一种双波导结构相位调制器及偏振编码装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双波导结构相位调制器，本发明专利技术的相位调制器采用双波导结构，每个分支波导分别对进入的偏振光进行相位调制，使二者产生等量反向的相移，在相同的驱动电压下，水平偏振光和垂直偏振光的相对相移为采用单波导相位调制器的二倍，也就是说，产生等量相位差，本发明专利技术所述相位调制器需要的驱动电压更低。本发明专利技术还公开了一种采用所述双波导结构相位调制器的偏振编码装置，由于采用的双波导结构相位调制器产生等量相位差所需的驱动电压仅为单波导相位调制器的一半，相当于相位调制器的半波电压下降一半，因此可以在高调制速率下通过较低电压驱动，更加适用于速率更高的偏振编码系统。

A double waveguide phase modulator and polarization coding device

【技术实现步骤摘要】
一种双波导结构相位调制器及偏振编码装置
本专利技术涉及量子通信
，更具体涉及一种双波导结构相位调制器及基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置。
技术介绍
量子通信是迄今唯一被理论证明无条件安全的通信方式，通过量子密钥分发(QKD)为通信双方提供无条件安全的共享密钥。第一个QKD协议是1984年由CharlesH.Bennett和GillesBrassard共同提出的BB84协议。BB84协议的核心思想是量子不确定性原理，通过随机发送2组非正交基矢下的量子态，能保证窃听者在量子力学的理论范围内不能对这个量子态进行有效窃听。现有技术可在偏振维度实施BB84协议，也就是说，发送端随机制备4种偏振态来编码随机密钥信息。现有技术通常基于相位调制的方法实现偏振编码，方案原理简述如下：常见的相位调制偏振编码方案首先利用偏振分束器将45°线偏光分为水平偏振光和垂直偏振光两路，相位调制器对其中一路光的相位进行调制，使其发生相移，因此，水平偏振光和垂直偏振光之间产生相位差，再通过偏振分束器使两路光重新合束。由于两路光存在相位差，合束后输出的光偏振态发生变化，且不同的相位差对应输出不同的光偏振态，即通过相位调制的方法实现了偏振编码。上述方法可在Sagnac环结构和MZ干涉仪结构中实现。Sagnac环结构一般由偏振分束器、相位调制器、光延迟线组成，分束器将入射光分为两路进入Sagnac环，一路在环内沿顺时针方向传播，另一路沿逆时针方向传播。光延迟线用于调整相位调制器在环内的位置，使其位于偏离环中点△t处。假设顺时针光在t0时刻先到达相位调制器，此时驱动相位调制器工作，则顺时针光产生了△φ的相移。逆时针光在t0+2△t时刻到达相位调制器，此时不驱动相位调制器工作，逆时针光不发生相移。当顺时针光和逆时针光返回环起点时，存在相位差△φ，两路光合束输出，可实现光偏振态的调制。公开号为CN103969841A的中国专利公开了一种基于Sagnac环的偏振控制系统，偏振分束器将45°偏振方向的激光脉冲分为两束强度相等、偏振方向正交的激光脉冲，分别沿Sagnac环顺时针、逆时针传播相等光程后，在偏振分束器处发生叠加输出某一特定偏振态的光。光传播过程中，相位调制器会对顺时针或逆时针激光脉冲进行相位调制，在偏振分束器处两束光叠加后生成的光偏振态取决于两束光的相位差，即相位调制器的调制相位。公开号为CN1477413的中国专利以及博士学位论文《基于相位调制的光量子偏振态的制备与检测及其在量子密钥分发中的应用》公开了一种基于MZ干涉仪结构的相位调制偏振编码方案，是利用两个偏振分束器构成等臂MZ干涉仪，相位调制器位于其中一臂上。偏振分束器将45°线偏光分为水平偏振光和垂直偏振光，分别在干涉仪上臂和下臂中传播，相位调制器对其中一路光进行相位调制。两路光同时到达干涉仪另一端的偏振分束器时，存在相位差，合束输出后偏振态发生变化，即可以通过加载不同的驱动电压实现偏振编码。现有技术利用相位调制器调节水平偏振光或垂直偏振光中的一路，相位调制器半波电压为Vπ时，要产生相移量0、π/2、π、3π/2时，所需驱动电压分别为0、1/2Vπ、Vπ、3/2Vπ。随着调制速率的增大，相位调制器的半波电压Vπ逐渐增大。然而，受电子学方面的限制，相位调制器的驱动电路难以在高速状态下稳定的输出较大的驱动电压，因此很难实现编码速率的进一步提高。即使采用多个分立的相位调制器多次调制的方法，来实现降低单个相位调制器驱动电压的效果，仍存在驱动方式复杂、控制难度较大、增加信号插损、不利于集成等弊端。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题之一在于在产生等量相移的情况下如何降低相位调制器的驱动电压；本专利技术所要解决的技术问题之二在于如何降低相位调制偏振编码方案中系统的驱动电压，实现高速编码。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题之一的：一种双波导结构相位调制器，包括衬底、光波导、对光波导施加电场的调制电极以及传输光纤，所述调制电极包括信号电极和接地电极，所述光波导包括第一分支波导和第二分支波导，所述传输光纤分别设置在第一分支波导和第二分支波导的两端，所述第一分支波导和第二分支波导内侧之间设置有信号电极或接地电极，对应的，所述第一分支波导和第二分支波导外侧均设置有接地电极或信号电极，所述信号电极连接驱动电压，所述信号电极与接地电极协作同时对第一分支波导和第二分支波导施加电场。进一步地，所述第一分支波导和第二分支波导为条形波导。进一步地，所述第一分支波导和第二分支波导平行设置。进一步地，所述信号电极和接地电极施加给第一分支波导和第二分支波导的电场强度相等，方向相反，所述第一分支波导和第二分支波导中传输的光分别产生等量反向的相移。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题之二的：一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，所述偏振编码装置为Sagnac环结构干涉仪，包括偏振分束器、所述的双波导结构相位调制器，所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导、第二分支波导分别通过其两端的传输光纤顺序连接，形成Sagnac环，所述偏振分束器设置在Sagnac环的输入端口，用于将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿第一分支波导和第二分支波导相向传输，最后经偏振分束器合束输出。进一步地，所述偏振分束器到第一分支波导的光程与偏振分束器到第二分支波导的光程相等。进一步地，所述水平偏振光和垂直偏振光分别同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时驱动双波导结构相位调制器，对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别沿第二分支波导和第一分支波导返回偏振分束器输出。进一步地，所述水平偏振光和垂直偏振光分别经过第一分支波导和第二分支波导时驱动双波导结构相位调制器对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别经过第二分支波导和第一分支波导时再次驱动双波导结构相位调制器进行二次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光返回偏振分束器输出。进一步地，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、1/4Vπ、1/2Vπ、3/4Vπ时，第一分支波导输出的偏振光和第二分支波导输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。进一步地，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、±1/8Vπ、±1/4Vπ、±3/8Vπ时，第一分支波导最终输出的偏振光和第二分支波导最终输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。本专利技术还保护一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，所述偏振编码装置为MZ干涉仪结构，包括第一偏振分束器、所述的双波导结构相位调制器以及第二偏振分束器；所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导及其两端的传输光纤构成MZ干涉仪上臂，所述双波导结构相位调制器中的第二分支波导及其两端的传输光纤构成MZ干涉仪下臂，所述第一偏振分束器设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双波导结构相位调制器，包括衬底、光波导、对光波导施加电场的调制电极以及传输光纤，所述调制电极包括信号电极和接地电极，其特征在于，所述光波导包括第一分支波导和第二分支波导，所述传输光纤分别设置在第一分支波导和第二分支波导的两端，所述第一分支波导和第二分支波导内侧之间设置有信号电极或接地电极，对应的，所述第一分支波导和第二分支波导外侧均设置有接地电极或信号电极，所述信号电极连接驱动电压，所述信号电极与接地电极协作同时对第一分支波导和第二分支波导施加电场。

