CN114448612B - 一种时分复用光路插损测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种时分复用光路插损测量装置及方法，其中可以利用光功率计、偏振分析仪及光电探头等常规仪器，无需单光子探测器的参与及复杂的测量过程和数据处理，即可直接测量出时分复用光路中各路径的插损；同时，借助本发明，在面对不同待测光路时，无需更改仪器配置，可以适应具有不同延时差的光路。因此，借助本发明可以借助简单的操作和低的装置成本，高效精确地实现对时分复用光路的插入损耗的测量。

Description

一种时分复用光路插损测量装置及方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，特别涉及一种时分复用光路插损测量装置及方法。

背景技术

在基于偏振编码方案的量子密钥分发(QKD)系统中，为避免不同量子态探测效率引入的安全漏洞，不少量子密钥分发系统已在解码光路中采用时分复用设计，同基矢量子态经时分复用后进入同一单光子探测器进行探测。

在基于时分复用设计的解码光路中，通过使同基矢的不同量子态分别经两个具有不同光程的路径先后进入同一单光子探测器来实现时分复用过程。

例如在图1所示的基于光耦合器实现的时分复用解码光路中，光程彼此不同的路径1和路径2用于实现同一基矢下不同量子态的时分复用，光程彼此不同的路径3和路径4用于实现另一基矢下两个不同量子态的时分复用。

又例如在图2所示的低插损的时分复用解码光路(由本发明人提出)中，同样需要借助光程彼此不同的路径1和路径2实现同一基矢下不同量子态的时分复用，以及由光程彼此不同的路径3和路径4实现另一基矢下两个不同量子态的时分复用。

在这种时分复用解码光路中，如果用于同一基矢的时分复用光路中的两个路径(例如用于第一基矢的路径1和路径2，用于第二基矢的路径3和路径4)的插入损耗存在差异，则会导致该同一基矢下的两个偏振态到达同一单光子探测器的概率不同。在量子密钥分发中，同一基矢下的两个量子态分别代表0和1，当两个量子态的传输路径上的插损存在差异时，会导致最终探测到的0和1出现不均衡。因此，需要准确测出用于同一基矢的时分复用光路中的两个路径(例如路径1和路径2，路径3和路径4)的插损。

当前，往往是借助同一基矢下的信号光分别经时分复用光路中的两个路径到达单光子探测器上的时间上存在的特定时间差，例如，经路径1传输的信号光在t时刻到达单光子探测器，经路径2传输的信号光将在t+δt时刻到达单光子探测器，通过偏振控制器使单光子探测器在t时刻的计数最大，在t+δt时刻几乎无计数，即，使信号光全经由路径1进行传输，此时可以根据输入光功率和单光子探测器的计数及单光子探测器的探测效率，推算出路径1的插损。类似地，可以通过偏振控制使单光子探测器在t+δt时刻的计数最大，在t时刻几乎无计数，即，使信号光全经由路径2进行传输，此时可以根据输入光功率和单光子探测器的计数及单光子探测器的探测效率，推算出路径2的插损。由此，实现对用于该测量基矢的时分复用光路的插损的测量。

借助类似方法，还可以测量解码光路中用于其他测量基矢的时分复用光路的插损，例如路径3和路径4的插损。

然而，当前的这种时分复用光路插损的测量方法仍然存在很多问题：

(1)此测量方法需要用到单光子探测器，但是单光子探测器价格高昂，导致高昂的成本。

(2)测量结果的准确性依赖于单光子探测器的探测效率，而单光子级别的功率精确测量难度高、技术复杂度高，因此往往难以保证时分复用光路插损的测量准确性。

(3)此测量方法还要求单光子探测器在t时刻和t+δt时刻上具有相同的探测效率。由于单光子探测器的探测效率通常与时域相关，对于门控单光子探测器，往往要求门控频率与待测时分复用光路所在的解码光路上的延时差严格一致，技术复杂度高，因此也会导致难以保证时分复用光路插损测量结果的准确性。

