CN110545180A - 偏振编码装置及量子密钥分发光源 - Google Patents

Abstract

一种偏振编码装置及基于该装置的量子分发光源，该装置包括：光分束器、第一极化片、第二极化片及相位调制器；光分束器包括输入端口、反射输出端口、透射输出端口以及输出端口；第一极化片、第二极化片通过保偏光纤与相位调制器连接构成满足萨格纳克效应的双向环光路；输入端口通过保偏光纤接收输入光。该装置可避免传统的偏振调制器由于光纤路径差异所造成的偏振模延迟、稳定性较差等问题，并且装置简化，操作简单。基于该装置的量子分发光源可快速、准确及稳定地实现量子密钥分发。

Description

偏振编码装置及量子密钥分发光源

技术领域

本发明涉及量子通信领域，特别是涉及一种偏振编码装置及量子密钥分发光源。

背景技术

目前量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)光源的偏振态调制的编码方法主要有以下两种。

第一，采用偏振调制器来实现。该偏振调制器等效于一种等臂干涉仪，干涉仪的两臂臂长必须严格相等以保证干涉效果。但是，由于H、V两个偏振分量的折射率不同，经过调制器后会发生偏振模延时(PMD)现象，这个延时量对于基于铌酸锂晶体的调制器一般在10ps量级。PMD的存在会极大地限制调制器的性能，一般需要采用如高折射率光纤等方案进行补偿，系统复杂，性能受限。并且由于干涉仪两臂受到外界温度、力学等环境条件的变化，对两臂造成的影响并不相同，造成偏振调制结果逐渐发生漂移，长期稳定性较差。

第二，基于环形器+sagnac环的偏振调制方法来实现。该方法一般采用环形器+Sagnac环的结构来实现。具体地，该方法使用偏振控制器来实现对入射线偏振光的偏振态控制，使用单模光纤传输，经过环形器后传输到偏振光分束器(PBS)上，确保在PBS入射的光为45°线偏振光并均匀地从PBS两臂输出，两臂光分量经过一个Sagnac环的结构重新在PBS处干涉，在其中一臂上使用相位调制器添加额外的相位分量，PBS上干涉后的光产生不同的偏振态，再返回环形器后输出。由于在环形器和PBS中间使用单模光纤进行传输，需要使用偏振控制器调制入射光的偏振态，导致该系统较为复杂，集成度较差。同时，该方案需要在实现前进行一次校准过程，确保45°线偏振光均匀地投影到PBS两臂上，校准过程繁琐，且对每一个偏振编码装置使用前都需要一次校准过程，实用性较差。

发明内容

(一)技术问题

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种偏振编码装置及量子密钥分发光源，用于至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明提供一方面一种偏振编码装置，包括：光分束器、第一极化片、第二极化片及相位调制器；上述光分束器包括输入端口、反射输出端口、透射输出端口以及输出端口；上述第一极化片、上述第二极化片通过保偏光纤与上述相位调制器连接构成满足萨格纳克效应的双向环光路；上述输入端口通过保偏光纤接收输入光；其中，上述输入光经过保偏光纤旋转后进入上述光分束器，上述光分束器将旋转后的输入光分束为第一光分量及第二光分量，上述第一光分量通过上述反射输出端口传输至上述第一极化片，通过上述第一极化片实现快轴截止并耦合至保偏光纤的慢轴中，沿顺时针传输至上述相位调制器进行相位调制后传回至上述光分束器，上述第二光分量通过透射输出端口传输至上述第二极化片，通过上述第二极化片实现快轴截止并耦合至保偏光纤的慢轴中，沿逆时针传回至上述光分束器，传回至上述光分束器的两束光经过干涉后通过上述输出端口输出。

可选地，上述第一极化片与水平方向的夹角为0°，上述第二极化片与水平方向的夹角为90°。

可选地，上述第一极化片、上述第二极化片与上述相位调制器之间的保偏光纤的长度可调节。

可选地，上述输入光为水平线偏振光，上述输入端口的保偏光纤还用于将上述水平线偏振光旋转45°，得到45°的线偏振光。

可选地，上述反射输出端口与上述第一极化片之间通过自由空间传输光信号，上述透射输出端口与上述第二极化片之间通过自由空间传输光信号。

可选地，上述相位调制器对上述第一光分量的进行调制后附加的相位为0或π/2或π或3π/2。

可选地，上述输出端口连接有单模光纤，用于输出传回至上述光分束器的两束光经过干涉后得到的光信号。

本发明提供另一方面一种基于上述偏振编码装置的量子密钥分发光源，包括：激光器，用于产生窄光脉冲信号；强度调制器，用于对上述窄光脉冲信号进行强度调制，产生量子密钥分发所需的强度态信号；偏振编码装置，用于对上述强度态信号进行偏振编码，产生量子密钥分发所需偏振态信号；衰减器，用于将上述偏振态信号衰减到量子密钥分发所需的单光子量级后输出。

