。

优选地，在第一解码单元22中，还可以在干涉仪222中设置移相器，以对可能的相位漂移提供补偿。

再次参考图6，第二解码单元23可以包括第二基矢选择单元231、H/V态解码模块、以及+/-态解码模块。其中，第二基矢选择单元231可以被设置成使入射的光脉冲按照预设概率到达H/V态解码模块或者+/-态解码模块。作为一个实例，第二基矢选择单元231可以借助分束器来实现。

如图所示，H/V态解码模块可以包括第一偏振分束器232、第三光电探测器D2-1、第四光电探测器D2-2、以及与相应探测器连接的解码部(未示出)。

+/-态解码模块可以包括第二偏振分束器233、第五光电探测器D2-3、第六光电探测器D2-4、以及与相应探测器连接的解码部(未示出)。

根据本发明，在第二基矢选择单元231与+/-态解码模块之间或者在第二基矢选择单元231与H/V态解码模块之间可以设置偏振控制器，用于使进入+/-态解码模块的光脉冲和进入H/V态解码模块的光脉冲在偏振方向上产生π/4的角度差。优选地，在第二基矢选择单元231与+/-态解码模块之间和在第二基矢选择单元231与H/V态解码模块之间均可以设置有偏振控制器，以便在保证进入两个不同解码模块的光脉冲之间在偏振方向上存在π/4角度差的同时，还能够对脉冲在传输过程中可能会出现的偏振变化进行补偿。

图9说明了本发明的第二解码单元的解码原理，其用于说明对解码部的设置。

如图6所示，当承载有编码信息的光脉冲经由第一基矢选择单元21按照预设概率进入第二解码单元23时，其经由第二基矢选择单元231按照预设概率进入H/V态解码模块或+/-态解码模块。在H/V态解码模块中，与第二偏振分束器232相连的光电探测器D2-1、D2-2负责进行H/V态解码。在+/-态解码模块中，与第三偏振分束器233相连接的光电探测器D2-3、D2-4负责进行+/-态解码。

另一方面，由于时间基矢与偏振和相位信息均无关，因此可以直接通过光脉冲到达光电探测器D2-1至D2-4的时间窗口来进行解码。

如前所述，时间和相位是不同的基矢，光脉冲经过相位调制之后形成的光脉冲对如果被强度调制器进行时间窗口的选择，则两个脉冲中的一个会被消光，无法承载相位编码的信息；反之，光脉冲对进过强度调制器后，在没有被强度调制器随机消光的情况下，也即时间比特未进行编码，则光脉冲对可以承载相位编码的信息，没有承载时间编码的信息。因此，入射到第二解码单元的光脉冲可以是未被强度调制器随机消光的承载了相位编码信息的光脉冲对，也可以是被强度调制器随机消光后承载了时间编码信息的单光脉冲。

如图9所示，在一个系统周期内，未被强度调制器随机消光的承载了相位编码信息(相位差0或π)的光脉冲对进入第二解码单元，并经由偏振控制器和偏振分束器进行偏振方向的补偿和选择：

在H/V态测量基下，偏振H态的光脉冲对可能使第三光电探测器D2-1产生响应，光电探测器D2-1在前后两个时间窗口均可能有输出；偏振V态的光脉冲对可能使光电探测器D2-2产生响应，光电探测器D2-2在前后两个时间窗口均可能有输出。

在+/-态测量基下，偏振+态的光脉冲对可能使光电探测器D2-3响应，光电探测器D2-3在前后两个时间窗口均可能有输出；偏振-态的光脉冲对可能使光电探测器D2-4响应，光电探测器D2-4在前后两个时间窗口均可能有输出。

相应地，在第二解码单元中，解码部可以例如被设置成光电探测器D2-1和D2-3在相应测量基下的输出对应偏振编码的比特值0，光电探测器D2-2和D2-4在相应测量基下的输出对应偏振编码的比特值1。

图10示意性地表现了第二解码单元对承载了时间比特值0的单光脉冲的解码原理。在一个系统周期内，被强度调制器消光的承载了时间编码比特值0的单光脉冲进入第二解码单元，经由偏振控制器和偏振分束器进行偏振方向的补偿和选择：

在H/V态测量基下，偏振H态的单光脉冲可能使光电探测器D2-1响应，光电探测器D2-1在前一个时间窗口可能有输出；偏振V态的单光脉冲可能使光电探测器D2-2响应，光电探测器D2-2在前一个时间窗口可能有输出；

在+/-态测量基下，偏振+态的单光脉冲可能使光电探测器D2-3响应，光电探测器D2-3在前一个时间窗口可能有输出；偏振-态的单光脉冲可能使光电探测器D2-4响应，光电探测器D2-4在前一个时间窗口可能有输出。