(4)此测量方法还需要统计单光子探测器在t时刻和t+δt时刻的计数，要求具有后续数据处理能力，这会对测量装置的硬件要求和测量时间提出更高的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种时分复用光路插损测量装置及方法，其中可以利用光功率计、偏振分析仪及光电探头等常规仪器，无需单光子探测器的参与及复杂的测量过程和数据处理，即可直接测量出时分复用光路中各路径的插损；同时，借助本发明，在面对不同待测光路时，无需更改仪器配置，可以适应具有不同延时差的光路。因此，借助本发明可以借助简单的操作和低的装置成本，高效精确地实现对时分复用光路的插入损耗的测量。

具体而言，本发明的第一方面涉及一种时分复用光路的插入损耗的测量方法，其包括：

步骤一，测量所述时分复用光路的输入光的功率Pin；

步骤二，调节所述输入光的偏振态，并测量所述时分复用光路的输出光的偏振度，直至所述输出光的偏振度达到最大值；

步骤三，在所述输出光的偏振度达到最大值时，测量所述输出光的功率P1，并且测量所述输出光的时序位置；以及，

根据所述时序位置确定所述输出光在所述时分复用光路中的传输路径，以及根据所述功率Pin和P1确定所述插入损耗。

进一步地，所述步骤一可以被设置成：在将测试光源的输出光输入所述时分复用光路之前，测量所述测试光源的输出光的功率。

优选地，可以利用光功率计测量所述功率Pin和P1；以及/或者，利用偏振分析仪测量所述偏振度；以及/或者，利用光电探头和示波器测量所述时序位置；以及/或者，利用偏振控制器调节所述偏振态。

进一步地，在所述步骤二中，可以在所述时分复用光路中调节所述输入光的偏振态，或者在所述输入光进入所述时分复用光路之前调节其偏振态。

进一步地，所述偏振度的最大值可以为1。

本发明的第二方面涉及一种时分复用光路的插入损耗的测量装置，其包括光源模块和测量模块，所述时分复用光路的输入端和输出端分别连接所述光源模块和所述测量模块，其中：

所述光源模块包括测试光源，其被设置用于为所述时分复用光路提供输入光；

所述测量模块被设置用于测量所述输入光的功率Pin，以及所述时分复用光路的输出光的偏振度、功率P1和时序位置，并根据所述功率Pin和P1计算所述插入损耗。

其中，所述时分复用光路还可以被设置用于调节所述输入光的偏振态；或者，所述光源模块还被设置用于调节所述输入光的偏振态。优选地，所述时分复用光路包括偏振控制器；或者，所述光源模块还包括偏振控制器。

进一步地，所述测量模块可以包括光功率测量单元、偏振度测量单元、时序位置测量单元及插损计算单元；

所述光功率测量单元被设置用于测量所述输入光的功率Pin和所述输出光的功率P1；

所述偏振度测量单元被设置用于测量所述输出光的偏振度；

所述时序位置测量单元被设置用于测量所述输出光的时序位置；

所述插损计算单元被设置用于根据所述功率Pin和P1计算插入损耗。

优选地，所述光功率测量单元包括光功率计；以及/或者，所述偏振度测量单元包括偏振分析仪；以及/或者，所述时序位置测量单元包括光电探头和示波器。

本发明的上述测量装置可以被用于实现本发明的上述测量方法。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本发明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使用的附图作简单地介绍，显而易见，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来获得其他的附图。

图1示意性地示出了现有技术中的基于时分复用的解码光路的一种示例；

图2示意性地示出了本发明人提出的低插损的基于时分复用的解码光路的一种示例；

图3示意性地示出了根据本发明的时分复用光路插损测量装置。

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。

下面首先将介绍根据本发明的时分复用光路插损测量方法的基本原理及其具体步骤，以便将来能够更清楚地理解图3所示时分复用光路插损测量装置的工作原理。

在用于偏振编码方案的时分复用光路中，例如图1或2所示，经由不同光学传输路径传输的信号光会具有不同的偏振态，由此，不同于常规技术，本发明人提出可以简单地借助时分复用光路所输出的信号光的偏振度(DOP)来判断该信号光在时分复用光路中是否仅由单一传输路径进行传输。

