一种量子密钥分发编码装置的制作方法

1.本发明涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种量子密钥分发编码装置。


背景技术：

2.量子密钥分发具有信息理论安全性，其安全性由量子力学的基本原理来保障，可以抵御来自量子计算机的威胁，在保密通信中具有重要作用。量子密钥分发系统常用编码方式有偏振编码、相位编码以及时间相位编码。由于偏振态在光纤信道中极不稳定，因此偏振编码需要在接收端加入主动偏振补偿模块，增加了系统的复杂度和不稳定性。相位编码则具有较高的稳定性，无需对信道扰动进行补偿，但是对设备本身所处环境变化导致的相位漂移进行补偿。而时间相位编码则采用一组时间基矢和一组相位基矢来编码，具有更的稳定性，但是探测时间模式需要更高速的单光子探测器。因此，不同的编码方式只能适用于特定的应用场景。
3.常规的量子密钥分发系统针对特定的编码方式，需要设计相应的光路来实现，而且大多不能兼容其他编码方式，因此编码装置缺乏通用性，无法根据实际应用的需求实现编码方式的切换，以满足系统性能的最优化。常规的时间相位编码方案一般采用不等臂干涉仪、强度调制器和相位调制器来进行编码，其中不等臂干涉仪用于产生具有时间差的双脉冲，强度调制器通过控制不同时间窗口的脉冲幅度来制备时间比特，相位调制器则用来调制前后两脉冲之间的相位差来进行相位编码，对强度调制器和相位调制器的调制速率要求很高，编码准确度依赖于强度调制器的消光比。并且强度调制器对环境温度敏感，需要进行实时校准，增加了系统的复杂度。而一般的相位编码方案基于双不等臂马赫-增德尔干涉仪或法拉第-迈克尔逊干涉仪，相位调制器置于干涉仪的长臂或短臂上，导致干涉仪两臂损耗不一致。另外，现有编码装置一般采用单独的强度调制器来进行信号态和诱骗态的调制，同样需要进行实时校准。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种量子密钥分发编码装置，用以解决现有技术中量子密钥分发系统编码方式无法切换、相位调制器插损导致两个时间模式损耗不一致、对相位调制器和强度调制器速率要求高、成本和复杂度高等技术缺陷。
5.本发明提供一种量子密钥分发编码装置如下：本发明的技术方案是这样实现的：一种量子密钥分发编码装置，包括激光器ld、路径选择模块、第一相位调制器pm1、第二相位调制器pm2、第一法拉第反射镜fm1、第二法拉第反射镜fm2、光开关os、第一分束器bs1以及第一偏振分束器pbs1，所述路径选择模块用于使从其第一端口入射的光脉冲只通过水平偏振分量到达第二端口输出，从第二端口入射的光脉冲经过起偏和45
°
旋转后从第三端口输出，从第三端口入射的光脉冲到达第四端口输出；所述激光器ld与路径选择模块的第一端口相连，所述路径选择模块的第二端口依次连接第一相位调制器pm1和第一法拉
第反射镜fm1，其中路径选择模块的第二端口与第一相位调制器pm1之间的保偏光纤进行45
°
熔接，所述路径选择模块的第三端口依次连接第二相位调制器pm2和第二法拉第反射镜fm2，所述路径选择模块的第四端口与光开关os的第一端口相连，所述光开关os的第二端口与第一分束器bs1的第一端口之间通过保偏光纤进行45
°
熔接后相连，所述光开关os的第三端口与第一分束器bs1的第二端口相连，所述第一分束器bs1的第三端口与第一偏振分束器pbs1的第一端口相连，所述第一偏振分束器pbs1的第二端口和第四端口直接通过保偏光纤相连，所述第一偏振分束器pbs1的第三端口输出编码态。
6.优选地，所述路径选择模块包括第二偏振分束器pbs2和第一环形器cir1，所述第二偏振分束器pbs2的第三端口与第一环形器cir1的第一端口通过保偏光纤进行45
°
熔接后相连，所述第二偏振分束器pbs2的第一端口和第二端口分别作为路径选择模块的第一端口和第二端口，所述第一环形器cir1的第二端口和第三端口分别作为路径选择模块的第三端口和第四端口。
