一种量子密钥分发光子发射端制造技术

本发明专利技术实施例提供一种量子密钥分发光子发射端，属于量子技术领域。包括：光源芯片及空间光学结构；空间光学结构包括光学滤波片、光阑及准直凸透镜；光源芯片，用于发射出不同偏振态的光子；光阑及准直凸透镜，用于将不同偏振态的光子合为一束准直输出，并利用光学衍射极限原理消除不同偏振态的光子因产生位置不同而带来的附加信息；光学滤波片，用于消除光源芯片发射出的不同偏振态的光子在频谱上的差异。本发明专利技术实施例提供的量子密钥分发光子发射端，集成的光源芯片使得线偏振光源之间的间距很小，可以达到几十微米量级，从而相应的光阑，准直凸透镜和光学滤波片的尺寸都可以设计的非常小，进而使得光子发射端整体结构可实现微型化。

A Quantum Key Distribution Photon Emitter

【技术实现步骤摘要】
一种量子密钥分发光子发射端
本专利技术实施例涉及量子
，尤其涉及一种量子密钥分发光子发射端。
技术介绍
量子密钥分配基于单光子不可再分、海森堡不确定关系、测量塌缩原理和量子不可克隆原理，是一种可以从理论上证明信息论意义安全的密钥建立和分发的方式，是当代量子保密通信技术的基础。量子密钥分发使用单光子作为密钥产生和分发的媒介，在单光子上以偏振、相位等方式进行编码，通过量子密钥分发协议可以在量子密钥分发双方建立密钥。目前，量子密钥分发主要应用在增强长距离通信的安全性。采用光纤作为量子信道已可以实现几百公里的量子密钥分发，采用自由空间作为量子信道通过卫星技术已可以实现上千公里的量子密钥分发。另一方面，像手机这样的便携设备一般通过无线通信技术实现与其他设备的通信，无线通信信号辐射在空间易于被窃听。便携设备的通信同样具有迫切的安全保密需要。这里考虑一种便携设备通信应用的实际场景。便携设备与应用主机设备之间通过无线通信技术彼此通信。为了对无线通信内容进行保护，在通信前在便携设备和应用主机设备之间利用量子密钥分发技术建立安全的密钥。便携设备与应用主机设备之间采用偏振编码的BB84协议实现量子密钥分发功能，采用短距离自由空间作为量子信道。对于偏振编码的BB84协议的量子密钥分发技术，光子发射端一般采用四个不同偏振态的线偏振光源随机调制并合为一束，最后衰减到单光子水平实现。接收端则需要若干单光子探测器支持，以目前的技术尚不能小型化。目前用于长距离量子密钥分发的光子发射端体积大，成本高，难以直接用于便携设备。因此，需要探索新的量子密钥分发光子发射端实现技术，在实现量子密钥分发功能的同时，尽可能简化设计，实现便携设备应用。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的量子密钥分发光子发射端。根据本专利技术实施例的一方面，提供了一种量子密钥分发光子发射端，该量子密钥分发光子发射端包括：光源芯片及空间光学结构；空间光学结构包括光学滤波片、光阑及准直凸透镜；光源芯片，用于发射出不同偏振态的光子；光阑及准直凸透镜，用于将不同偏振态的光子合为一束准直输出，并利用光学衍射极限原理消除不同偏振态的光子因产生位置不同而带来的附加信息；光学滤波片，用于消除光源芯片发射出的不同偏振态的光子在频谱上的差异。本专利技术实施例提供的量子密钥分发光子发射端，通过光学滤波片消除不同偏振态光子的频谱差别，通过光阑和准直凸透镜结构消除不同偏振态光子产生位置不同带来的附加信息，集成的光源芯片使得线偏振光源之间的间距很小，可以达到几十微米量级，从而相应的光阑，准直凸透镜和光学滤波片的尺寸都可以设计的非常小，进而使得光子发射端整体结构可实现微型化。可选地，光源芯片包括：预设数量组线偏振光源；其中，每组线偏振光源均由线栅起偏器及制备在衬底上的发光二极管所组成，不同组的线偏振光源用于发射出不同偏振态的光子。可选地，发光二极管上方制备有金属层，且在金属层制备有线栅；其中，线栅用于作为发光二极管的电极，且作为线栅起偏器。可选地，发光二极管具有独立电极，且在发光二极管的上方生长有金属层；金属层上制备有线栅起偏器。可选地，预设数量为4，预设数量组线偏振光源发射出光子的线偏振方向分别沿水平方向、垂直方向、正45度方向及负45度方向。可选地，衬底由硅，砷化镓或磷化铟所制成。可选地，发光二极管为硅雪崩发光二极管，砷化镓发光二极管或磷化铟发光二极管。可选地，发光二极管上生长有透明绝缘层；透明绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅、透明光刻胶或透明树脂。可选地，金属层为铝，金或镉。可选地，光源芯片发射出的光子的波长包括可见光波段和/或近红外波段。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述是示例性和解释性的，并不能限制本专利技术实施例。