一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统技术方案

一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，将偏振编码器和偏振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上，利用相位调制器和两维光栅耦合器为基本器件，实现了QKD系统的偏振编/解码，具有系统简单，编/解码速度高、可靠性高等优点，在发射端发射端，需要1个单光子源，相对于传统的偏振编码QKD系统的4或8个单光子源，大大降低了成本和系统复杂度；在接收端相对于传统的偏振编码QKD系统，利用了2个单光子探测器代替4个单光子探测器实现了信号的接收，降低了系统的成本和复杂度。另外，本实用新型专利技术还提供了基于硅基集成芯片的偏振编码的编码方法，在编/解码速率上具有极大的优势，可实现超过10GHz偏振编码QKD系统。

A polarization coding QKD system based on silicon integrated chip

A polarization coded QKD system based on silicon-based integrated chip is proposed. The polarization encoder and decoder are designed and integrated on the same silicon-based photonic chip by using silicon-based optical waveguide devices. The polarization coder/decoder of the QKD system is realized by using phase modulator and two-dimensional grating coupler as basic devices. A single photon source is needed at the transmitter, which greatly reduces the cost and system complexity compared with four or eight single photon sources in the traditional polarization coded QKD system, and two single photon detectors are used at the receiver to replace four single photons in the traditional polarization coded QKD system. The sub detector realizes signal reception and reduces the cost and complexity of the system. In addition, the utility model provides a polarization coding method based on a silicon-based integrated chip, which has a great advantage in coding/decoding speed and can realize a QKD system with polarization coding over 10 GHz.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统
本技术涉及光传输安全通信
，特别涉及一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统。
技术介绍
量子信息技术起源于上世纪80年代，主要分为量子通信和量子计算两大研究方向。随着科学技术的不断进步，基于经典信息的加密技术由于其底层基本原理的局限性，存在着固有的安全隐患。量子保密通信因为量子力学的基本定律，具有物理上的无条件的安全性。因此，量子密钥分发技术(QuantumKeyDistribution，QKD)的应用越来越广泛。QKD系统常用的编码方式主要有偏振编码和相位编码。基于光的偏振特性的量子密钥分配系统(QKD)是当前很常用且在不断改进创新的量子密码系统。BB84协议常用的偏振编码的4种偏振态为其中，直角基矢|H/V〉下的两个态相互正交，斜对角基矢|+/-〉下的两个态也相互正交，而两个基矢之间的量子态不正交。一种经典的偏振调制QKD系统的具体物理实现如图1所示。系统包括发送端Alice、接收端Bob及两者之间的光纤信道，由单光子源、偏振控制器、偏振分束器、3dB耦合器、单光子探测器组成。在发送端，BB84协议所需的2组基矢4个偏振态中每个态都使用独立的一个单光子源通过偏振控制器生成，并经过偏振分束器、3dB耦合器等耦合到同一路光纤中，之后通过量子信道传输到接收端。接收端通过分束器分成两路，每一路通过一个偏振控制器将测量基矢调节为|H/V〉基矢和|+/-〉基矢，再经过偏振分束器进行偏振分析，之后在单光子探测器上进行探测。这种基于光的偏振特性的QKD系统由传统分立的光学元器件搭建而成，系统复杂，其发送端Alice需要4个或8个单光子源，其接收端Bob需要4个单光子探测器。单光子源和单光子探测器是QKD系统中成本较高的部分，因此基于偏振编码的QKD系统具有体积大、成本高、系统稳定性不足等缺点。
技术实现思路
本技术目的在于提供一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，以解决现有技术中偏振编码的QKD系统因单光子源和单光子探测器应用数量较多导致的体积大、成本高、系统稳定性不足的技术性缺陷。本技术的技术方案是这样实现的：一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发射编码端以及接收解码端，所述发射编码端包括依次连接的单光子源、编码-偏振控制器和偏振编码器，所述接收解码端包括解码-偏振控制器、接收端-两维光栅耦合器、偏振解码器以及两路单光子探测器，所述偏振编码器包括相连接的编码-前端干涉环与编码-后端编码环，所述编码-前端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有第一相位调制器，所述编码-后端编码环的上、下两臂中分别设有第二相位调制器、第三相位调制器，所述编码-后端编码环的输出端连接发射端-两维光栅耦合器，所述发射端-两维光栅耦合器通过光纤信道连接解码-偏振控制器，所述解码-偏振控制器与接收端-两维光栅耦合器连接，所述偏振解码器包括相连接的解码-前端解码环与解码-后端干涉环，所述解码-前端解码环的上、下两臂中分别设有第四相位调制器、第五相位调制器，所述解码-后端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有第六相位调制器，所述接收端-两维光栅耦合器连接解码-前端解码环，所述解码-后端干涉环的上、下两臂分别连接有一路单光子探测器，所述偏振编码器和偏振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上。