7.优选地，所述路径选择模块包括第二分束器bs2、第一起偏器pol1和第二环形器cir2，所述第二分束器bs2的第二端口与第一起偏器pol1的输入端口相连，所述第一起偏器pol1的输入和输出偏振方向均与保偏光纤的慢轴对准，所述第二分束器bs2的第三端口与第二环形器cir2的第一端口通过保偏光纤进行45
°
熔接后相连，所述第二分束器bs2的第一端口作为路径选择模块的第一端口，所述第一起偏器pol1的输出端口作为路径选择模块的第二端口，所述第二环形器cir2第二端口和第三端口分别作为路径选择模块的第三端口和第四端口。
8.优选地，所述路径选择模块包括第三分束器bs3、第二起偏器pol2和第三环形器cir3，所述第三起偏器pol3的输入端口、输出端口分别与第三分束器bs3的第三端口、第三环形器cir3的第一端口相连，所述第三起偏器pol3的输入偏振方向与保偏光纤的慢轴对准、输出方向与保偏光纤慢轴夹角为45
°
，所述第三分束器bs3的第一端口和第二端口分别作为路径选择模块的第一端口和第二端口，所述第三环形器cir3第二端口和第三端口分作为路径选择模块的第三端口和第四端口。
9.优选地，所述路径选择模块包括第四环形器cir4和第三起偏器pol3，所述第四环形器cir4的第二端口与第三起偏器pol3的输入端口相连，所述第三起偏器pol3的输入偏振方向与保偏光纤的慢轴夹角为45
°
、输出方向与保偏光纤慢轴对准，所述第四环形器cir4的第一端口、第三端口和第四端口分别作为路径选择模块的第一端口、第三端口和第四端口，所述第三起偏器pol3的输出端口作为路径选择模块的第二端口。
10.优选地，所述编码装置内部的光纤均为保偏光纤。
11.优选地，所述保偏光纤进行45
°
熔接可以替换为半波片，所述半波片的慢轴与保偏光纤的慢轴夹角为22.5
°
。
12.优选地，所述光开关os和第一分束器bs1位置可以交换。
13.与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明的一种量子密钥分发编码装置，可切换编码方式实现时间相位编码和相位编码，具有较强的灵活性和场景适应性。并且无需使用强度调制器进行诱骗态和时间模式的制备，而是通过两次偏振态的稳定调制来实现强度调制和编码，降低了对相位调制器速率的要求，提高了信号态和诱骗态制备的稳定性以及编码态的稳定性。另外，编码装置产生
的两个时间模式损耗一致，偏振相互垂直，可消除非干涉分量来提高能量利用率，进而可以提高系统的安全成码率。
附图说明
14.图1为本发明一种量子密钥分发相位编码装置的原理框图；图2为第一实施例原理框图；图3为第二实施例原理框图；图4为第三实施例原理框图；图5为第四实施例原理框图。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
16.如图1所示，一种量子密钥分发编码装置，包括激光器ld、路径选择模块、第一相位调制器pm1、第二相位调制器pm2、第一法拉第反射镜fm1、第二法拉第反射镜fm2、光开关os、第一分束器bs1以及第一偏振分束器pbs1，所述路径选择模块用于使从其第一端口入射的光脉冲只通过水平偏振分量到达第二端口输出，从第二端口入射的光脉冲经过起偏和45
°
旋转后从第三端口输出，从第三端口入射的光脉冲到达第四端口输出；所述激光器ld与路径选择模块的第一端口相连，所述路径选择模块的第二端口依次连接第一相位调制器pm1和第一法拉第反射镜fm1，其中路径选择模块的第二端口与第一相位调制器pm1之间的保偏光纤进行45
°
熔接，所述路径选择模块的第三端口依次连接第二相位调制器pm2和第二法拉第反射镜fm2，所述路径选择模块的第四端口与光开关os的第一端口相连，所述光开关os的第二端口与第一分束器bs1的第一端口之间通过保偏光纤进行45
°
熔接后相连，所述光开关os的第三端口与第一分束器bs1的第二端口相连，所述第一分束器bs1的第三端口与第一偏振分束器pbs1的第一端口相连，所述第一偏振分束器pbs1的第二端口和第四端口直接通过保偏光纤相连，所述第一偏振分束器pbs1的第三端口输出编码态。
17.具体编码过程如下：所述激光器ld产生水平偏振的光脉冲p0，从路径选择模块的第一端口进入并从第二端口出射，经过45
°
偏振旋转后变为45
°
