强度调制装置和方法及其在量子密钥分发系统中的应用制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种自稳定的强度调制装置及方法，以及它在量子密钥分发系统中的应用。该强度调制装置可以包括分束器和相位调制器，其中分束器的反射和透射输出端通过保偏光纤连接形成双向环光路，为分束器分出的两个分量提供完全一致的光路，以在两个分量上形成与外部环境无关的调制相位差，并利用两个分量的干涉结果作为强度调制输出，从而提供改善的对比度、稳定性和调制范围。

Intensity modulation device and method and its application in quantum key distribution system

The invention provides a self-stable intensity modulation device and method, and its application in quantum key distribution system. The intensity modulation device may include a beam splitter and a phase modulator in which the reflected and transmitted output terminals of the beam splitter are connected through a polarization-maintaining fiber to form a bidirectional loop, providing a completely consistent optical path for the two components of the beam splitter, forming a modulation phase difference independent of the external environment on the two components, and utilizing the two components. The interference results of each component are used as intensity modulation outputs to provide improved contrast, stability and modulation range.

【技术实现步骤摘要】
强度调制装置和方法及其在量子密钥分发系统中的应用
本专利技术涉及光学强度调制
，更具体地涉及用于诸如量子密钥分发系统的光学强度调制装置和方法，以及利用其进行诱骗态编码的方法和生成脉冲的方法。
技术介绍
量子通信作为国际通信领域的新兴方向和研究热点之一，近年研究进展较快，实用范围较广，相对于传统的通信领域，有了质的提高。而量子通信的关键点之一，就是量子秘钥分发。量子秘钥分发利用量子力学的基本原理，将随机数比特序列用光子承载，通过传统信道建立起一套量子秘钥，由此实现量子秘钥分发。由于量子不可复制等量子力学特性，量子密钥分发在原理上是绝对保密的，无法被窃听。因此，量子密钥分发相对于传统通信，有着无可比拟的优势。在量子密钥分发系统中，信号光在由激光器产生之后，需要通过强度调制，来适配整个系统对光强度的要求。这就需要有相应的光强度调制的方案和装置,来提供对光信号强度的调制。现有的诸多强度调制方案中，最常用、也是实用范围最广的方案就是基于等臂干涉仪的强度调制方案。图1示意性地给出了基于等臂干涉仪的强度调制器的等效光路。如图1所示，这种强度调制器包括一个等臂干涉仪及偏振分束器，其中在等臂干涉仪的一个臂上设有相位调制器。在干涉仪的入口处，入射信号光由分束器分成两束光，分别沿着等臂干涉仪的两臂传输，其中一臂上的相位调制器对该路的光加上附加的相位。由于臂长相同，两路光在干涉仪的出口处同时汇合并且发生干涉，其相位差(相位调制器附加)决定了这两路光的干涉强度，从而达到强度调制的效果。然而现有的这种方案，由于引入了等臂干涉仪，使得干涉仪的两臂臂长必须严格一致，以此来保证干涉的效果。但是在实际应用过程中，干涉仪的两臂臂长很难确保严格一致，所以导致干涉对比度不佳，产生的效果就是调制的对比度不高，也即调制最大光强和最小光强的比例不高，一般商用强度调制器的对比度典型值为100:1。除此之外，干涉时两臂的相位差也不能保持长期的稳定性,例如干涉仪两臂的长度容易受到温度等外界环境的影响而发生变化，这种变换将会在最后复合的信号上引入一个不希望且未知的相位差Δθ，从而造成强度调制结果产生漂移，为此通常还需要额外增加相应的强度反馈装置来弥补这种未知的变化。