可选地，上述量子密钥分发光源还包括：脉冲发生器，用于发出脉冲信号，以驱动上述激光器、上述强度调制器及上述偏振编码装置。

可选地，上述脉冲发生器产生周期电脉冲信号以驱动上述激光器；上述脉冲发生器产生随机脉冲信号以驱动上述强度调制器及上述偏振编码装置。

(三)有益效果

本发明提供一种偏振编码装置及量子密钥分发光源，采用基于Sagnac环的偏振调制方案，由于正反双向的光分量在相位调制器中偏振态相同，且走过了相同长度的光纤，消除了光纤路径差异，从而避免传统的偏振调制器由于光纤路径差异所造成的偏振模延迟、稳定性较差等问题。同时，与基于环形器+sagnac环的偏振调制方法相比，该偏振编码装置简化了环形器和偏振控制器的使用，使用保偏光纤实现线偏振光45°入射，避免了复杂的初始偏振态校准过程，同时简化了系统的实现装置，可快速、准确及稳定地实现量子密钥分发。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本发明实施例的偏振编码装置的结构图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的量子密钥分发光源的结构图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本发明实施例的偏振编码装置的结构图。如图1所示，该偏振编码装置包括：

光分束器(BS)、第一极化片(Pola1)、第二极化片(Pola2)以及相位调制器(PM)。

光分束器(BS)包括输入端口、反射输出端口、透射输出端口以及输出端口。输入光(Input)通过输入光纤连接到输入端口，输入光纤为保偏光纤。输出光(Output)通过输出光纤连接到输出端口，输出光纤为单模光纤。

如图1所示，光分束器(BS)包括第一端口A，第二端口B，第三端口C和第四端口D。具体输入端口、反射输出端口、透射输出端口以及输出端口可更实际需求而定。例如：

当第一端口A为输入端口时，第二端口B为反射输出端口，第三端口C为透射输出端口。

当第二端口B为输入端口时，第一端口A为反射输出端口，第四端口D为透射输出端口。

当第三端口C为输入端口时，第四端口D为反射输出端口，第一端口A为透射输出端口。

第一极化片(Pola1)、第二极化片(Pola2)与相位调制器(PM)之间通过基于萨格纳克效应(Sagnac)环的保偏光纤连接以形成双向环光路。第一极化片(Pola1)、第二极化片(Pola2)与相位调制器(PM)之间的保偏光纤的长度可调节，可通过调整相位调制器(PM)到第一极化片(Pola1)及第二极化片(Pola2)的保偏光纤的长度，使得Sagnac环顺时针方向和逆时针方向到达相位调制器(PM)的延迟不同。其中，第一极化片(Pola1)与水平方向的夹角为0°，第二极化片(Pola2)与水平方向的夹角为90°。

该偏振编码装置的偏振编码流程为：输入光经过保偏光纤旋转后进入光分束器(BS)，光分束器(BS)将旋转后的输入光均匀分束为第一光分量及第二光分量，第一光分量通过反射输出端口传输至第一极化片(Pola1)，通过第一极化片(Pola1)实现快轴截止并耦合至保偏光纤的慢轴中，沿顺时针传输至相位调制器(PM)进行相位调制后传回至光分束器(BS)，第二光分量通过透射输出端口传输至第二极化片(Pola2)，通过第二极化片(Pola2)实现快轴截止并耦合至保偏光纤的慢轴中，沿逆时针传回至光分束器(BS)，传回至光分束器(BS)的两束光经过干涉后通过输出端口输出。

具体地，以第一端口A为输入端口，第二端口B为反射输出端口，第三端口C为透射输出端口，第四端口D为输出端口，偏振编码流程如下：

S1、线偏振光水平输入，输入光纤经过保偏光纤旋转45°，使输入的水平线偏振光成为45°的线偏振光，入射在BS的端口A上，BS将45°的线偏振光均匀地分为第一光分量和第二光分量，分别从反射输出端口B和透射输出端口C输出。其中，入射偏振光的偏振态可表示为：

S2、BS的反射输出端口B将第一光分量通过自由空间输出到Pola1中，Pola1放置在0°，通过Pola1实现快轴截止，让第一光分量耦合到了保偏光纤的慢轴中，沿顺时针在双向环光路中传播。

S3、BS的透射输出端C将第二光分量通过自由空间输出到Pola2中，Pola2放置在90°，通过Pola2实现快轴截止，第二光分量经过极化片后耦合到保偏光纤的慢轴中，沿逆时针在双向环光路中传播。此时，对应的偏振态为：

其中，|S>指在保偏光线中沿着慢轴偏振，下标c和a分别指代顺时针传播和逆时针传播。

S4、顺时针输出的第一光分量在经过PM时，受到加载在PM上的电信号的作用，附加一个额外的相位逆时针输出的第二光分量在经过PM时，PM上加载的电信号为零，未叠加额外的附加相位。此时，对应的偏振态为：

S5、第一光分量顺时针到达Pola2，并通过自由空间传输到BS的透射输出端口C，第二分量逆时钟到达Pola1，并通过自由空间传输到了BS的反射输出端口B。两个脉冲分量在BS上发生干涉后通过输出端口D输出。此时，对应的偏振态为：

