CN112104452B - 分光组件、用于量子密钥分发的偏振解码装置及接收端 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分光组件及其集成，以及基于该分光组件且无偏振模色散的用于量子密钥分发的偏振解码装置和接收端。分光组件通过将待解码的光脉冲分成第一和第二分量且使其沿保偏光纤的相同光轴在萨格奈克环路中受到相位调制，并使经相位调制的第一和第二分量发生耦合作用来实现无偏振模色散的偏振结果。此外，通过使分光组件的各个部件之间通过胶合的方式直接连接，从而能够避免引入不必要的偏振反馈。
Description
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，更具体地涉及一种分光组件及其集成，以及基于该分光组件且无偏振模色散的用于量子密钥分发的偏振解码装置和接收端。
背景技术
进入21世纪以来，光通信逐渐成为了一种主流通信方式。随着量子力学的发展，利用光量子传递信息的新的通信方式也被人们提出。其中，验证最为充分的量子通信协议是1984年提出的BB84协议。该方法在理论上有足够的安全性，所以BB84协议成为一大热点受到广泛关注。近年来，量子通信更是蓬勃发展，编码方式也是层出不穷，大体上可以分为偏振编解码方案、相位编解码、时间相位编解码方案。
BB84协议常用的偏振编解码方案，所使用的典型的偏振态为H\V\+\-四种。接收端所使用的典型的解码方案为被动解码方案，因为其插损低、成码率高的优势而被广泛使用。然而这种被动解码方案由传统分立的光学元器件搭建而成，接收端Bob需要4个单光子探测器，因此该方案具有体积大、成本高等缺点。
相比被动解码方案，主动解码方案可以降低探测器使用数量，使得成本降低。图1示出了现有技术的用于主动解码方案的一种典型光路。如图1所示，在接收端Bob处，偏振控制器PC2对经光纤扰动的偏振态进行校准以对准相位调制器PM2的方向。偏振态经相位调制器PM2进行相位调制之后经过偏振控制器PC3和偏振分束器PBS对解调后的偏振态进行正交区分，并输出到2个探测器通道中。
在图1所示方案中，由于偏振控制器PC2本身的偏振模色散问题，需要在Alice端设置与Bob匹配的相位调制器PM1进行偏振模色散补偿，这对Alice的器件提出了要求，而且从Alice的编码角度分析，Alice中相位调制器PM1存在的偏振模色散会导致偏振态偏离理想状态而不符合编码安全要求。另外，相位调制器PM2和偏振分束器PBS之间的光纤存在扰动，这种光纤扰动还需要通过设置偏振控制器PC3进行反馈补偿，这增加了相应的偏振控制器等光学器件，而且在自动化反馈系统中，要求偏振控制器PC3有相应的电子学驱动信号进行调节，进一步增加了系统复杂度。
图2示出了现有技术的用于主动解码方案的另一种典型光路，其对图1的光路进行了优化，其中通过对相位调制器PM2和偏振分束器PBS进行了熔接处理以省略偏振控制器PC3的设置。然而，图2的方案中仍然存在相位调制器引入的偏振模色散问题。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种分光组件，基于该分光组件的用于量子密钥分发的偏振解码装置及接收端，其可以实现无偏振模色散的偏振解码功能，且通过对分光组件进行特殊的集成化处理可以实现稳定且无扰动的偏振态正交区分功能，例如无需图1中那样设置偏振控制器PC3来提供偏振反馈。
本发明的第一方面涉及一种分光组件，其包括第一偏振分束元件、第一单向90度旋转器、第二单向90度旋转器、以及第二偏振分束元件；
所述第一偏振分束元件具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，其中，所述第二端口和所述第三端口分别相对于所述第一端口为透射端和反射端，同时分别相对于所述第四端口为反射端和透射端；
所述第一和第二单向90度旋转器具有第一端口和第二端口，且被设置成：经所述第一端口输入的光脉冲在经所述第二端口输出时偏振方向不发生旋转，以及经所述第二端口输入的光脉冲在经所述第一端口输出时偏振方向发生90度旋转；其中，所述第一偏振分束元件的第二端口连接所述第一单向90度旋转器的第一端口，同时所述第一偏振分束元件的第三端口连接所述第二单向90度旋转器的第二端口，或者所述第一偏振分束元件的第二端口连接所述第一单向90度旋转器的第二端口，同时所述第一偏振分束元件的第三端口连接所述第二单向90度旋转器的第一端口；
