片上偏振变化被动补偿干涉仪和量子密钥分配系统技术方案

本发明专利技术公开了一种片上偏振变化被动补偿干涉仪和量子密钥分配系统，包括光波导芯片，所述光波导芯片上设置有2*2波导耦合模块、时间延迟模块、1*2波导耦合模块一、偏振转换模块一、1*2波导耦合模块二和偏振转换模块二，所述2*2波导耦合模块分别与时间延迟模块和1*2波导耦合模块二连接，所述时间延迟模块与1*2波导耦合模块一连接，所述1*2波导耦合模块一与偏振转换模块一连接形成Sagnec环形结构，所述1*2波导耦合模块二与偏振转换模块二连接形成Sagnec环形结构；本发明专利技术可以被动补偿片上不等臂干涉仪中的偏振变化，从而可以非常好的实现各种相位编码协议QKD系统，系统制作容差大，成本大幅降低。

On-chip Polarization Change Passive Compensation Interferometer and Quantum Key Distribution System

【技术实现步骤摘要】
片上偏振变化被动补偿干涉仪和量子密钥分配系统
本专利技术涉及量子通信
，具体涉及一种片上偏振变化被动补偿干涉仪和量子密钥分配系统。
技术介绍
量子密码通信结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密码通信藉由物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖算法复杂度的保密通信。目前，量子密码技术主要以光量子作为实现载体，通过自由空间或光纤信道进行分配。量子密钥分配设备依据不同的量子密钥分发协议的要求，利用各种光调制设备将经典随机比特加载到光量子的偏振、相位等物理量之上来进行传输，从而实现量子密钥的分配。不等臂干涉仪作为相位编码的量子密钥分配系统的核心器件，一个设计优良的不等臂干涉仪可以保证量子密钥分配系统的稳定性以及高效性。同时，光集成芯片是现今全世界非常重要的研究方向，利用该技术可以将原本基于各个独立光器件的各种光学系统集成在一块体积非常小的芯片中。利用这种技术可以将QKD系统集成，首先降低了成本，其次可以大大增加QKD技术的应用范围，是非常有意义的。在芯片波导中，光脉冲会以相互垂直的两种偏振模式传输，这两种模式相互垂直，且被称为TE模和TM模。这两种模式在波导中的折射率不同，导致光脉冲在波导中传输时，其偏振状态会随着芯片外部环境变化而发生变化，同时，光脉冲的脉冲宽度也会由于色散而展宽。而不等臂干涉仪，顾名思义，就是干涉仪两波导臂的长度不同，所以对于芯片集成的不等臂干涉仪来说，由于干涉仪两臂的脉冲经过的光波导长度不同，导致经过该两臂的光脉冲的偏振变化不同，最终会引起干涉可见度下降，从而增加QKD系统的误码。对于基于光纤的不等臂干涉仪结构，在专利CN101571612B中公布了一种不等臂的光纤法拉第迈克尔逊干涉仪。该干涉仪利用法拉第镜对光纤内部偏振态引起90度旋转的性质，使得干涉仪免疫一般MZ型干涉仪由于长短臂路径不同，造成的长短臂内偏振变化不同，最终导致干涉仪稳定性下降的情况。利用这种法拉第迈克尔逊干涉仪，已经实现了城际长距离的量子密钥分配实验。这种干涉仪结构的核心为引起偏振态旋转90度的法拉第旋镜，但对于集成光波导芯片来说，法拉第旋镜是很难集成在芯片中的。综上所述，需要提出一种新型的片上偏振变化被动补偿不等臂干涉仪结构，利用该结构来被动补偿片上不等臂干涉仪中的偏振变化，从而更好的实现各种相位编码协议QKD系统，大大增加QKD技术的应用范围，与现有的基于光纤的不等臂干涉仪结构相比，系统制作容差大，成本大幅降低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种片上偏振变化被动补偿干涉仪和量子密钥分配系统，本片上偏振变化被动补偿干涉和量子密钥分配系统可以被动补偿片上不等臂干涉仪中的偏振变化，从而可以非常好的实现各种相位编码协议QKD系统，系统制作容差大，成本大幅降低。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种片上偏振变化被动补偿干涉仪，包括光波导芯片，所述光波导芯片上设置有2*2波导耦合模块、时间延迟模块、1*2波导耦合模块一、偏振转换模块一、1*2波导耦合模块二和偏振转换模块二，所述2*2波导耦合模块分别与时间延迟模块和1*2波导耦合模块二连接，所述时间延迟模块与1*2波导耦合模块一连接，所述1*2波导耦合模块一与偏振转换模块一连接形成Sagnec环形结构，所述1*2波导耦合模块二与偏振转换模块二连接形成Sagnec环形结构；所述2*2波导耦合模块用于接收入射的光脉冲，并将光脉冲分为两束光脉冲；其中一束光脉冲通过时间延迟模块输出至1*2波导耦合模块一的端口1；另一束光脉冲输出至1*2波导耦合模块二的端口1；1*2波导耦合模块一将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块一的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口3；同时，从1*2波导耦合模块一的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口2；1*2波导耦合模块一的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块一的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块一的端口1将输出的光脉冲经过时间延迟模块传输至2*2波导耦合模块中；1*2波导耦合模块二将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块二的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口3；同时，从1*2波导耦合模块二的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口2，1*2波导耦合模块二的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块二的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块二的端口1将输出的光脉冲传输至2*2波导耦合模块中。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述2*2波导耦合模块与1*2波导耦合模块一的端口1通过波导线连接且该波导线上设置有时间延迟模块从而使该波导线形成长臂，所述2*2波导耦合模块与1*2波导耦合模块二的端口1直接通过波导线连接从而使该波导线形成短臂，所述1*2波导耦合模块一的端口2与偏振转换模块一通过波导线连接且1*2波导耦合模块一的端口3与偏振转换模块一通过另一波导线连接，所述1*2波导耦合模块一的端口2和端口3距离偏振转换模块一的光程相同；所述1*2波导耦合模块二的端口2与偏振转换模块二通过波导线连接且1*2波导耦合模块二的端口3与偏振转换模块二通过另一波导线连接，所述1*2波导耦合模块二的端口2和端口3距离偏振转换模块二的光程相同。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述长臂的波导线上还设置有相位调制模块和/或短臂的波导线上还设置有相位调制模块。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述长臂的波导线上还设置有强度调制模块和/或短臂的波导线上还设置有强度调制模块。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述偏振转换模块一和偏振转换模块二均采用楔形波导。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述1*2波导耦合模块一和1*2波导耦合模块二均采用Y分支分束器、MMI耦合器或DC耦合器，其中Y分支分束器为Y形状的波导分束器。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述时间延迟模块为一段波导线。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述2*2波导耦合模块用于将光脉冲分束或合束，分束比为50:50，2*2波导耦合模块采用MMI耦合器或DC耦合器。为实现上述技术目的，本专利技术采取的另一个技术方案为：一种量子密钥分配系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括片上偏振变化被动补偿干涉仪、脉冲光源、相位调制模块和衰减器，所述接收端包括片上偏振变化被动补偿干涉仪、环形器、相位调制模块、探测器一和探测器二；发射端的脉冲光源通过光纤波导耦合器与发射端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2波导耦合模块的一端口连接，发射端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种片上偏振变化被动补偿干涉仪，包括光波导芯片，其特征在于，所述光波导芯片上设置有2*2波导耦合模块、时间延迟模块、1*2波导耦合模块一、偏振转换模块一、1*2波导耦合模块二和偏振转换模块二，所述2*2波导耦合模块分别与时间延迟模块和1*2波导耦合模块二连接，所述时间延迟模块与1*2波导耦合模块一连接，所述1*2波导耦合模块一与偏振转换模块一连接形成Sagnec环形结构，所述1*2波导耦合模块二与偏振转换模块二连接形成Sagnec环形结构；所述2*2波导耦合模块用于接收入射的光脉冲，并将光脉冲分为两束光脉冲；其中一束光脉冲通过时间延迟模块输出至1*2波导耦合模块一的端口1；另一束光脉冲输出至1*2波导耦合模块二的端口1；1*2波导耦合模块一将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块一的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口3；同时，从1*2波导耦合模块一的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口2；1*2波导耦合模块一的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块一的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块一的端口1将输出的光脉冲经过时间延迟模块传输至2*2波导耦合模块中；1*2波导耦合模块二将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块二的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口3；同时，从1*2波导耦合模块二的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口2，1*2波导耦合模块二的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块二的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块二的端口1将输出的光脉冲传输至2*2波导耦合模块中。...