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，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获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种量子密钥通信的应用场景示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种量子密钥分发光子发射端的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种空间光学结构的结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的一种光源芯片的结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的另一种光源芯片的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。量子密钥分配基于单光子不可再分、海森堡不确定关系、测量塌缩原理和量子不可克隆原理，是一种可以从理论上证明信息论意义安全的密钥建立和分发的方式，是当代量子保密通信技术的基础。量子密钥分发使用单光子作为密钥产生和分发的媒介，在单光子上以偏振、相位等方式进行编码，通过量子密钥分发协议可以在量子密钥分发双方建立密钥。目前，量子密钥分发主要应用在增强长距离通信的安全性。采用光纤作为量子信道已可以实现几百公里的量子密钥分发，采用自由空间作为量子信道通过卫星技术已可以实现上千公里的量子密钥分发。另一方面，像手机这样的便携设备一般通过无线通信技术实现与其他设备的通信，无线通信信号辐射在空间易于被窃听。便携设备的通信同样具有迫切的安全保密需要。这里考虑一种便携设备通信应用的实际场景。便携设备与应用主机设备之间通过无线通信技术彼此通信。为了对无线通信内容进行保护，在通信前在便携设备和应用主机设备之间利用量子密钥分发技术建立安全的密钥。便携设备与应用主机设备之间采用偏振编码的BB84协议实现量子密钥分发功能，采用短距离自由空间作为量子信道。对于偏振编码的BB84协议的量子密钥分发技术，光子发射端一般采用四个不同偏振态的线偏振光源随机调制并合为一束，最后衰减到单光子水平实现。接收端则需要若干单光子探测器支持，以目前的技术尚不能小型化。因此，在这一应用场景中将量子密钥分发的光子发射端置于便携设备内，接收端置于应用主机设备内。偏振编码BB84协议的量子密钥分发发射端的功能是产生受控的单光子波包序列，序列中每个单光子波包的偏振态可在4种预设偏振态(水平偏振“H”，垂直偏振“V”，正45°度线偏振“+”，负45°度线偏振“-”)中受控选择。不同偏振态的单光子波包在空间分布和频谱上不可区分。便携设备对实现上述功能的量子密钥分发发射端的体积和成本提出了非常高的要求。然而目前用于长距离量子密钥分发的光子发射端体积大，成本高，难以直接用于便携设备。因此，需要探索新的量子密钥分发光子发射端实现技术，在实现量子密钥分发功能的同时，尽可能简化设计，实现便携设备应用。如图1所示，图1为本专利技术实施例的应用场景示意图。便携设备11上具有本专利技术提出的偏振编码的BB84协议量子密钥分发光子发射端12。应用主机设备13上具有量子密钥分发光子接收端14。两者在进行无线通信前，首先利用短距离自由空间信道15进行量子密钥分发建立密钥。而后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子密钥分发光子发射端，其特征在于，包括：光源芯片及空间光学结构；所述空间光学结构包括光学滤波片、光阑及准直凸透镜；所述光源芯片，用于发射出不同偏振态的光子；所述光阑及所述准直凸透镜，用于将不同偏振态的光子合为一束准直输出，并利用光学衍射极限原理消除不同偏振态的光子因产生位置不同而带来的附加信息；所述光学滤波片，用于消除所述光源芯片发射出的不同偏振态的光子在频谱上的差异。

【技术特征摘要】
1.一种量子密钥分发光子发射端，其特征在于，包括：光源芯片及空间光学结构；所述空间光学结构包括光学滤波片、光阑及准直凸透镜；所述光源芯片，用于发射出不同偏振态的光子；所述光阑及所述准直凸透镜，用于将不同偏振态的光子合为一束准直输出，并利用光学衍射极限原理消除不同偏振态的光子因产生位置不同而带来的附加信息；所述光学滤波片，用于消除所述光源芯片发射出的不同偏振态的光子在频谱上的差异。2.根据权利要求1所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述光源芯片包括：预设数量组线偏振光源；其中，每组线偏振光源均由线栅起偏器及制备在衬底上的发光二极管所组成，不同组的线偏振光源用于发射出不同偏振态的光子。3.根据权利要求2所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述发光二极管上方制备有金属层，且在所述金属层制备有线栅；其中，所述线栅用于作为所述发光二极管的电极，且作为所述线栅起偏器。4.根据权利要求2所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述发光二极管具有独立电极，且在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张巍，黄卫绍，黄翊东，冯雪，刘仿，崔开宇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11