线偏振，其中水平偏振分量沿第一段保偏光纤pmf1的慢轴传播，竖直偏振分量沿第一段保偏光纤pmf1的快轴传播。然后进入第一相位调制器pm1，通过调制加载在其上的电压v1使得水平偏振和竖直偏振分量产生相位差为，这两个分量经过第二段保偏光纤pmf2后被第一法拉第反射镜fm1反射，偏振旋转了90
°
，再次经过第二端保偏光纤pmf2后到达第一相位调制器pm1时加载电压v2，对应水平偏振和竖直偏振分量的相位差为，然后再次经过第一段保偏光纤pmf1，根据琼斯矩阵可以得到光脉冲再次回到45
°
熔接点之前的偏振态为其中，为第一段（第二段）保偏光纤快慢轴之间的相位差，光脉冲从路径选择模块的第二端口出射时的偏振态为
保偏光纤、相位调制器、法拉第反射镜以及45
°
偏振旋转的琼斯矩阵分别为偏振旋转的琼斯矩阵分别为偏振旋转的琼斯矩阵分别为忽略全局相位因子，可以得到光脉冲的偏振态可写为，水平偏振分量h和竖直偏振分量v之间的相位差为。
18.光脉冲再次经过45
°
熔接点后进入路径选择模块的第二端口，经过起偏后的偏振态相应的光强为。
19.通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以控制相位差，从而调制光脉冲的强度来制备信号态和诱骗态。
20.经过调制光强后的信号态或诱骗态脉冲再次经过45
°
偏振旋转后从路径选择模块的第三端口出射，依次经过第二相位调制器pm2和第二法拉第反射镜fm2被反射后再次回到路径选择模块的第三端口，从第四端口出射后到达光开关os的第一端口，同样通过琼斯矩阵可以得到从路径选择模块第四端口出射的光脉冲偏振态为，水平偏振分量h和竖直偏振分量v之间的相位差为，和分别为光脉冲的水平偏振和竖直偏振分量在往返两次经过第二相位调制器pm2时的相位差。通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以实现。
21.当控制光开关切换为状态0时，光脉冲从其第二端口出射，此时编码装置可实现时间相位编码。光脉冲经过45
°
偏振旋转之后到达第一分束器bs1的第一端口，从其第三端口出射，偏振态变为，当时对应的4种偏振态分别为, , ,。在到达第一偏振分束器pbs1的第一端口时，光脉冲的水平偏振分量直接透射，从第三端口出射后沿保偏光纤慢轴传播，竖直偏振分量被反射到第二端口，沿长度为l的保偏光纤进入到第四端口后被反射到第三端口出射，沿保偏光纤快轴传播，时间滞后t=l/(n*c)，n为保偏光纤慢轴折射率，c为真空中的光速。因此，偏振态进入第一偏振分束器pbs1后输出的编码态为时
间模式，偏振态仍为竖直偏振；偏振态进入第一偏振分束器pbs1后输出的编码态为时间模式，偏振态仍为水平偏振；偏振态进入第一偏振分束器pbs1后输出的编码态为；偏振态进入第一偏振分束器pbs1后输出的编码态为。
22.当控制光开关切换为状态1时，光脉冲从其第三端口出射，此时编码装置可实现相位编码。光脉冲经过到达第一分束器bs1的第二端口，从其第三端口出射，偏振态变仍为，当时对应的4种偏振态分别为, , ,。因此，偏振态进入第一偏振分束器pbs1后输出的编码态为；偏振态进入第一偏振分束器pbs1后输出的编码态为；偏振态进入第一偏振分束器pbs1后输出的编码态为；偏振态进入第一偏振分束器pbs1后输出的编码态为。
23.如图2所示，本发明量子密钥分发编码装置实施例一：所述编码装置的结构为：所述路径选择模块包括第二偏振分束器pbs2和第一环形器cir1，所述第二偏振分束器pbs2的第三端口与第一环形器cir1的第一端口通过保偏光纤进行45
°
熔接后相连，所述第二偏振分束器pbs2的第一端口和第二端口分别作为路径选择模块的第一端口和第二端口，所述第一环形器cir1的第二端口和第三端口分别作为路径选择模块的第三端口和第四端口。
24.实施例一编码过程为：所述激光器ld产生水平偏振的光脉冲p0，从第二偏振分束器pbs2的第一端口进入从第二端口透射，依次经过45
°
偏振旋转、第一相位调制器pm1、第一法拉第反射镜fm1然后被反射再次经过第一相位调制器pm1、45
°
