CN212231469U - 两级偏振编码装置及量子密钥分发光源 - Google Patents
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Abstract
一种偏振编码装置，包括两级Sagnac环，具体包括环形器1、偏振分束器PBS1、相位调制器PM1、环形器2、偏振分束器PBS2、相位调制器PM2几个部分，其中，环形器1和环形器2均包括第一端口a，第二端口b和第三端口c；PBS1和PBS2均包括第一端口1，第二端口2和第三端口3；PBS1和PBS2的第二端口2和第三端口3之间通过基于Sagnac环的保偏光纤连接以形成双向环光路；输入光通过输入光纤连接到环形器1的第一端口a，输入光纤为保偏光纤；输出光通过输出光纤连接到环形器2的第三端口c，输出光纤为单模光纤。本实用新型使用两通道、单幅值的脉冲信号驱动，满足了偏振编码QKD实验制备4种偏振态的需求，避免了单通道、多幅值的脉冲信号产生的技术难题，实现难度小、可靠性高。
Description
技术领域
本实用新型涉及光偏振编码领域，特别涉及用于诸如量子密钥分发系统中的偏振编码装置及量子密钥分发光源。
背景技术
量子通信作为当今物理学的前沿领域之一，其基于量子力学的基本物理原理保证了信息传输的无条件安全性，是量子信息学最先走向实用化的一个发展方向。量子通信的核心就是量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)，量子密钥分发可以实现相距遥远的通信双方共享无条件安全的量子密钥，再结合“一次一密”的加密方法，可以实现经过信息论严格数学证明的安全通信。BB84协议是Bennett等人于1984提出的第一个QKD协议，电是迄今为止使用最广泛的QKD之一。在自由空间和星地的QKD实验中，由于大气对偏振态的保真度较好，因此多采用基于偏振态进行编码，对应的就需要进行QKD光源的偏振态调制，来实现对两个正交基矢的四种偏振态的随机编码。
常用的偏振编码方法主要有两种。一种是基于基于伲酸锂晶体或砷化镓材料的偏振调制器使用外部的线偏振光经过45度转轴后输入，H、V两个偏振分量分别沿着调制器晶体的两个轴向传输，通过在调制器上施加电压信号，造成在H、V两个偏振分量之间引入额外的相位差，并在调制器晶体的输出端口处发生干涉，产生不同的偏振态。另一种是基于环形器+Sagnac环的偏振调制方法，通过构建Sagnacx结构的干涉环，通过相位调制器在顺时针和逆时针两个分量之间引入额外的相位差，最终干涉产生不同的偏振态。
对于目前已经报道的这些偏振编码方法，均采用了单级偏振编码的方案。为了产生偏振编码QKD实验所需的4种偏振态，需要产生幅度分别为0、1/2Vπ、Vπ、3/2Vπ等四种电压值的脉冲信号，其中Vπ为偏振调制器或相位调制器的半波电压。考虑到调制器的典型半波电压约5V，则分别要产生幅度分别为0、2.5V、5V、7.5V等四种电压值的脉冲信号，用于驱动调制器实现对目标偏振态的制备，同时为了保证所制备偏振态的保真度，也对脉冲信号提出了低抖动的要求。随着重复频率从MHz逐渐提高到GHz以上，这种多幅值、低抖动、大电压的脉冲信号产生，对驱动电子学提出了极高的需求，技术复杂、实现难度大、可靠性低，这在一定程度上限制了单级偏振编码装置的应用前景。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种两级偏振编码装置及量子密钥分发光源，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本实用新型的一方面，提供了一种偏振编码装置，包括两级Sagnac环，具体包括环形器1、偏振分束器PBS1、相位调制器PM1、环形器2、偏振分束器PBS2、相位调制器PM2几个部分，其中，
环形器1和环形器2均包括第一端口a，第二端口b和第三端口c；
PBS1和PBS2均包括第一端口1，第二端口2和第三端口3；
PBS1和PBS2的第二端口2和第三端口3之间通过基于Sagnac环的保偏光纤连接以形成双向环光路，通过调整PM1和PM2到第二端口2和第三端口3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PM1和PM2的延迟不同；
输入光通过输入光纤连接到环形器1的第一端口a；
输出光通过输出光纤连接到环形器2的第三端口c。
其中，所述输入光为线偏振光水平输入，输入光纤经过45°旋转，使输入光成为45°的线偏振光；所述输入光纤为保偏光纤，所述输出光纤为单模光纤。
其中，所述环形器1和环形器2的端口设置为：
当第一端口a为输入端口时，第二端口b为输出端；
当第二端口b为输入端口时，第三端口c为输出端。
其中，所述PBS1和PBS2的端口设置为：
当第一端口1为输入端口时，第二端口2为反射输出端，第三端口3为透射输出端；
当第二端口2为输入端时，第一端口1为反射输出端；
当第三端口3为输入端时，第一端口1为透射输出端。
作为本实用新型的另一方面，提供了一种采用上述两级偏振编码装置的量子密钥分发光源，包括脉冲发生器、激光器、强度调制器、偏振编码装置和衰减器；其中，