具体而言，当时分复用光路所输出的信号光的偏振度为1时，意味着信号光的偏振态不会随时间发生变化，这种结果只有当信号光在时分复用光路中仅经由单一传输路径进行传输时才能获得。同理地，当时分复用光路所输出的信号光的偏振度为0时，则表示所输出的信号光在时分复用光路中等概率地经过两个光学传输路径的传输。

进一步地，由于在时分复用光路中，不同的光学传输路径将为信号光提供不同的光程，因此，在信号光仅沿时分复用光路中的单一传输路径进行传输的情况下，还可以利用该信号光的时序位置来判断用于对其进行传输的光学传输路径是时分复用光路中的短光程传输路径或长光程传输路径。

综上，本发明提出可以借助时分复用光路所输出的信号光的偏振度及其时序位置，确定经由时分复用光路中单一传输路径进行传输的信号光，以及用于传输该信号光的光学传输路径为短光程传输路径或长光程传输路径。

基于上述基本原理，本发明的时分复用光路插损测量方法具体可以包括以下步骤。

步骤一：测量待测的时分复用光路的输入光的功率Pin。

在一个示例中，可以在将测试光源的输出光连接输入至待测的时分复用光路之前，利用例如光功率计对测试光源的输出光的功率(即Pin)进行测量。

步骤二：调节输入光的偏振态，并测量时分复用光路的输出光的偏振度(DOP)，直至时分复用光路的输出光的偏振度达到最大值。

在一个示例中，可以利用偏振控制器调节输入光的偏振态；以及，利用偏振分析仪测量时分复用光路的输出光的偏振度。

其中，当时分复用光路中设有偏振控制器，可以利用该偏振控制器调节输入光的偏振态；否则，可以在测试光源和时分复用光路之间额外设置偏振控制器，以对输入光的偏振态进行调节。

在理想情况下，输出光的偏振度的最大值可以为1。

步骤三：当时分复用光路的输出光的偏振度达到最大值时，测量输出光的功率P1，并且测量输出光的时序位置。

在一个示例中，可以利用光电探头和示波器测量输出光的时序位置。

此时，基于时分复用光路的输出光的时序位置，可以确定该输出光在时分复用光路中的光学传输路径。例如，时间靠前的时序位置表示该输出光在时分复用光路中经由短光程传输路径进行传输，时间靠后的时序位置表示该输出光在时分复用光路中经由长光程传输路径进行传输；并且，还可以借助时分复用光路的输入光功率Pin和输出光功率P1计算得出该传输路径的插入损耗。

通过重复上述步骤，可以测量得出时分复用光路中另一光学传输路径的插入损耗，由此实现时分复用光路的插入损耗的精确测量。

下面将进一步结合图3来描述根据本发明的时分复用光路插损测量装置的一个示例。

在本发明中，时分复用光路插损测量装置可以包括光源模块和测量模块，其中，待测的时分复用光路的输入端和输出端分别连接光源模块和测量模块。

光源模块用于为待测的时分复用光路提供输入光。其中，在待测的时分复用光路不具备光偏振态调节功能时，光源模块还可以提供输入光偏振态调节功能，例如可以在光源模块中设置偏振控制器。

测量模块用于测量光源模块提供的输入光的功率、以及时分复用光路的输出光的偏振度、功率和时序位置，并计算插入损耗。相应地，测量模块可以包括光功率测量单元、偏振度测量单元、时序位置测量单元及插损计算单元。