偏振旋转，进入第二偏振分束器pbs2的第二端口，然后竖直偏振分量被反射到第三端口，沿保偏光纤的慢轴传播，光脉冲的偏振态变为，光强为。通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以控制相位差，从而调制光脉冲的强度来制备信号态和诱骗态。
25.经过调制光强后的信号态或诱骗态脉冲经过45
°
偏振旋转后进入第一环形器cir1的第一端口从第二端口出射，依次经过第二相位调制器pm2和第二法拉第反射镜fm2被反射后再次回到第一环形器cir1的第二端口，从第三端口出射后到达光开关os的第一端口，此时光脉冲偏振态为，水平偏振分量h和竖直偏振分量v之间的相位差为，和分别为光脉冲的水平偏振和竖直偏振分量在往返两次经过
第二相位调制器pm2时的相位差。通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以实现。
26.当控制光开关切换为状态0时，光脉冲从其第二端口出射，此时编码装置可实现时间相位编码。当控制光开关切换为状态1时，光脉冲从其第三端口出射，此时编码装置可实现相位编码。
27.如图3所示，本发明量子密钥分发编码装置实施例二：所述编码装置的结构为：所述路径选择模块包括第二分束器bs2、第一起偏器pol1和第二环形器cir2，所述第二分束器bs2的第二端口与第一起偏器pol1的输入端口相连，所述第一起偏器pol1的输入和输出偏振方向均与保偏光纤的慢轴对准，所述第二分束器bs2的第三端口与第二环形器cir2的第一端口通过保偏光纤进行45
°
熔接后相连，所述第二分束器bs2的第一端口作为路径选择模块的第一端口，所述第一起偏器pol1的输出端口作为路径选择模块的第二端口，所述第二环形器cir2第二端口和第三端口分别作为路径选择模块的第三端口和第四端口。
28.实施例二编码过程为：所述激光器ld产生水平偏振的光脉冲p0，从第二分束器bs2的第一端口进入从第二端口透射，依次经过第一起偏器pol1、45
°
偏振旋转、第一相位调制器pm1、第一法拉第反射镜fm1然后被反射再次经过第一相位调制器pm1、45
°
偏振旋转、第一起偏器pol1，进入第二分束器bs2的第二端口，然后一半的分量被反射到第三端口，沿保偏光纤的慢轴传播，光脉冲的偏振态变为，光强为。通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以控制相位差，从而调制光脉冲的强度来制备信号态和诱骗态。
29.经过调制光强后的信号态或诱骗态脉冲经过45
°
偏振旋转后进入第二环形器cir2的第一端口从第二端口出射，依次经过第二相位调制器pm2和第二法拉第反射镜fm2被反射后再次回到第二环形器cir2的第二端口，从第三端口出射后到达光开关os的第一端口，此时光脉冲偏振态为，水平偏振分量h和竖直偏振分量v之间的相位差为，和分别为光脉冲的水平偏振和竖直偏振分量在往返两次经过第二相位调制器pm2时的相位差。通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以实现。
30.当控制光开关切换为状态0时，光脉冲从其第二端口出射，此时编码装置可实现时间相位编码。当控制光开关切换为状态1时，光脉冲从其第三端口出射，此时编码装置可实现相位编码。
31.如图4所示，本发明量子密钥分发编码装置实施例三：所述编码装置的结构为：所述路径选择模块包括第三分束器bs3、第二起偏器pol2和第三环形器cir3，所述第三起偏器pol3的输入端口、输出端口分别与第三分束器bs3的第三端口、第三环形器cir3的第一端口相连，所述第三起偏器pol3的输入偏振方向与保偏光纤的慢轴对准、输出方向与保偏光纤慢轴夹角为45
°
，所述第三分束器bs3的第一端口和第
二端口分别作为路径选择模块的第一端口和第二端口，所述第三环形器cir3第二端口和第三端口分作为路径选择模块的第三端口和第四端口。
32.实施例三编码过程为：所述激光器ld产生水平偏振的光脉冲p0，从第二分束器bs2的第一端口进入从第二端口透射，依次经过45
°