脉冲发生器用于发出特定的脉冲信号，以分别驱动激光器、强度调制器和偏振编码装置；
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、诱骗态和真空态三种强度态；
完成强度调制后的光信号进入偏振编码装置，偏振编码装置采用如上所述的偏振编码装置，脉冲发生器分别产生两通道、二进制幅值的电压脉冲信号，分别作用在偏振编码装置的第一级Sagnac环和第二级Sagnac环，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四种偏振态；
完成偏振编码后的光信号，经过衰减器后，衰减到量子密钥分发所需的单光子量级后输出。
基于上述技术方案可知，本实用新型的两级偏振编码装置、编码方法及量子密钥分发光源相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)通过两级偏振编码装置方案，使用两通道、单幅值的脉冲信号驱动，可以满足偏振编码QKD实验制备4种偏振态的需求，避免了单通道、多幅值的脉冲信号产生的技术难题，技术简单、实现难度小、可靠性高；
(2)通过两级偏振编码装置方案，降低了对驱动电脉冲信号幅度的需求，由单级偏振编码装置的3/2Vπ降低为Vπ(Vπ为相位调制器的半波电压)，降低了对驱动电子学的脉冲幅度需求；
(3)基于两级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，可以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，也避免了复杂的初始偏振态校准过程，具有较高的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本实用新型的偏振编码装置的结构及方法示意图；
图2为本实用新型的偏振编码装置在量子密钥分发中应用的示意图。
具体实施方式
本实用新型针对传统的单级偏振编码的方案，提出了一种两级偏振编码装置的方案，使用两通道、单幅值的脉冲信号驱动，可以满足偏振编码QKD实验制备4种偏振态的需求，降低了对驱动电脉冲信号幅度的需求，避免了单通道、多幅值的脉冲信号产生的技术难题，技术简单、实现难度小、可靠性高。
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型公开的偏振编码装置，如图1所示，主要由两级Sagnac环组成，具体包括环形器1、偏振分束器PBS1、相位调制器PM1、环形器2、偏振分束器PBS2、相位调制器PM2几个部分，其中：
环形器1(2)包括第一端口a，第二端口b和第三端口c；
当第一端口a为输入端口时，第二端口b为输出端；
当第二端口b为输入端口时，第三端口c为输出端；
PBS1(2)包括第一端口1，第二端口2和第三端口3；
当第一端口1为输入端口时，第二端口2为反射输出端，第三端口3为透射输出端；
当第二端口2为输入端时，第一端口1为反射输出端；
当第三端口3为输入端时，第一端口1为透射输出端；
PBS1(2)的第二端口2和第三端口3之间通过基于Sagnac环的保偏光纤连接以形成双向环光路，通过调整PM1(2)到第二端口2和第三端口3的保偏光纤的长度，使得Sagnac顺时针方向和逆时针方向到达PM1(2)的延迟不同；
输入光Input通过输入光纤连接到环形器1的第一端口a，输入光纤为保偏光纤；
输出光Output通过输出光纤连接到环形器2的第三端口c，输出光纤为单模光纤；
如图1所示，图中表示出了基于上述偏振编码装置的编码方法的流程，具体包括如下步骤：
输入光Input为线偏振光水平输入，输入光纤经过45°旋转，使输入光成为45°的线偏振光，入射在环形器1的第一端口a上，然后从环形器1的第二端口b输出。
45°的线偏振光从环形器1的第二端口b输出到偏振分束器PBS1的第一端口1，从PBS1将45°的线偏振光均匀地分为第一分量|H>和第二分量|V>，分别从反射端2和透射端3输出。
PBS1的反射端2将第一分量实现快轴截止，然后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。
PBS1的透射端3将第二分量实现快轴截止，然后耦合到了保偏光纤的慢轴中，沿逆时针在双向环光路中传播。
顺时针输出的第一分量光脉冲在经过PM1时，受到加载在PM1上的电信号的作用，附加一个额外的相位
逆时针输出的第二分量光脉冲在经过PM1时，PM1上加载的电信号为零，未叠加额外的附加相位。
第一分量顺时针脉冲传输到PBS1的端口3；第二分量逆时钟脉冲传输到PBS1的端口2。两个脉冲分量在PBS1上发生干涉后通过端口1输出。
PBS1端口1输出的光脉冲，输入到环形器1的第二端口b上，然后从环形器1的第三端口c输出。
环形器1的第三端口c输出的光脉冲，输入到环形器2的第一端口a上，然后从环形器2的第二端口b输出。
环形器2的第二端口b输出到偏振分束器PBS2的第一端口1，从PBS2分别将|H>、|V>偏振分量分开，第一分量|H>和第二分量|V>分别从反射端2和透射端3输出。