所述第二偏振分束元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中，所述第二端口和所述第三端口分别相对于所述第一端口为透射端和反射端；以及，所述第二偏振分束元件的第一端口与所述第一偏振分束元件的第四端口连接，且所述第二偏振分束元件的光轴方向相对于所述第一偏振分束元件的光轴方向旋转45或-45度角对齐。
优选地，所述第一偏振分束元件为偏振分束立方或偏振分束器。
优选地，所述第二偏振分束元件为偏振分束器或偏振分束立方。
可选地，所述单向90度旋转器包括45度法拉第旋转片和快轴成67.5度或22.5度的半波片。
进一步地，所述分光组件还包括部分分束器，其设置在所述第一偏振分束元件的第二和第三端口中的至少一个处。
优选地，所述第一偏振分束元件以胶合的方式直接连接所述第一单向90度旋转器、所述第二单向90度旋转器和所述第二偏振分束元件。
本发明的第二方面涉及一种分光组件，其包括第三偏振分束元件、环形器和第四偏振分束元件；
所述环形器具有第一、第二和第三端口，其中，由所述第一端口输入的光脉冲经所述第二端口输出，由所述第二端口输入的光脉冲经所述第三端口输出；
所述第三偏振分束元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中，所述第二端口和所述第三端口分别相对于所述第一端口为透射端和反射端；
所述第四偏振分束元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中，所述第二端口和所述第三端口分别相对于所述第一端口为透射端和反射端；
所述环形器的第二端口与所述第三偏振分束元件的第一端口连接，所述环形器的第三端口与所述第四偏振分束元件的第一端口连接，其中：
所述环形器在第二端口处水平方向与所述第三偏振分束元件的第一端口的水平方向平行对准，同时所述环形器在第三端口处水平方向相对所述第四偏振分束元件关于第一端口的水平方向旋转45或-45度对准；或者，
所述环形器在第二端口处水平方向与所述第三偏振分束元件的第一端口的水平方向旋转45或-45度对准，同时所述环形器在第三端口处水平方向相对所述第四偏振分束元件关于第一端口的水平方向平行对准。
优选地，所述环形器的第三端口和所述第四偏振分束元件的第一端口通过保偏光纤连接。其中，所述保偏光纤在一端使其快轴和慢轴中的一个相对所述环形器的第三端口的水平方向旋转45或-45度耦合，在另一端使所述快轴和慢轴中的所述一个与所述第四偏振分束元件关于所述第一端口的水平方向耦合对准；或者，所述保偏光纤在一端使其快轴和慢轴中的一个与所述环形器的第三端口的水平方向耦合，在另一端使所述快轴和慢轴中的所述一个与所述第四偏振分束元件关于第一端口的水平方向耦合对准。
优选地，所述第三偏振分束元件为偏振分束立方或偏振分束器。
优选地，所述第四偏振分束元件为偏振分束器或偏振分束立方。
优选地，所述环形器以胶合的方式直接连接所述第三偏振分束元件。
本发明的第三方面涉及一种用于量子密钥分发的偏振解码装置，其包括：
分光组件，其具有第一端口A、第二端口B、第三端口C、第四端口D和第五端口E，且被设置成将经所述第一端口A接收的光脉冲分束成第一分量和第二分量，并分别经所述第二端口B和所述第三端口C输出所述第一分量和所述第二分量；
利用保偏光纤连接所述分光组件的所述第二端口B和所述第三端口C形成的萨格奈克环路，其保偏光纤的快轴和慢轴之一在所述第二端口B和所述第三端口C处与所述分光组件对准，以使所述第一和第二分量均沿所述萨格奈克环路的保偏光纤的慢轴传播，或者均沿所述萨格奈克环路的保偏光纤的快轴传播；
设置在所述萨格奈克环路中的相位调制单元，用于对所述第一分量和所述第二分量中的至少一个进行相位调制，以在两者之间形成相位差φde；并且，
所述分光组件还设置成接收具有所述相位差φde的所述第一分量和所述第二分量并使两者发生耦合作用，以及基于所述耦合作用在所述第四端口D和所述第五端口E中的至少一个中提供输出。
优选地，所述保偏光纤为熊猫保偏光纤。
优选地，所述分光组件为本发明的第一方面和第二方面涉及的分光组件中的任何一个。