图11示意性地表现了第二解码单元对承载了时间比特值1的单光脉冲的解码原理。在一个系统周期内，被强度调制器消光的承载了时间编码比特值1的单光脉冲进入第二解码单元，经由偏振控制器和偏振分束器进行偏振方向的补偿和选择：

在H/V态测量基下，偏振H态的单光脉冲可能使光电探测器D2-1响应，光电探测器D2-1在后一个时间窗口可能有输出；偏振V态的单光脉冲可能使光电探测器D2-2响应，光电探测器D2-2在后一个时间窗口可能有输出；

在+/-态测量基下，偏振+态的单光脉冲可能使光电探测器D2-3响应，光电探测器D2-3在后一个时间窗口可能有输出；偏振-态的单光脉冲可能使光电探测器D2-4响应，光电探测器D2-4在后一个时间窗口可能有输出。

相应地，在第二解码单元中，解码部可以被设置为光电探测器D2-1和D2-3在相应测量基下的输出对应偏振编码的比特值0，光电探测器D2-2和D2-4在相应测量基下的输出对应偏振编码的比特值1；光电探测器D2-1、D2-2、D2-3和/或D2-4在前一个时间窗口的输出对应时间编码的比特值0，在后一个时间窗口的输出对应时间编码的比特值1。

基于前面针对解码装置各单元工作原理的解释，本领域技术人员能够理解，尽管在上述示例性实施例中，承载编码信息的光脉冲是在经过第一基矢选择单元进行非平衡处理之后才进入第一解码单元或第二解码单元的，但是这并非是唯一的设置方式，例如还可以将第一基矢选择单元设置在不等臂迈克尔逊干涉仪的输出光路上，用于选择进行时间、相位或者偏振解码，且各基矢下的解码原理与前面所述类似，因此此处不再赘述。

此外，本领域技术人员还能够理解，对于编码装置和解码装置中的环形器，其只是一个示例而非限制性的，其可以被替换为任何可以包括三个端口的光学传输元件，只要该光学传输元件能够实现从第一端口输入的光信号能够从第二端口输出，从第二端口输入的光信号能够从第三端口输出。第二解码单元中的H/V态解码模块也可以根据需要(例如与编码端相适应)替换为R/L态或+/-态解码模块；+/-态解码模块也可以根据需要(例如与编码端相适应)替换为H/V态或R/L态解码模块，只要第二解码单元中的这两个解码模块根据解码需求对应用于对不同偏振态进行解码即可。

在本发明的编码装置中，采用了sagnac环结构及高速相位调制器作为偏振编码单元，结合传统的相位编码结构和强度调制器，很好地解决了多种不同基矢在同一个系统周期内编码所带来的系统结构极其复杂的问题，同时，也非常适合高速量子通信系统。在解码端，有机地将时间解码、相位解码和偏振解码相结合，使得解码端的结构比现有技术简化很多，并且增加了时间解码的功能，大大提高了性价比。另一方面，由于可以采用非平衡基矢，以及前文所述的不同种解码设置方式，可以减少解码端存在的固有损耗，可以做到时间基矢无损解码，或者可以减少系统的时间窗口，提高系统的传输速率，从而提高了成码率、成码距离以及通信效率，使得该装置非常适合广泛的应用与推广。

另一方面，本实施例解码端若用相对较长的探测周期(三个时间窗口)的设置方式，将非干涉信号部分应用于解码中，实现了无损的解码，从而提高系统的成码率、成码距离。

本实施解码端若用相对较短的探测周期的设置方式，可以达到较高的探测时间效率，并且在时间基矢解码部分不存在固有损耗，可以提供无损解码，但相位基矢解码存在固有3dB损耗，对此，为了减少解码固有损耗，可以通过将基矢选择部件的时间基矢和相位基矢的概率比提高，从而减小相位基矢解码部分带来的效率损失，提高解码装置的整体效率。

本领域技术人员能够认识到，本发明并不局限于上述具体实施例，而是可以在不脱离本发明构思的情况下进行各种变形和变化。

Claims (18)

1.一种时间相位-偏振解码装置，其包括第一基矢选择单元、第一解码单元和第二解码单元；所述第一解码单元被配置用于时间相位或相位解码；所述第二解码单元被配置成用于偏振时间解码或时间解码；以及所述第一基矢选择单元被配置成根据预设概率选择进行与所述第一解码单元相关的解码或者进行与所述第二解码单元相关的解码。

