基于自发辐射光源的量子密钥分发光源制造技术

本公开提供了一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，脉冲发生器用于驱动第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器；自发辐射光源用于输出连续的直流光信号；偏振分束器用于产生线偏振的直流光信号；滤波器用于对线偏振的直流光信号进行光谱滤波；第一强度调制器用于对滤波器输出的光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号；第二强度调制器用于对第一强度调制器产生的窄的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；偏振调制器用于对第二强度调制器输出的光信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、‑、L、R偏振态；衰减器用于对偏振调制器输出的光信号进行能量的衰减并输出。

Quantum Key Distribution Light Source Based on Spontaneous Emission Light Source

The present disclosure provides a quantum key distribution light source based on spontaneous emission light source. The pulse generator is used to drive the first intensity modulator, the second intensity modulator and the polarization modulator; the spontaneous emission light source is used to output continuous direct current light signals; the polarization beam splitter is used to generate linearly polarized direct current light signals; and the filter is used to spectral filter linearly polarized direct current light signals. The first intensity modulator is used to modulate the optical signal output by the filter to produce narrow optical pulse signal; the second intensity modulator is used to modulate the narrow optical pulse signal generated by the first intensity modulator to generate the signal state, decoy state and vacuum state required for quantum key distribution; and the polarization modulator is used to modulate the optical signal output by the second intensity modulator. The polarization states of +,, L and R required for quantum key distribution are generated, and the attenuator is used to attenuate and output the energy of the optical signal output by the polarization modulator.