本发明的第四方面涉及一种用于量子密钥分发的接收端，其包括波分复用单元、同步光探测单元、偏振控制单元、光探测单元、以及本发明的第三方面涉及的偏振解码装置，其中，
所述波分复用单元用于将同步光和信号光脉冲分离开；
所述同步光探测单元用于接收所述同步光以进行同步光探测；
所述偏振控制单元用于在所述信号光脉冲进入所述偏振解码装置之前对其进行偏振控制；
所述偏振解码装置用于对所述信号光脉冲进行偏振解码；以及
所述光探测单元用于对所述偏振解码装置输出的偏振解码结果进行探测。
作为具体示例，所述光探测单元包括两个单光子探测器，其分别连接所述偏振解码装置的第四端口D和第五端口E。
优选地，所述偏振控制单元为电偏振控制器。
附图说明
图1示出了现有技术的用于主动解码方案的一种典型光路；
图2示出了现有技术的用于主动解码方案的另一种典型光路；
图3示出了本发明的用于量子密钥分发的偏振解码装置的示例性实施例；
图4示出了本发明的分光组件的第一示例性实施例；
图5示出了本发明的单向90度旋转器的一种示例性结构；
图6示出了本发明的分光组件的第二示例性实施例；
图7示出了本发明的分光组件的第三示例性实施例；
图8示出了本发明的用于量子密钥分发的接收端的示例性实施例。
具体实施方式
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。
图3示出了根据本发明的用于量子密钥分发的偏振解码装置的示例性实施例。
如图所示，偏振解码装置可以包括分光组件，其具有第一端口A、第二端口B、第三端口C、第四端口D和第五端口E。
分光组件可以被设置成经由第一端口A接收光脉冲。例如，光脉冲可以是由发送端Alice发送的经偏振编码的信号光脉冲，其可以经由单模光纤传输至第一端口A。
分光组件可以将接收的光脉冲分束成第一分量和第二分量，并使两个分量分别经由第二端口B和第三端口C输出。作为优选示例，第一分量和第二分量可以具有相同的强度。
分光组件还可以使分别由第二端口B和第三端口C输入的光脉冲(其例如可以由第一分量和第二分量同时折返回分光组件来实现)发生耦合作用，并从分光组件的第四端口D和第五端口E中的至少一个中提供输出。
偏振解码装置还可以包括利用保偏光纤连接分光组件的第二端口B和第三端口C实现的萨格奈克环路，以及设置在萨格奈克环路中的相位调制单元。其中，萨格奈克环路的保偏光纤的光轴在分光组件的第二端口B和第三端口C处关于分光组件进行对准耦合，以使经由分光组件的第二端口B和第三端口C输出的光脉冲将进入并沿萨格奈克环路的保偏光纤的同一光轴传播。例如，保偏光纤的慢轴和快轴中的一个同时在端口B和C处与分光组件的水平方向(或垂直方向)对准。
作为示例，保偏光纤可以是熊猫保偏光纤。
作为示例，相位调制单元可以是相位调制器PM。
下面将借助示例来说明本发明的偏振解码装置的工作原理。
在一个优选示例中，当经偏振编码的信号光脉冲经由第一端口A进入分光组件时，分光组件将信号光脉冲分束成具有相同强度的第一分量和第二分量，并使其分别经由第二端口B和第三端口C输出。
由于分光组件的第二端口B和第三端口C与萨格奈克环路中的保偏光纤的同一光轴(例如慢轴)对准连接以使其输出的光脉冲进入保偏光纤并沿同一光轴传播，因此，由分光组件输出的第一和第二分量将同时进入萨格奈克环路，并在保偏光纤的相同光轴上相向地沿环路传输。
控制萨格奈克环路中的相位调制单元(例如PM)对第一和第二分量中的至少一个进行相位调制，以在两者之间加载相位差φde。
具有相位差φde的第一和第二分量将同时返回分光组件发生耦合作用，并根据相位差φde在分光组件的第四端口D和第五端口E中的至少一个处输出耦合结果。
分光组件所输出的耦合结果随后传输给诸如单光子探测器的光探测单元进行探测，以实现对来自发送端的信号光脉冲的偏振解码。
在本发明所实现的偏振解码过程中，由于第一和第二分量沿相同光轴(例如慢轴)在萨格奈克环路中传播并受到相位调制，因此，两个光分量将经历相同的总路径(相同的衰减)，且这种同光轴传输(例如沿保偏sagnac干涉仪的环路的慢轴方向传输)能够完全避免例如现有技术中在相位调制器中存在的偏振模色散问题，避免快轴和慢轴之间的相位差异，使得最终在分光组件中叠加输出的偏振态只取决于由相位调制器加载的相位差φde。