其中，额外相位可以0或π/2或π或3π/2，其对应输出的4种量子态分别为 这两组基矢的量子态即可直接用于BB84协议编码。

此外，在输出端口D后面也额外增加一个偏振控制器，施加一个幺正变换，将|L>、|R>量子态调整为|H>、|V>量子态的同时，保持|+>、|->量子态不变，可实现原始的BB84协议编码。

本实施例提供的偏振编码装置，采用基于Sagnac环的偏振调制方案，由于正反双向的光分量在相位调制器中偏振态相同，且走过了相同长度的光纤，消除了光纤路径差异，从而避免传统的偏振调制器由于光纤路径差异所造成的偏振模延迟、稳定性较差等问题。同时，与基于环形器+sagnac环的偏振调制方法相比，该偏振编码装置简化了环形器和偏振控制器的使用，使用保偏光纤实现线偏振光45°入射，避免了复杂的初始偏振态校准过程，同时简化了系统的实现装置。

图2示意性示出了根据本发明实施例的量子密钥分发光源的结构图。如图2所示，该量子密钥分发光源包括激光器、强度调制器、上述所述偏振编码装置、衰减器及脉冲发生器。

激光器，用于产生窄光脉冲信号。具体的，激光器在脉冲发生器所产生周期电脉冲的驱动下，发出周期的窄光脉冲信号。

强度调制器，用于对窄光脉冲信号进行强度调制，产生量子密钥分发所需的强度态信号。具体的，强度调制器在脉冲发生器产生的随机脉冲的作用下，对输入的窄光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的信号态、诱骗态、真空态等三种强度态。

偏振编码装置，用于对强度态信号进行偏振编码，产生量子密钥分发所需偏振态信号。具体的，完成强度调制后的光信号进入偏振编码装置，在脉冲发生器产生的随机脉冲的作用下，偏振编码装置对输入的窄光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、-、L、R等四种偏振态。

衰减器，用于将偏振态信号衰减到量子密钥分发所需的单光子量级后输出。

本实施例提供的量子密钥分发光源，由于采用上述实施例所述的偏振编码装置，可避免传统的偏振调制器由于光纤路径差异所造成的偏振模延迟、稳定性较差等问题。并且操作简单，能快速产生实现量子密钥分发所需的+、-、L、R等四种偏振态，从而实现量子密钥的准确、稳定及快速分发。

本领域技术人员可以理解，尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种偏振编码装置，包括：

光分束器、第一极化片、第二极化片及相位调制器；

所述光分束器包括输入端口、反射输出端口、透射输出端口以及输出端口；

所述第一极化片、所述第二极化片通过保偏光纤与所述相位调制器连接构成满足萨格纳克效应的双向环光路；

所述输入端口通过保偏光纤接收输入光；

其中，所述输入光经过保偏光纤旋转后进入所述光分束器，所述光分束器将旋转后的输入光分束为第一光分量及第二光分量，所述第一光分量通过所述反射输出端口传输至所述第一极化片，通过所述第一极化片实现快轴截止并耦合至保偏光纤的慢轴中后沿顺时针传输至所述相位调制器进行相位调制，再传回至所述光分束器，所述第二光分量通过透射输出端口传输至所述第二极化片，通过所述第二极化片实现快轴截止并耦合至保偏光纤的慢轴中后沿逆时针传回至所述光分束器，传回至所述光分束器的两束光经过干涉后通过所述输出端口输出。

2.根据权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述第一极化片与水平方向的夹角为0°，所述第二极化片与水平方向的夹角为90°。

3.根据权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述第一极化片、所述第二极化片与所述相位调制器之间的保偏光纤的长度可调节。

4.根据权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述输入光为水平线偏振光，所述输入端口的保偏光纤还用于将所述水平线偏振光旋转45°，得到45°的线偏振光。

5.根据权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述反射输出端口与所述第一极化片之间通过自由空间传输光信号，所述透射输出端口与所述第二极化片之间通过自由空间传输光信号。

6.根据权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述相位调制器对所述第一光分量的进行调制后附加的相位为0或π/2或π或3π/2。

7.根据权利要求1所述的偏振编码装置，其中，所述输出端口连接有单模光纤，用于输出传回至所述光分束器的两束光经过干涉后得到的光信号。

8.一种基于权利按要求1-7任一项所述偏振编码装置的量子密钥分发光源，包括：

激光器，用于产生窄光脉冲信号；

强度调制器，用于对所述窄光脉冲信号进行强度调制，产生量子密钥分发所需的强度态信号；

偏振编码装置，用于对所述强度态信号进行偏振编码，产生量子密钥分发所需偏振态信号；

衰减器，用于将所述偏振态信号衰减到量子密钥分发所需的单光子量级后输出。

9.根据权利要求8所述的量子密钥分发光源，所述量子密钥分发光源还包括：

脉冲发生器，用于发出脉冲信号，以驱动所述激光器、所述强度调制器及所述偏振编码装置。

10.根据权利要求9所述的量子密钥分发光源，其中，所述脉冲发生器产生周期电脉冲信号以驱动所述激光器；

所述脉冲发生器产生随机脉冲信号以驱动所述强度调制器及所述偏振编码装置。