这就使在实际中该方案的强度调制效果不佳，稳定性不好，结构复杂，且成本较高，不利于大规模集成化的推广与应用。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺陷，本专利技术提出了一种基于萨格纳克效应的强度调制方法和装置。在本专利技术中，利用萨格纳克双向环结构为用于干涉的两个光分量提供了完全一致的光路，解决了现有技术中两个光路难以保持稳定一致的问题；同时，通过对两个光分量进行不同的相位调制以在两者之间形成调制相位差，从而产生不同的干涉结果，实现对输出光强的控制。根据本专利技术的一个方面，公开了一种无需额外相位反馈、可自行消除外部干扰而自行保持稳定的强度调制装置。该强度调制装置可以包括保偏的分束器和保偏的相位调制器。保偏的分束器可以包括第一端口至第四端口，第二端口和第三端口之间可以通过保偏光纤连接以形成一个双向环光路。其中，当第一端口为输入端时，第二和第三端口可以分别为反射和透射输出端；当第二端口为输入端时，第一和第四端口可以分别为反射和透射输出端。保偏的分束器可以被配置成在第一端口处接收待调制的光，并将待调制的光分成第一分量和第二分量。其中，第一分量和第二分量可以分别在分束器的第二和第三端口输出进入双向环光路。保偏的相位调制器可以被设置在双向环光路中，且被配置成对第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成一个调制相位差Δθ。保偏的分束器可以进一步被配置成使经相位调制的第一分量和第二分量汇合，并在分束器的第一端口和/或第四端口处输出干涉光，从而提供经强度调制的输出光。进一步地，本专利技术的强度调制装置还可以包括光学传输单元。该光学传输单元可以包括第一至第三端口，其中，从第一端口输入的光可以由第二端口输出，从第二端口输入的光可以由第三端口输出。光学传输单元可以被配置成：第一端口用于接收待调制的光，并且第二端口通过单模光纤连接分束器的第一端口。光学传输单元的第三端口可以被用于输出经强度调制的光。优选地，分束器可以为50:50的分束器。优选地，光学传输单元可以为环形器或者分束器。本专利技术的另一方面公开了一种自稳定的强度调制方法，其可以用于本专利技术所公开的强度调制装置，尤其是前面描述的强度调制装置。该强度调制方法可以包括以下步骤。首先，将待调制的光分成两个分量，并使两个分量在同一双向环光路中沿相反方向传播。其次，在双向环光路上对两个分量中的一个或两个进行相位调制，以在两个分量上形成一个调制相位差Δθ。接着，使具有该调制相位差Δθ的两个分量汇合并产生两路干涉光。其中，两个分量可以是绕环传播一圈后发生汇合。以及最后，选择两路干涉光中的一路或两路作为强度调制结果输出。进一步地，双向环光路可以包括保偏光纤。优选地，两个分量可以具有相同的振幅。借助本专利技术的强度调制装置和方法，可以借助非常简单的光路结构为入射光提供与环境无关的强度调制，且整个调制过程不涉及偏振态的调制，极大降低了对光路设计要求，改善了强度调制过程的长时间稳定性，其尤其适合对强度调制稳定性和对比度要求高的量子通信领域中的应用场合。在本专利技术的又一方面，还公开了一种利用本专利技术的强度调制装置对时间相位编码系统进行诱骗态编码的方法。在时间相位编码系统中，时间相位编码信号中可以包括时间基矢和相位基矢。在一个系统时钟周期内，时间基矢可以包括一个位于第一时间位置或第二时间位置上的光脉冲；相位基矢可以包括分别处于第一时间位置和第二时间位置上的两个光脉冲。在本专利技术中，第一时间位置在时间上早于第二时间位置。在本专利技术的诱骗态编码方法中，可以使时间相位编码信号中的光脉冲经分束器被分成第一分量和第二分量，且第一、第二分量沿相反方向进入双向环光路并传播。然后，利用相位调制器对第一分量和第二分量中的一个或两个进行相位调制，以调制输出光脉冲的强度，从而提供时间基矢和相位基矢的信号态和诱骗态。在根据本专利技术的诱骗态编码方法的第一方面，所述相位调制可以被设置成，在一个驱动信号的作用下，相位调制器仅对一个分量进行相位调制。或者说，所述相位调制可以被设置成相位调制器对各个分量进行的相位调制是由彼此独立的驱动信号驱动的。在根据本专利技术的诱骗态编码方法的第二方面，所述相位调制可以被设置成，在一个系统时钟周期内，相位调制器在第一驱动信号下同时对该系统时钟周期内第一时间位置的光脉冲的第二分量和与该系统时钟周期相邻的上一系统时钟周期内第二时间位置的光脉冲的第一分量进行相位调制；以及，在第二驱动信号下同时对该系统时钟周期内第二时间位置的光脉冲的第二分量和该系统时钟周期内第一时间位置的光脉冲的第一分量进行相位调制。