图4示出了本发明的分光组件的第一示例性实施例，其包括第一偏振分束元件、第一和第二单向90度旋转器(Rotator)、以及第二偏振分束元件。
第一偏振分束元件用于将输入的光脉冲分束成偏振方向彼此垂直的第一和第二分量，其可以具有第一、第二、第三和第四端口，其中，对于经由第一、第二、第三和第四端口中任何一个端口输入的光脉冲，其水平偏振分量均将以透射的方式从第一偏振分束元件中输出，其垂直偏振分量均将以反射的方式从第一偏振分束元件中输出。
作为非限制性示例，第一偏振分束元件可以为偏振分束立方(PBC)(如图4所示)或者偏振分束器(未示出)。
在图4的示例中，第一偏振分束元件(在此为偏振分束立方)的第一端口作为输入端口，其对应于偏振解码装置的第一端口A；相应地，第二端口和第三端口分别作为关于第一端口的透射和反射输出端口。因此，当光脉冲从偏振分束立方的第一端口输入时，从第二端口输出的第一分量将为其水平分量(H光)，从第三端口输出的第二分量将为其垂直分量(V光)。
单向90度旋转器被设置成不使正向通过的光脉冲的偏振方向发生旋转，且使反向通过的光脉冲的偏振方向发生90度旋转。图5示出了单向90度旋转器的一种示例性结构，其可以包括45度法拉第旋转片和快轴成67.5度的半波片。在另一示例性结构中，单向90度旋转器可以包括45度法拉第旋转片和快轴成22.5度的半波片。
在本发明中，第一和第二单向90度旋转器分别连接第一偏振分束元件(在图4中为偏振分束立方)的第二和第三端口，其中：第一单向90度旋转器关于第二端口的输出方向正向设置，同时第二单向90度旋转器关于第三端口的输出方向反向设置；或者第一单向90度旋转器关于第二端口的输出方向反向设置，同时第二单向90度旋转器关于第三端口的输出方向正向设置。
在图4的示例中，第一单向90度旋转器关于偏振分束立方的第二端口的输出方向正向设置，第二单向90度旋转器关于第三端口的输出方向反向设置。此时，偏振分束立方的第二端口输出的第一分量(H光)正向通过第一单向90度旋转器后仍然保持为H光，偏振分束立方的第三端口输出的第二分量(V光)反向通过第二单向90度旋转器后其偏振方向将发生90度旋转，即由V光变为H光。
随后，均为H光的第一和第二分量分别经由第一单向90度旋转器的输出端(其对应于分光组件的第二端口B)和第二单向90度旋转器的输出端(其对应于分光组件的第三端口C)输入萨格奈克环路。由于萨格奈克环路的保偏光纤的同一光轴(例如慢轴)在第二端口B和第三端口C处均与偏振分束立方的水平方向对准设置，因此，第一和第二分量将会在保偏光纤中将沿相同光轴(例如慢轴)在环路中相向传播。
在萨格奈克环路中，借助相位调制器PM在第一和第二分量之间形成相位差φde。经相位调制的第一和第二分量沿保偏光纤的相同光轴(例如慢轴)同时返回分光组件的第三端口C和第二端口B，此时，第一和第二分量为H光。
随后，为H光的第一分量正向通过第二单向90度旋转器到达偏振分束立方的第三端口，其仍然为H光；为H光的第二分量将反向通过第一单向90度旋转器到达偏振分束立方的第二端口，其发生90度的偏振方向旋转变为V光。
通过单向90度旋转器之后，为H光的第一分量经偏振分束立方的第三端口输入并经透射作用到达偏振分束立方的第四端口，为V光的第二分量经偏振分束立方的第二端口输入并经反射作用到达偏振分束立方的第四端口，第一和第二分量在偏振分束立方的第四端口处发生耦合作用。
如果第一和第二分量之间的相位差φde为0，则它们在偏振分束立方的第四端口处将耦合形成
的偏振光，即45度偏振光。
如果第一和第二分量之间的相位差φde为π，则它们在偏振分束立方的第四端口处将耦合形成
的偏振光，即-45度偏振光。
第二偏振分束元件用于将输入的光脉冲分成偏振方向彼此垂直的第一和第二分量，其可以具有第一、第二、和第三端口。作为示例，第二偏振分束元件可以为偏振分束器(如图4所示)，或者为偏振分束立方(未示出)。
如图4所示，第二偏振分束元件的第一端口作为输入端与第一偏振分束元件的第四端口光学连接，且被设置成第二偏振分束元件的光轴方向相对于第一偏振分束元件的光轴方向旋转45(或-45)度角对齐，例如，第一偏振分束元件在第四端口输出的H光方向相比第二偏振分束元件关于其第一端口的透射方向(H光方向)成45(或-45)度夹角。因此，当两个光轴成旋转45度对齐时，第一偏振分束元件在其第四端口输出的偏振态为