PBS2的反射端2将第一分量实现快轴截止，然后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。
PBS2的透射端3将第二分量实现快轴截止，然后耦合到了保偏光纤的慢轴中，沿逆时针在双向环光路中传播。
顺时针输出的第一分量光脉冲在经过PM2时，受到加载在PM2上的电信号的作用，附加一个额外的相位
逆时针输出的第二分量光脉冲在经过PM2时，PM2上加载的电信号为零，未叠加额外的附加相位。
第一分量顺时针脉冲传输到PBS2的端口3；第二分量逆时钟脉冲传输到PBS2的端口2。两个脉冲分量在PBS2上发生干涉后通过端口1输出。
输出的脉冲光的偏振态可以表示为
当额外相位
和
分别00、π和0、
时，输出的4种量子态分别为
和
通过两级偏振编码的组合，完成了BB84协议所需四种偏振态的制备。
PBS2端口1输出的光脉冲，输入到环形器2的第二端口b上，然后从环形器2的第三端口c输出。
环形器2的第三端口c输出，最终耦合到输出光纤Output并输出。
基于上述所提出的偏振编码装置，可以实现量子密钥分发光源，并应用于量子密钥分发中。如图2所示，光源主要包括脉冲发生器、激光器、强度调制器、偏振编码装置、衰减器等几个部分组成：
脉冲发生器用于发出特定的脉冲信号，以分别驱动激光器、强度调制器、偏振编码装置。
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。
完成强度调制后的光信号进入偏振编码装置。偏振编码装置采用本专利中提出的两级偏振编码方案，脉冲发生器分别产生两通道、二进制幅值的电压脉冲信号，分别作用在偏振编码装置的第一级Sagnac环和第二级Sagnac环，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。
完成强度调制和偏振编码后的光信号，经过衰减器后，衰减到量子密钥分发所需的单光子量级后输出。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种偏振编码装置，其特征在于，包括两级Sagnac环，具体包括环形器1、偏振分束器PBS1、相位调制器PM1、环形器2、偏振分束器PBS2、相位调制器PM2几个部分，其中，
环形器1和环形器2均包括第一端口a，第二端口b和第三端口c；
PBS1和PBS2均包括第一端口1，第二端口2和第三端口3；
PBS1和PBS2的第二端口2和第三端口3之间通过基于Sagnac环的保偏光纤连接以形成双向环光路，通过调整PM1和PM2到第二端口2和第三端口3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PM1和PM2的延迟不同；
输入光通过输入光纤连接到环形器1的第一端口a；
输出光通过输出光纤连接到环形器2的第三端口c。
2.根据权利要求1所述的偏振编码装置，其特征在于，所述输入光为线偏振光水平输入，输入光纤经过45°旋转，使输入光成为45°的线偏振光；所述输入光纤为保偏光纤，所述输出光纤为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的偏振编码装置，其特征在于，所述环形器1和环形器2的端口设置为：
当第一端口a为输入端口时，第二端口b为输出端；
当第二端口b为输入端口时，第三端口c为输出端。
4.根据权利要求1所述的偏振编码装置，其特征在于，所述PBS1和PBS2的端口设置为：
当第一端口1为输入端口时，第二端口2为反射输出端，第三端口3为透射输出端；
当第二端口2为输入端时，第一端口1为反射输出端；
当第三端口3为输入端时，第一端口1为透射输出端。
5.一种采用如权利要求1-4任一所述的偏振编码装置的量子密钥分发光源，其特征在于，所述光源包括脉冲发生器、激光器、强度调制器、偏振编码装置和衰减器；其中，
脉冲发生器用于发出特定的脉冲信号，以分别驱动激光器、强度调制器和偏振编码装置；
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、诱骗态和真空态三种强度态；
完成强度调制后的光信号进入偏振编码装置，偏振编码装置采用如权利要求1-4任一所述的偏振编码装置，脉冲发生器分别产生两通道、二进制幅值的电压脉冲信号，分别作用在偏振编码装置的第一级Sagnac环和第二级Sagnac环，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四种偏振态；
完成偏振编码后的光信号，经过衰减器后，衰减到量子密钥分发所需的单光子量级后输出。
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| CN114338020A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-04-12 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种量子密钥分发编码装置 |
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