其中，光功率测量单元用于测量光源模块提供的输入光的功率Pin和时分复用光路的输出光的功率P1。

偏振度测量单元用于测量时分复用光路的输出光的偏振度。

时序位置测量单元用于测量时分复用光路的输出光的时序位置。

插损计算单元用于根据功率Pin和P1计算插入损耗。

具体而言，当待测时分复用光路为图1或2示出的光路，其中设置有偏振控制器以提供光偏振态调节功能时，光源模块可以包括用于提供输入光的测试光源。

在图3的示例中，光功率测量单元可以包括光功率计；偏振度测量单元可以包括偏振分析仪；时序位置测量单元可以包括光电探头和示波器。

在测量过程中，可以分别通过将光功率计连接测试光源的输出端和待测的时分复用光路的输出端，测量时分复用光路的输入光功率Pin和输出光功率P1；将偏振分析仪连接待测的时分复用光路的输出端，测量时分复用光路的输出光的偏振度；将光电探头连接待测的时分复用光路的输出端，并利用示波器来接收光电探头的输出信号，测量时分复用光路的输出光的时序位置。

借助本发明提出的时分复用光路插损测量装置和方法，可以利用常规仪器，无需单光子探测器的参与及复杂的测量过程和数据处理，可以直接测量出时分复用光路中各路径的插损，且无需更改仪器配置即可适应具有不同延时差的光路。

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 (11)

1.一种时分复用光路的插入损耗的测量方法，其包括：

步骤一，测量所述时分复用光路的输入光的功率Pin；

步骤二，调节所述输入光的偏振态，并测量所述时分复用光路的输出光的偏振度，直至所述输出光的偏振度达到最大值；

步骤三，在所述输出光的偏振度达到最大值时，测量所述输出光的功率P1，并且测量所述输出光的时序位置；以及，

根据所述时序位置确定所述输出光在所述时分复用光路中的传输路径，以及根据所述功率Pin和P1确定所述插入损耗。

2.如权利要求1所述的测量方法，其中，所述步骤一被设置成：在将测试光源的输出光输入所述时分复用光路之前，测量所述测试光源的输出光的功率。

3.如权利要求1所述的测量方法，其中：

利用光功率计测量所述功率Pin和P1；以及/或者，

利用偏振分析仪测量所述偏振度；以及/或者，

利用光电探头和示波器测量所述时序位置；以及/或者，

利用偏振控制器调节所述偏振态。

4.如权利要求1所述的测量方法，其中，在所述步骤二中，在所述时分复用光路中调节所述输入光的偏振态，或者在所述输入光进入所述时分复用光路之前调节其偏振态。

5.如权利要求1所述的测量方法，其中,所述偏振度的最大值为1。

6.一种时分复用光路的插入损耗的测量装置，其包括光源模块和测量模块，所述时分复用光路的输入端和输出端分别连接所述光源模块和所述测量模块，其中：

所述光源模块包括测试光源，其被设置用于为所述时分复用光路提供输入光；

所述测量模块被设置用于测量所述输入光的功率Pin，以及所述时分复用光路的输出光的偏振度、偏振度达到最大值时的功率P1和时序位置，根据所述时序位置确定输出光在时分复用光路中的传输路径并根据所述功率Pin和P1计算所述插入损耗。

7.如权利要求6所述的测量装置，其中，所述时分复用光路还被设置用于调节所述输入光的偏振态；或者，所述光源模块还被设置用于调节所述输入光的偏振态。

8.如权利要求7所述的测量装置，其中，所述时分复用光路包括偏振控制器；或者，所述光源模块还包括偏振控制器。

9.如权利要求6所述的测量装置，其中，所述测量模块包括光功率测量单元、偏振度测量单元、时序位置测量单元及插损计算单元；

所述光功率测量单元被设置用于测量所述输入光的功率Pin和所述输出光的功率P1；

所述偏振度测量单元被设置用于测量所述输出光的偏振度；

所述时序位置测量单元被设置用于测量所述输出光的时序位置；

所述插损计算单元被设置用于根据所述功率Pin和P1计算插入损耗。

10.如权利要求9所述的测量装置，其中，

所述光功率测量单元包括光功率计；以及/或者，

所述偏振度测量单元包括偏振分析仪；以及/或者，

所述时序位置测量单元包括光电探头和示波器。

11.如权利要求6所述的测量装置，其用于实现如权利要求1-5中任一项所述的测量方法。