的光脉冲将对准第二偏振分束元件关于第一端口的透射方向(H光方向)输出，即从第二偏振分束元件的透射端口输出，该透射端口则对应于分光组件的第四端口D；第一偏振分束元件在其第四端口输出的偏振态为
的光脉冲将对准第二偏振分束元件关于第一端口的反射方向(V光方向)输出，即从第二偏振分束元件的反射端口输出，该反射端口对应于分光组件的第五端口E。本领域技术人员容易理解，当两个光轴成旋转-45度对齐时，偏振态为
的光脉冲将从第二偏振分束元件的反射端口(即分光组件的第五端口E)输出，偏振态为
的光脉冲将从第二偏振分束元件的透射端口(即分光组件的第四端口D)输出。
从第四端口D和/或第五端口E输出的光脉冲可以被用于单光子探测器进行探测，以完成偏振解码过程。例如，当Φde为0或π时，相应地可以从分光组件的第四端口D或第五端口E产生光脉冲输出，从而得到确定的偏振态区分结果，此时为基矢比对一致结果；当Φde为π/2或3π/2时，则会同时在分光组件的第四端口D和第五端口E中均有光信号(其通常具有相同的强度)输出，从而得到不确定的偏振态区分结果，此时为基矢比对不一致结果。此外，本领域技术人员容易理解，本发明的解码装置也可以用于偏振态
的解码。
进一步地，本发明的分光组件还可以包括部分分束器(NBS)，其设置在第一偏振分束元件的第二端口和第三端口中的至少一个处，以调节第一分量和第二分量在偏振解码过程中的衰减。优选地，部分分束器可以被设置成具有可调的分束比，以使第一和第二分量的衰减达到平衡。作为替换，部分分束器可以具有固定的分束比，例如其具有水平偏振透过率Tp，和垂直偏振透过率TNBS＝Tp*δ，其中，δ满足TAB*TP＝TAC*TP*δ，即δ＝TAB/TAC，其中，TAB为水平偏振分量在没有部分分束器的情况下通过分光组件的效率，TAc为垂直偏振分量在没有部分分束器的情况下通过分光组件的效率。
进一步地，分光组件中的第一偏振分束元件、第一单向90度旋转器、第二单向90度旋转器和第二偏振分束元件之间，或者第一偏振分束元件、第一单向90度旋转器、第二单向90度旋转器、第二偏振分束元件和部分分束器之间，通过胶合直接连接形成集成的分光组件，由此可以提供稳定无扰动的偏振态正交区分功能，而无需如现有技术中那样引入偏振控制器来提供偏振反馈。
图6示出了本发明的分光组件的第二示例性实施例，其包括第三偏振分束元件、环形器和第四偏振分束元件。
第三和第四偏振分束元件用于将输入的光脉冲分束成偏振方向彼此垂直的第一和第二分量，其可以具有第一、第二、和第三端口。作为示例，第三和第四偏振分束元件可以为偏振分束器(如图6所示)，或者为偏振分束立方(未示出)。
环形器可以具有第一、第二和第三端口，其中，由第一端口输入的光脉冲由第二端口输出，由第二端口输入的光脉冲由第三端口输出。
如图6所示，环形器的第一端口对应于分光组件的第一端口A。
环形器与第三偏振分束元件光学连接，且环形器的第二端口的水平方向与第三偏振分束元件的第一端口的水平方向平行对准，即，环形器的第二端口的水平方向与第三偏振分束元件关于第一端口的透射方向平行对准。在第三偏振分束元件中，第二端口和第三端口分别作为关于第一端口的透射输出端口(其对应于分光组件的第二端口B)和反射输出端口(其对应于分光组件的第三端口C)。
当具有45度偏振态的光脉冲经由第一端口A进入分光组件时，由于环形器的第二端口与第三偏振分束元件的第一端口的水平方向对准设置，45度偏振光脉冲经环形器的第二端口进入第三偏振分束元件的第一端口时仍然为45度偏振光，因此，该光脉冲在第三偏振分束元件内分束成强度相同、偏振方向彼此垂直的第一分量(H光)和第二分量(V光)，第一和第二分量将分别从第三偏振分束元件的第二和第三端口输出。
第三偏振分束元件的第二端口和第三端口连接保偏光纤以形成萨格奈克环路，其中，第二端口和第三端口均与保偏光纤的相同光轴(例如慢轴)直接耦合对准，以使得第一和第二分量将分别以H光和V光的形式经分光组件的第二端口B和第三端口C输入萨格奈克环路，沿保偏光纤的相同光轴(例如慢轴)在环路中传播。