2.如权利要求1所述的解码装置，其中，所述第一解码单元包括不等臂迈克尔逊干涉仪、两个光电探测器和解码部；所述不等臂迈克尔逊干涉仪包括分束器和两个反射单元，所述两个反射单元分别与所述分束器连接以构成所述不等臂迈克尔逊干涉仪的长臂和短臂，所述不等臂迈克尔逊干涉仪的臂长差与相位基矢的2个时间模式光脉冲之间的时间间隔一致；所述两个光电探测器分别连接所述不等臂迈克尔逊干涉仪的两个输出端口；以及所述解码部连接所述两个光电探测器，以根据所述两个光电探测器的输出进行所述时间相位或相位解码。

3.如权利要求2所述的解码装置，其还包括光学传输元件，所述光学传输元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中从所述第一端口输入的光信号能够从所述第二端口输出，从所述第二端口输入的光信号能够从所述第三端口输出；并且，所述干涉仪的所述输出端口中的一个经由所述光学传输元件与所述光电探测器中的一个相连。

4.如权利要求2所述的解码装置，其中，所述解码部被设置成，在一个系统周期内检测所述两个光电探测器在第一、第二和第三时间窗口上的输出，其中所述第一、第二和第三时间窗口在时间上依次靠后。

5.如权利要求4所述的解码装置，其中所述解码部被设置成，根据在所述第二时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器来进行相位基矢解码。

6.如权利要求5所述的解码装置，其中所述解码部被设置成，根据所述两个光电探测器是在第一时间窗口或第三时间窗口上探测到非干涉光信号来进行时间基矢解码。

7.如权利要求2所述的解码装置，其中，所述解码部被设置成，在一个系统周期内检测所述两个光电探测器在第一和第二时间窗口上的输出，其中所述第一和第二时间窗口在时间上依次靠后。

8.如权利要求7所述的解码装置，其中，所述解码部被设置成根据在所述第二时间窗口上探测到干涉光信号的光电探测器来进行相位基矢解码。

9.如权利要求2所述的解码装置，其中，所述反射单元为法拉第旋转镜。

10.如权利要求2所述的解码装置，其中，所述不等臂迈克尔逊干涉仪中设置有移相器。

11.如权利要求1所述的解码装置，其中，所述第二解码单元包括第二基矢选择单元、第一偏振态解码模块和第二偏振态解码模块；所述第二基矢选择单元被配置成根据预设概率选择进行第一偏振态解码或第二偏振态解码，所述第一偏振态解码为H/V态解码、R/L态解码和+/-态解码中的一个，所述第二偏振态解码为H/V态解码、R/L态解码和+/-态解码中的另一个。

12.如权利要求11所述的解码装置，其中，所述第一偏振态解码模块包括偏振分束器、与所述偏振分束器连接的两个光电探测器、以及与所述光电探测器连接的解码部；所述第二偏振态解码模块包括偏振分束器、与所述偏振分束器连接的两个光电探测器、以及与所述光电探测器连接的解码部；并且，所述第一偏振态解码模块和所述第二偏振态解码模块中的一个或两者中还设置有偏振控制器。

13.如权利要求12所述的解码装置，其中，所述解码部被设置成：在一个系统周期内检测所述光电探测器在第一和第二时间窗口上的输出，其中所述第一和第二时间窗口在时间上依次靠后；以及，根据探测到光信号的所述时间窗口的位置来进行时间基矢解码。

14.如权利要求12所述的解码装置，其中，所述解码部被设置成，在一个系统周期内检测所述光电探测器的输出，并且根据探测到光信号的所述光电探测器来进行偏振基矢解码。

15.一种时间相位-偏振编码装置，其包括光源、时间相位编码单元以及偏振编码单元；

所述时间相位编码单元包括不等臂MZ干涉仪，所述不等臂MZ干涉仪干涉仪的臂长差被设置成与所述光源产生脉冲的频率的两倍所对应的时间间隔一致；以及

所述偏振编码单元包括偏振分束器和相位调制器，保偏光纤连接所述偏振分束器的透射端口和反射端口，从而形成环形光路；所述相位调制器设置在所述环形光路上，并且所述相位调制器与所述偏振分束器的所述透射端口之间的光路和所述相位调制器与所述偏振分束器的所述反射端口之间的光路之间的光程差与所述不等臂MZ干涉仪的臂长差一致。

16.如权利要求15所述的编码装置，其还包括光学传输元件，所述光学传输元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中从所述第一端口输入的光信号能够从所述第二端口输出，从所述第二端口输入的光信号能够从所述第三端口输出；并且，由所述时间相位编码单元输出的光信号经由所述第一端口和所述第二端口到达所述偏振编码单元，由所述偏振编码单元输出的光信号经由所述第二端口和所述第三端口向外输出。

17.一种量子通信系统，其包括如权利要求1-14中任一项所述的时间相位-偏振解码装置。

18.一种量子通信系统，其包括如权利要求15或16所述的时间相位-偏振编码装置。