在根据本专利技术的诱骗态编码方法的第三方面，所述相位调制可以被设置成，在一个系统时钟周期内，相位调制器在第一驱动信号下同时对该系统时钟周期内第一和第二时间位置的光脉冲的第二分量和与该系统时钟周期相邻的上一系统时钟周期内第一和二时间位置的光脉冲的第一分量进行相位调制。本专利技术的再一方面还公开了一种利用本专利技术的强度调制装置生成光脉冲的方法，其可以包括以下步骤。使连续光经分束器分成第一分量和第二分量，其中第一分量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自稳定的强度调制装置，其包括保偏的分束器（1）和保偏的相位调制器（2）；所述保偏的分束器（1）包括第一端口（1A）、第二端口（1B）、第三端口（1C）和第四端口（1D），所述第二端口（1B）和所述第三端口（1C）之间通过保偏光纤连接以形成双向环光路；其中，当所述第一端口（1A）为输入端时，所述第二端口（1B）为反射输出端，所述第三端口（1C）为透射输出端；当所述第二端口（1B）为输入端时，所述第一端口（1A）为反射输出端，所述第四端口（1D）为透射输出端；所述保偏的分束器（1）被配置成在所述第一端口（1A）接收待调制的光，并将所述待调制的光分成第一分量和第二分量，所述第一分量和所述第二分量分别在所述分束器的所述第二端口（1B）和所述第三端口（1C）输出进入所述双向环光路；所述相位调制器（2）被设置在所述双向环光路中，且被配置成对所述第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成调制相位差∆θ；所述保偏的分束器（1）进一步被配置成使经相位调制的所述第一分量和所述第二分量汇合并输出干涉光，以提供经强度调制的输出光。

【技术特征摘要】
1.一种自稳定的强度调制装置，其包括保偏的分束器（1）和保偏的相位调制器（2）；所述保偏的分束器（1）包括第一端口（1A）、第二端口（1B）、第三端口（1C）和第四端口（1D），所述第二端口（1B）和所述第三端口（1C）之间通过保偏光纤连接以形成双向环光路；其中，当所述第一端口（1A）为输入端时，所述第二端口（1B）为反射输出端，所述第三端口（1C）为透射输出端；当所述第二端口（1B）为输入端时，所述第一端口（1A）为反射输出端，所述第四端口（1D）为透射输出端；所述保偏的分束器（1）被配置成在所述第一端口（1A）接收待调制的光，并将所述待调制的光分成第一分量和第二分量，所述第一分量和所述第二分量分别在所述分束器的所述第二端口（1B）和所述第三端口（1C）输出进入所述双向环光路；所述相位调制器（2）被设置在所述双向环光路中，且被配置成对所述第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成调制相位差∆θ；所述保偏的分束器（1）进一步被配置成使经相位调制的所述第一分量和所述第二分量汇合并输出干涉光，以提供经强度调制的输出光。2.如权利要求1所述的强度调制装置，其进一步包括光学传输单元（3），所述光学传输单元（3）包括第一端口（3A）、第二端口（3B）和第三端口（3C），其中，从所述第一端口（3A）输入的光由所述第二端口（3B）输出，从所述第二端口（3B）输入的光由所述第三端口（3C）输出；并且所述光学传输单元（3）被配置成：所述第一端口（3A）接收所述待调制的光；以及所述第二端口（3B）通过单模光纤连接所述分束器（1）的所述第一端口（1A）。3.如权利要求1所述的强度调制装置，其中，所述分束器（1）为50:50的分束器。4.一种自稳定的强度调制方法，其包括以下步骤：将待调制的光分成两个分量，并使所述两个分量在同一双向环光路中沿相反方向传播；在所述双向环光路上对所述两个分量中的一个或两个进行相位调制，以在所述两个分量上形成调制相位差∆θ；使具有所述调制相位差∆θ的所述两个分量汇合并产生两路干涉光；以及将所述两路干涉光中的一路或两路作为强度调制结果输出。5.如权利要求4所述的强度调制方法，其中，所述双向环光路包括保偏光纤。6.如权利要求4所述的强度调制方法，其中，所述两个分量的振幅相同。7.一种利用如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤艳琳，朱珠，
申请(专利权)人：科大国盾量子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34