偏振旋转、第一相位调制器pm1、第一法拉第反射镜fm1然后被反射再次经过第一相位调制器pm1、45
°
偏振旋转，进入第二分束器bs2的第二端口，然后一半的分量被反射到第三端口，水平偏振分量通过第二起偏器pol2，偏振态为，光强为。通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以控制相位差，从而调制光脉冲的强度来制备信号态和诱骗态。
33.经过调制光强后的信号态或诱骗态脉冲从第二起偏器pol2的输出端口出射时，由于偏振方向与保偏光纤夹角为45
°
，因此偏振态旋转了45
°
，随后进入第三环形器cir3的第一端口从第二端口出射，依次经过第二相位调制器pm2和第二法拉第反射镜fm2被反射后再次回到第三环形器cir3的第二端口，从第三端口出射后到达光开关os的第一端口，此时光脉冲偏振态为，水平偏振分量h和竖直偏振分量v之间的相位差为，和分别为光脉冲的水平偏振和竖直偏振分量在往返两次经过第二相位调制器pm2时的相位差。通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以实现。
34.当控制光开关切换为状态0时，光脉冲从其第二端口出射，此时编码装置可实现时间相位编码。当控制光开关切换为状态1时，光脉冲从其第三端口出射，此时编码装置可实现相位编码。
35.如图5所示，本发明量子密钥分发编码装置实施例四：所述编码装置的结构为：所述路径选择模块包括第四环形器cir4和第三起偏器pol3，所述第四环形器cir4的第二端口与第三起偏器pol3的输入端口相连，所述第三起偏器pol3的输入偏振方向与保偏光纤的慢轴夹角为45
°
、输出方向与保偏光纤慢轴对准，所述第四环形器cir4的第一端口、第三端口和第四端口分别作为路径选择模块的第一端口、第三端口和第四端口，所述第三起偏器pol3的输出端口作为路径选择模块的第二端口。
36.实施例四编码过程为：所述激光器ld产生水平偏振的光脉冲p0，从第四环形器cir4的第一端口进入从第二端口出射，由于第四环形器cir4第二端口的保偏光纤慢轴与第三起偏器pol3的偏振方向夹角为45
°
，只有一半的光强透过第三起偏器pol3。光脉冲从第三起偏器pol3出射后沿保偏光纤慢轴传播，依次经过45
°
偏振旋转、第一相位调制器pm1、第一法拉第反射镜fm1然后被反射再次经过第一相位调制器pm1、45
°
偏振旋转，回到第三起偏器pol3，只有水平偏振分量通过，偏振态为，光强为。通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以控制相位差，从而调制光脉冲的强度来制备信号态和诱骗态。
37.经过调制光强后的信号态或诱骗态脉冲从第三起偏器pol3的输出端口出射时，由于偏振方向与保偏光纤夹角为45
°
，因此偏振态旋转了45
°
，随后进入第四环形器cir4的第二端口从第三端口出射，依次经过第二相位调制器pm2和第二法拉第反射镜fm2被反射后再次回到第四环形器cir4的第三端口，从第四端口出射后到达光开关os的第一端口，此时光脉冲偏振态为，水平偏振分量h和竖直偏振分量v之间的相位差为，和分别为光脉冲的水平偏振和竖直偏振分量在往返两次经过第二相位调制器pm2时的相位差。通过调节光脉冲两次经过第一相位调相器pm1时的电压v1和v2，可以实现。
38.当控制光开关切换为状态0时，光脉冲从其第二端口出射，此时编码装置可实现时间相位编码。当控制光开关切换为状态1时，光脉冲从其第三端口出射，此时编码装置可实现相位编码。
39.本发明还提供了一种量子密钥分发系统，其可以包括上述编码装置中的任何一个。
40.综合本发明实施例可知，本发明提出一种量子密钥分发编码装置，可切换编码方式实现时间相位编码和相位编码，具有较强的灵活性和场景适应性。并且无需使用强度调制器进行诱骗态和时间模式的制备，而是通过两次偏振态的稳定调制来实现强度调制和编码，降低了对相位调制器速率的要求，提高了信号态和诱骗态制备的稳定性以及编码态的稳定性。另外，编码装置产生的两个时间模式损耗一致，偏振相互垂直，可消除非干涉分量来提高能量利用率，进而可以提高系统的安全成码率。