【技术特征摘要】
1.一种片上偏振变化被动补偿干涉仪，包括光波导芯片，其特征在于，所述光波导芯片上设置有2*2波导耦合模块、时间延迟模块、1*2波导耦合模块一、偏振转换模块一、1*2波导耦合模块二和偏振转换模块二，所述2*2波导耦合模块分别与时间延迟模块和1*2波导耦合模块二连接，所述时间延迟模块与1*2波导耦合模块一连接，所述1*2波导耦合模块一与偏振转换模块一连接形成Sagnec环形结构，所述1*2波导耦合模块二与偏振转换模块二连接形成Sagnec环形结构；所述2*2波导耦合模块用于接收入射的光脉冲，并将光脉冲分为两束光脉冲；其中一束光脉冲通过时间延迟模块输出至1*2波导耦合模块一的端口1；另一束光脉冲输出至1*2波导耦合模块二的端口1；1*2波导耦合模块一将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块一的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口3；同时，从1*2波导耦合模块一的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口2；1*2波导耦合模块一的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块一的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块一的端口1将输出的光脉冲经过时间延迟模块传输至2*2波导耦合模块中；1*2波导耦合模块二将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块二的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口3；同时，从1*2波导耦合模块二的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的TE模式能量和TM模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口2，1*2波导耦合模块二的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块二的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块二的端口1将输出的光脉冲传输至2*2波导耦合模块中。2.根据权利要求1所述的片上偏振变化被动补偿干涉仪，其特征在于，所述2*2波导耦合模块与1*2波导耦合模块一的端口1通过波导线连接且该波导线上设置有时间延迟模块从而使该波导线形成长臂，所述2*2波导耦合模块与1*2波导耦合模块二的端...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁禹阳，王从柯，程翌婷，
申请(专利权)人：安徽问天量子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34