优选地，所述编码-前端干涉环的上、下两臂中均设置有相位调制器，所述解码-后端干涉环的上、下两臂均设置有相位调制器。本技术还提供了一种基于硅基集成芯片的偏振编码的编码方法，包括以下步骤：发送端编码1)所述编码-偏振控制器将单光子源的单光子脉冲转化为所需的偏振态；2)所述偏振编码器，对不同偏振态的单光子脉冲进行偏振编码：采用编码-前端干涉环及其内部的第一相位调制器，实现对光的路径和比例分配；3)采用编码-后端编码环及其内部的第二相位调制器、第三相位调制器，实现上、下两路光的相位调制，调制出4种偏振态的偏振编码；4)通过两维光栅耦合器，将不同偏振编码的4种偏振态耦合到同一路光纤信道中传输至接收解码端；接收端解码1)所述的解码-偏振控制器补偿光纤信道中信号光偏振方向的偏转；2)接收端-两维光栅耦合器，将光纤信道中的不同偏振编码的4种偏振态耦合到接收端波导中，第六相位调制器实现对光的路径和比例分配；第四相位调制器和第五相位调制器，实现上、下两路光的相位调制，解调出4种偏振态的光信号；3)两路单光子探测器对偏振解码器解调后的信号进行探测。与现有技术相比，本技术有以下有益效果：1、本技术的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，将偏振编码器和偏振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上，系统具有成本低、体积小、集成度高、稳定性好等优点，另外，利用相位调制器和两维光栅耦合器为基本器件，实现了QKD系统的偏振编/解码，具有系统简单，编/解码速度高、可靠性高等优点；2、本技术的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其偏振编/解码器结构基本相同，器件可以通用，减少了设计制作成本和维护成本；3、本技术的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其发射端Alice，只需要1个单光子源，相对于传统的偏振编码QKD系统的4或8个单光子源，大大降低了成本和系统复杂度；4、本技术的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其接收端Bob相对于传统的偏振编码QKD系统，利用了2个单光子探测器代替4个单光子探测器实现了信号的接收，降低了系统的成本和复杂度；5、本技术的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，在编/解码速率上具有极大的优势，可实现超过10GHz偏振编码QKD系统。附图说明图1为本技术基于真空态不触发的量子密钥分配系统的原理框图；图2为本技术波导干涉环的原理框图；图3为本技术偏振编码器的原理框图；图4为本技术偏振解码器的原理框图。图中：发射编码端100，单光子源110，编码-偏振控制器120，偏振编码器130，编码-前端干涉环131，第一相位调制器1311，编码-后端编码环132，第二相位调制器1321，第三相位调制器1322，发射端-两维光栅耦合器140，接收解码端200，解码-偏振控制器210，接收端-两维光栅耦合器220，偏振解码器230，解码-前端解码环231，第四相位调制器2311，第五相位调制器2312，解码-后端干涉环232，第六相位调制器2321，两路单光子探测器240。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术进行清楚、完整地描述。如图2所示，一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发射编码端100以及接收解码端200，所述发射编码端100包括依次连接的单光子源110、编码-偏振控制器120和偏振编码器130，所述接收解码端200包括解码-偏振控制器210、接收端-两维光栅耦合器220、偏振解码器230以及两路单光子探测器240，所述偏振编码器130包括相连接的编码-前端干涉环131与编码-后端编码环132，所述编码-前端干涉环131的上、下两臂中任意一臂设有第一相位调制器1311，所述编码-后端编码环132的上、下两臂中分别设有第二相位调制器1321、第三相位调制器1322，所述编码-后端编码环132本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发射编码端以及接收解码端，所述发射编码端包括依次连接的单光子源、编码‑偏振控制器和偏振编码器，所述接收解码端包括解码‑偏振控制器、接收端‑两维光栅耦合器、偏振解码器以及两路单光子探测器，其特征在于，所述偏振编码器包括相连接的编码‑前端干涉环与编码‑后端编码环，所述编码‑前端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有第一相位调制器，所述编码‑后端编码环的上、下两臂中分别设有第二相位调制器、第三相位调制器，所述编码‑后端编码环的输出端连接发射端‑两维光栅耦合器，所述发射端‑两维光栅耦合器通过光纤信道连接解码‑偏振控制器，所述解码‑偏振控制器与接收端‑两维光栅耦合器连接，所述偏振解码器包括相连接的解码‑前端解码环与解码‑后端干涉环，所述解码‑前端解码环的上、下两臂中分别设有第四相位调制器、第五相位调制器，所述解码‑后端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有第六相位调制器，所述接收端‑两维光栅耦合器连接解码‑前端解码环，所述解码‑后端干涉环的上、下两臂分别连接有一路单光子探测器，所述偏振编码器和偏振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发射编码端以及接收解码端，所述发射编码端包括依次连接的单光子源、编码-偏振控制器和偏振编码器，所述接收解码端包括解码-偏振控制器、接收端-两维光栅耦合器、偏振解码器以及两路单光子探测器，其特征在于，所述偏振编码器包括相连接的编码-前端干涉环与编码-后端编码环，所述编码-前端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有第一相位调制器，所述编码-后端编码环的上、下两臂中分别设有第二相位调制器、第三相位调制器，所述编码-后端编码环的输出端连接发射端-两维光栅耦合器，所述发射端-两维光栅耦合器通过光纤信道连接解码-偏振控制器，所述解码-偏振控制器与接...

【专利技术属性】
技术研发人员：付云飞，黄蕾蕾，赵义博，
申请(专利权)人：浙江九州量子信息技术股份有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江,33