在萨格奈克环路中，借助相位调制器PM在第一和第二分量之间形成相位差φde。经相位调制的第一和第二分量沿保偏光纤的慢轴同时返回分光组件的第三端口C和第二端口B。此时，由于上述光轴对准关系，例如保偏光纤慢轴在V光方向上与第三端口C直接对准耦合，且在H光方向上与第二端口B直接对准耦合，保偏光纤中(例如沿慢轴传播)的第一分量将以V光的形式经由第三端口C返回第三偏振分束元件，保偏光纤中(例如沿慢轴传播)的第二分量将以H光的形式经由第二端口B返回第三偏振分束元件。此时，第一分量和第二分量在第三偏振分束元件内发生耦合作用并经其第一端口朝向环形器的第二端口输出光脉冲，该光脉冲随后传输至环形器的第三端口。
如果相位差φde为0，那么第三偏振分束元件向环形器的第二端口输出的光脉冲具有45度偏振态；如果相位差φde为π，那么第三偏振分束元件向环形器的第二端口输出的光脉冲具有-45度偏振态。
环形器的第三端口与第四偏振分束元件的第一端口光学连接，且被设置成环形器的水平方向相对于第四偏振分束元件关于第一端口的透射或反射方向旋转45(或-45)度对准。
作为优选示例，环形器的第三端口和第四偏振分束元件的第一端口之间通过保偏光纤来连接，其中，保偏光纤在一端使其某一光轴(快轴或慢轴)与环形器的水平方向旋转45(或-45)度耦合，同时在另一端使其光轴(优选相同光轴)与第四偏振分束元件关于第一端口的透射或反射方向耦合对准。优选地，保偏光纤可以通过保偏熔接的方式来实现连接。
下面以环形器的水平方向相对第四偏振分束元件关于第一端口的透射方向旋转45度对准为例进一步说明该分光组件的实施例的工作原理。
如果相位差φde为0，第三偏振分束元件耦合输出至环形器的光脉冲具有45度偏振态，由于环形器的水平方向相对第四偏振分束元件关于第一端口的透射方向旋转45度对准，那么该光脉冲经环形器和保偏光纤到达第四偏振分束元件的第一端口后，其将在第四偏振分束元件中通过透射作用经其第二端口(对应于分光组件的第四端口D)向外输出。
如果相位差φde为π，第三偏振分束元件耦合输出至环形器的光脉冲具有-45度偏振态，由于环形器的水平方向相对第四偏振分束元件关于第一端口的透射方向旋转45度对准，那么该光脉冲由环形器到达第四偏振分束元件的第一端口后，将在第四偏振分束元件中通过反射作用经其第三端口(对应于分光组件的第五端口E)向外输出。
进一步地，环形器和第三偏振分束元件之间通过胶合直接连接形成集成的分光组件，由此可以提供稳定无扰动的偏振态正交区分功能，而无需如现有技术中那样引入偏振控制器来提供偏振反馈。
图7示出了本发明的分光组件的第三示例性实施例，其同样包括第三偏振分束元件、环形器和第四偏振分束元件。出于简洁的目的，下面将仅介绍第三实施例与第二实施例不同之处，相同之处将不再赘述。
如图7所示，环形器与第三偏振分束元件连接，且环形器的第二端口的水平方向与第三偏振分束元件的第一端口的水平方向旋转45度对准，即，环形器的第二端口的水平方向与第三偏振分束元件关于第一端口的透射方向旋转45度对准。
当为H光的光脉冲经由第一端口A进入分光组件时，由于环形器的第二端口与第三偏振分束元件的第一端口的水平方向旋转45度对准，为H光的光脉冲经环形器的第二端口进入第三偏振分束元件的第一端口时则成为45度偏振光，因此，该光脉冲在第三偏振分束元件内分束成强度相同、偏振方向彼此垂直的第一分量(H光)和第二分量(V光)，第一和第二分量将分别从第三偏振分束元件的第二和第三端口输出。
类似地，第一分量和第二分量在萨格奈克环路中经相位调制φde后，将分别经第三端口C以V光形式和经第二端口B以H光形式返回第三偏振分束元件。此时，第一分量和第二分量在第三偏振分束元件内发生耦合作用并经其第一端口朝向环形器的第二端口输出光脉冲。
如果相位差φde为0，那么第三偏振分束元件向环形器的第二端口输出的光脉冲具有45度偏振态；如果相位差φde为π，那么第三偏振分束元件向环形器的第二端口输出的光脉冲具有-45度偏振态。由于环形器的第二端口与第三偏振分束元件的第一端口的水平方向旋转45度对准，因此，第三偏振分束元件的第一端口输出的45度偏振光经由环形器的第二端口进入环形器时将变为水平偏振光(H光)，第三偏振分束元件的第一端口输出的-45度偏振光经由环形器的第二端口进入环形器时将变为垂直偏振光(V光)。
环形器的第三端口与第四偏振分束元件的第一端口连接，且被设置成环形器的水平方向相对第四偏振分束元件关于第一端口的透射或反射方向对准。作为优选示例，环形器的第三端口和第四偏振分束元件的第一端口之间通过保偏光纤来连接，其中，保偏光纤在一端使其某一光轴(例如慢轴)与环形器的水平方向耦合，同时在另一端使其光轴(优选相同光轴)与第四偏振分束元件关于第一端口的透射或反射方向耦合对准。优选地，保偏光纤可以通过保偏熔接的方式来实现连接。