【技术实现步骤摘要】
基于自发辐射光源的量子密钥分发光源
本公开涉及量子通信领域，特别涉及一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源。
技术介绍
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(QuantumKeyDistribution，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。通过发射多颗量子卫星，组建覆盖全球的量子星座，再结果地面城际和城域的量子光纤网络，可以构建出天地一体化的量子保密通信网络，服务于国家政务、军事、金融等领域的重大战略需求。BB84协议是Bennett等人于1984提出的第一个QKD协议，也是迄今为止使用最广泛的QKD之一。由于理想单光子源目前在技术实现上尚不成熟，通过采用基于弱相干激光源进行替代，再结合诱骗态理论，是目前比较常见的QKD光源解决方案。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，对应的就需要采用偏振态的QKD光源，来实现对两个正交基矢的四种偏振态和诱骗态理论的三种强度态的随机调制。QKD光源将信息编码在光子的偏振态和强度态上，但是也需要保证在光谱、时间、空间、相位等侧信道的一致性，以避免窃听者通过测量侧信道信息对通信系统的安全性构成威胁。目前，QKD光源主要采用激光器产生的弱相干激光作为初始的光信号，它的主要优点之一是调制带宽高、相干性好、能量集中、脉冲宽度窄，非常适合QKD光源的需求。但是弱相干激光也存在一定的缺点，激光器发光的原理是受激辐射产生的相干光，由于激光器腔体内部的光子和载流子具有一定的寿命，在高重复频率下没有完全耗散，前一个脉冲激发后会对后一个脉冲产生影响，导致前后的激光脉冲之间存在一定的相位关联性。特别是在系统重复频率逐渐提高时，这种关联性就逐渐凸显出来，这会对QKD的安全性构成威胁。针对基于激光器的QKD弱相干光源前后脉冲的相位关联性，目前可以通过频率转换、主动相位外调制等两种方法来实现相位随机化。但是频率转换方法需要使用泵浦光和非线性晶体对量子光进行频率转换，系统结构复杂、体积大且技术实现难度高，主动相位外调制方法由于需要实现连续多个相位态的高速外调制，多个相位调制器的使用使系统集成度下降且成本显著增加。这两种解决方法都极大地增加了QKD系统的复杂度和实现难度，难以满足量子通信系统集成化和实用化的需求。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决以上问题，本公开提出了一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，量子密钥分发光源系统结构简单、成本更低、易于实现和工业集成。与激光器不同，自发辐射光源的发光原理是基于自发辐射，其产生的光信号从原理上就是相位随机的，本公开有效地解决了传统基于激光器的QKD光源的相位关联性问题，避免了相位侧信道信息泄露对通信系统造成的安全隐患。(二)技术方案本公开提供了一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，包括：脉冲发生器、自发辐射光源、偏振分束器、滤波器、第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器和衰减器，其中：脉冲发生器用于驱动第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器；自发辐射光源用于输出连续的直流光信号；偏振分束器用于对所述连续的直流光信号进行偏振选择，以产生线偏振的直流光信号；滤波器用于对所述线偏振的直流光信号进行光谱滤波；第一强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对所述滤波器输出的光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号；第二强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第一强度调制器产生的窄的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；偏振调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第二强度调制器输出的光信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、-、L、R偏振态；衰减器用于对偏振调制器输出的光信号进行能量的衰减并输出。在本公开的一些实施例中，自发辐射光源使用单模光纤与偏振分束器相连；偏振分束器使用保偏光纤与滤波器相连；滤波器使用保偏光纤与第一强度调制器相连；第一强度调制器使用保偏光纤与第二强度调制器相连；第二强度调制器使用保偏光纤与偏振调制器相连；偏振调制器使用单模光纤与衰减器相连；衰减器使用单模光纤输出；脉冲发生器分别使用射频电缆与第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器相连。在本公开的一些实施例中，自发辐射光源可以采用发光二极管或汞灯，发光二极管的工作波长可以为1550nm。在本公开的一些实施例中，偏振分束器可以采用光纤偏振分束器，其输入端口为单模光纤端口，输出端口为保偏光纤端口。在本公开的一些实施例中，滤波器可以采用波分复用器，滤波线宽可以为0.8纳米。在本公开的一些实施例中，第一强度调制器和第二强度调制器可以选用基于铌酸锂晶体的强度调制器，带宽在10GHz以上。在本公开的一些实施例中，偏振控制器可以选用基于铌酸锂晶体或砷化镓材料的偏振调制器，带宽在10GHz以上。在本公开的一些实施例中，衰减器可以选用电光可变衰减器，衰减后的光信号平均每脉冲光子数在0.1-1之间。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开至少具有以下有益效果：(1)本公开基于自发辐射光源自发辐射的相位随机性，可以从根本上实现自发辐射光源发出光信号的相位随机性，确保了光源产生的前后光脉冲之间的相位随机。(2)本公开通过采用基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，有效解决了传统基于激光器的量子密钥分发光源的相位关联性问题，避免了相位侧信道信息泄露对通信系统造成的安全隐患。(3)本公开与传统的频率转换或者主动相位外调制的方案相比，结构简单、成本更低、易于实现和工业集成。附图说明图1为依照本公开一实施例的基于发光二极管的量子密钥分发光源结构示意图；图2为本公开一实施例的量子密钥分发光源各个阶段光信号的示意图。具体实施方式为进一步详细介绍本公开的目的、技术方案和优点，以下结合具体实施实例，对本公开进一步详细说明。参见图1，本公开一实施例提供了一种基于发光二极管的量子密钥分发光源：包括脉冲发生器、发光二极管、偏振分束器、滤波器、强度调制器1、强度调制器2、偏振调制器和衰减器。具体地，发光二极管使用单模光纤与偏振分束器相连；偏振分束器使用保偏光纤与滤波器相连；滤波器使用保偏光纤与强度调制器1相连；强度调制器1使用保偏光纤与强度调制器2相连；强度调制器2使用保偏光纤与偏振调制器相连；偏振调制器使用单模光纤与衰减器相连；衰减器使用单模光纤输出。脉冲发生器分别使用射频电缆与强度调制器1、强度调制器2、偏振调制器相连。在本实施例中，发光二极管用于产生直流光信号。优选地，发光二极管的工作波长可以为1550nm，是经典光纤信道中的典型工作波长。偏振分束器用于对发光二极管发出的直流光信号进行偏振选择，以产生线偏振的直流光信号。优选地，偏振分束器可以采用光纤偏振分束器，其输入端口为单模光纤端口，输出端口为保偏光纤端口。滤波器用于对偏振分束器输出的线偏振的直流光信号进行光谱滤波。由于发光二极管本身的光谱线宽较宽，一般在几十纳米量级，需要进行适当的窄带滤波，以减少光源的线宽，降低量子密钥分发系统的背景噪声。优选地，滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，包括：脉冲发生器、自发辐射光源、偏振分束器、滤波器、第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器和衰减器，其中：脉冲发生器用于驱动第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器；自发辐射光源用于输出连续的直流光信号；偏振分束器用于对所述连续的直流光信号进行偏振选择，以产生线偏振的直流光信号；滤波器用于对所述线偏振的直流光信号进行光谱滤波；第一强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对所述滤波器输出的光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号；第二强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第一强度调制器产生的窄的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；偏振调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第二强度调制器输出的光信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、‑、L、R偏振态；衰减器用于对偏振调制器输出的光信号进行能量的衰减并输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，包括：脉冲发生器、自发辐射光源、偏振分束器、滤波器、第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器和衰减器，其中：脉冲发生器用于驱动第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器；自发辐射光源用于输出连续的直流光信号；偏振分束器用于对所述连续的直流光信号进行偏振选择，以产生线偏振的直流光信号；滤波器用于对所述线偏振的直流光信号进行光谱滤波；第一强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对所述滤波器输出的光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号；第二强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第一强度调制器产生的窄的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；偏振调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第二强度调制器输出的光信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、-、L、R偏振态；衰减器用于对偏振调制器输出的光信号进行能量的衰减并输出。2.如权利要求1所述的量子密钥分发光源，自发辐射光源使用单模光纤与偏振分束器相连；偏振分束器使用保偏光纤与滤波器相连；滤波器使用保偏光纤与第一强度调制器相...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杨，廖胜凯，谢虹波，印娟，任继刚，曹蕾，彭承志，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34