下面以环形器的水平方向相对第四偏振分束元件关于第一端口的透射方向对准为例进一步说明该分光组件的实施例的工作原理。
如上所述，在相位差φde为0时，经第三偏振分束元件耦合输出至环形器的光脉冲将为水平偏振光，由于环形器的水平方向相对第四偏振分束元件关于第一端口的透射方向对准，那么该光脉冲经环形器到达第四偏振分束元件的第一端口后，将在第四偏振分束元件中通过透射作用经其第二端口(对应于分光组件的第四端口D)向外输出。
在相位差φde为π时，经第三偏振分束元件耦合输出至环形器的光脉冲将为垂直偏振光，由于环形器的水平方向相对第四偏振分束元件关于第一端口的透射方向对准，那么该光脉冲由环形器到达第四偏振分束元件的第一端口后，将在第四偏振分束元件中通过反射作用经其第三端口(对应于分光组件的第五端口E)向外输出。
进一步地，环形器和第三偏振分束元件之间也可以通过胶合直接连接形成集成的分光组件，由此可以提供稳定无扰动的偏振态正交区分功能，而无需如现有技术中那样引入偏振控制器来提供偏振反馈。
图8示出了根据本发明的用于量子密钥分发的接收端的示例性实施例。如图所示，接收端可以包括波分复用单元、同步光探测单元、偏振控制单元、上述偏振解码装置和光探测单元。
波分复用单元用于将来自发送端的同步光和信号光脉冲分开。作为示例，波分复用单元可以为波分复用器(WDM)。
同步光探测单元用于接收同步光以进行同步光探测。作为示例，同步光探测单元可以为PIN光电探测器。
偏振控制单元设置在偏振解码装置之前，以用于对信号光脉冲进行偏振控制。作为示例，偏振控制单元可以是电偏振控制器(EPC)。
本发明的偏振解码装置用于接收信号光脉冲并基于测量基矢经由其第四端口D和第五端口E中的至少一个输出光脉冲。
偏振解码装置的第四端口D和第五端口E分别连接光探测单元(Det0、Det1)，以对输出的光脉冲进行探测。作为优选示例，光探测单元可以包括单光子探测器。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (12)
1.一种分光组件，其包括第一偏振分束元件、第一单向90度旋转器、第二单向90度旋转器、以及第二偏振分束元件；
所述第一偏振分束元件具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，其中，所述第一偏振分束元件的第二端口和第三端口相对于所述第一偏振分束元件的第一端口分别为透射端和反射端，同时相对于所述第一偏振分束元件的第四端口分别为反射端和透射端；
所述第一和第二单向90度旋转器具有第一端口和第二端口，且被设置成：经所述单向90度旋转器的第一端口输入的光脉冲在经所述单向90度旋转器的第二端口输出时偏振方向不发生旋转，以及经所述单向90度旋转器的第二端口输入的光脉冲在经所述单向90度旋转器的第一端口输出时偏振方向发生90度旋转；
所述第一偏振分束元件的第二端口连接所述第一单向90度旋转器的第一端口，同时所述第一偏振分束元件的第三端口连接所述第二单向90度旋转器的第二端口；或者，所述第一偏振分束元件的第二端口连接所述第一单向90度旋转器的第二端口，同时所述第一偏振分束元件的第三端口连接所述第二单向90度旋转器的第一端口；
所述第二偏振分束元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中，所述第二偏振分束元件的第二端口和第三端口相对于所述第二偏振分束元件的第一端口分别为透射端和反射端；以及，所述第二偏振分束元件的第一端口与所述第一偏振分束元件的第四端口连接，且所述第二偏振分束元件的光轴方向相对于所述第一偏振分束元件的光轴方向旋转45或-45度角对齐。
2.如权利要求1所述的分光组件，其中，所述第一偏振分束元件为偏振分束立方或偏振分束器；以及/或者，所述第二偏振分束元件为偏振分束器或偏振分束立方；以及/或者，所述单向90度旋转器包括45度法拉第旋转片和快轴成67.5度或22.5度的半波片。
3.如权利要求1所述的分光组件，其中，所述分光组件还包括部分分束器，其设置在所述第一偏振分束元件的第二和第三端口中的至少一个处。
4.如权利要求1所述的分光组件，其中，所述第一偏振分束元件以胶合的方式直接连接所述第一单向90度旋转器、所述第二单向90度旋转器和所述第二偏振分束元件。
5.一种分光组件，其包括第三偏振分束元件、环形器和第四偏振分束元件；
所述环形器具有第一、第二和第三端口，其中，由所述环形器的第一端口输入的光脉冲经所述环形器的第二端口输出，由所述环形器的第二端口输入的光脉冲经所述环形器的第三端口输出；
所述第三偏振分束元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中，所述第三偏振分束元件的第二端口和第三端口相对于所述第三偏振分束元件的第一端口分别为透射端和反射端；
所述第四偏振分束元件具有第一端口、第二端口和第三端口，其中，所述第四偏振分束元件的第二端口和第三端口相对于所述第四偏振分束元件的第一端口分别为透射端和反射端；
所述环形器的第二端口与所述第三偏振分束元件的第一端口连接，所述环形器的第三端口与所述第四偏振分束元件的第一端口连接；
所述环形器在其第二端口处水平方向与所述第三偏振分束元件的第一端口的水平方向平行对准，同时所述环形器在其第三端口处水平方向相对所述第四偏振分束元件的第一端口的水平方向旋转45或-45度对准；或者，
所述环形器在其第二端口处水平方向与所述第三偏振分束元件的第一端口的水平方向旋转45或-45度对准，同时所述环形器在其第三端口处水平方向相对所述第四偏振分束元件的第一端口的水平方向平行对准。
6.如权利要求5所述的分光组件，其中，所述环形器的第三端口和所述第四偏振分束元件的第一端口通过保偏光纤连接；
所述保偏光纤在一端使其快轴和慢轴中的一个相对所述环形器的第三端口的水平方向旋转45或-45度耦合，在另一端使所述快轴和慢轴中的所述一个与所述第四偏振分束元件的第一端口的水平方向耦合对准；或者
所述保偏光纤在一端使其快轴和慢轴中的一个与所述环形器的第三端口的水平方向耦合，在另一端使所述快轴和慢轴中的所述一个与所述第四偏振分束元件的第一端口的水平方向耦合对准。
7.如权利要求5所述的分光组件，其中，所述第三偏振分束元件为偏振分束立方或偏振分束器；以及/或者，所述第四偏振分束元件为偏振分束器或偏振分束立方；以及/或者，所述环形器以胶合的方式直接连接所述第三偏振分束元件。
8.一种用于量子密钥分发的偏振解码装置，其包括：
分光组件，其具有第一端口A、第二端口B、第三端口C、第四端口D和第五端口E，且被设置成将经所述第一端口A接收的光脉冲分束成第一分量和第二分量，并分别经所述第二端口B和所述第三端口C输出所述第一分量和所述第二分量；
利用保偏光纤连接所述分光组件的所述第二端口B和所述第三端口C形成的萨格奈克环路，其保偏光纤的快轴和慢轴之一在所述第二端口B和所述第三端口C处与所述分光组件对准，以使所述第一和第二分量均沿所述萨格奈克环路的保偏光纤的慢轴传播，或者均沿所述萨格奈克环路的保偏光纤的快轴传播；
设置在所述萨格奈克环路中的相位调制单元，用于对所述第一分量和所述第二分量中的至少一个进行相位调制，以在两者之间形成相位差Φde；并且，
所述分光组件还设置成接收具有所述相位差Φde的所述第一分量和所述第二分量并使两者发生耦合作用，以及基于所述耦合作用在所述第四端口D和所述第五端口E中的至少一个中提供输出。
9.如权利要求8所述的偏振解码装置，其中，所述保偏光纤为熊猫保偏光纤。
10.如权利要求8所述的偏振解码装置，其中，所述分光组件为权利要求1-7中任一项所述的分光组件。
11.一种用于量子密钥分发的接收端，其包括波分复用单元、同步光探测单元、偏振控制单元、光探测单元、以及如权利要求8-10中任一项所述的偏振解码装置，其中，
所述波分复用单元用于将同步光和信号光脉冲分离开；
所述同步光探测单元用于接收所述同步光以进行同步光探测；
所述偏振控制单元用于在所述信号光脉冲进入所述偏振解码装置之前对其进行偏振控制；
所述偏振解码装置用于对所述信号光脉冲进行偏振解码；以及
所述光探测单元用于对所述偏振解码装置输出的偏振解码结果进行探测。
12.如权利要求11所述的接收端，其中，所述偏振控制单元为电偏振控制器；并且/或者，所述光探测单元包括两个单光子探测器，其分别连接所述偏振解码装置的第四端口D和第五端口E。
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