【技术特征摘要】
1.一种双波导结构相位调制器，包括衬底、光波导、对光波导施加电场的调制电极以及传输光纤，所述调制电极包括信号电极和接地电极，其特征在于，所述光波导包括第一分支波导和第二分支波导，所述传输光纤分别设置在第一分支波导和第二分支波导的两端，所述第一分支波导和第二分支波导内侧之间设置有信号电极或接地电极，对应的，所述第一分支波导和第二分支波导外侧均设置有接地电极或信号电极，所述信号电极连接驱动电压，所述信号电极与接地电极协作同时对第一分支波导和第二分支波导施加电场。2.根据权利要求1所述的一种双波导结构相位调制器，其特征在于，所述第一分支波导和第二分支波导为条形波导。3.根据权利要求1或2所述的一种双波导结构相位调制器，其特征在于，所述第一分支波导和第二分支波导平行设置。4.根据权利要求3所述的一种双波导结构相位调制器，其特征在于，所述信号电极和接地电极施加给第一分支波导和第二分支波导的电场强度相等，方向相反，所述第一分支波导和第二分支波导中传输的光分别产生等量反向的相移。5.一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述偏振编码装置为Sagnac环结构干涉仪，包括偏振分束器、权利要求1至4任一所述的双波导结构相位调制器，所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导、第二分支波导分别通过其两端的传输光纤顺序连接，形成Sagnac环，所述偏振分束器设置在Sagnac环的输入端口，用于将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿第一分支波导和第二分支波导相向传输，最后经偏振分束器合束输出。6.根据权利要求5所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述偏振分束器到第一分支波导的光程与偏振分束器到第二分支波导的光程相等。7.根据权利要求6所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述水平偏振光和垂直偏振光分别同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时驱动双波导结构相位调制器，对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别沿第二分支波导和第一分支波导返回偏振分束器输出。8.根据权利要求6所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述水平偏振光和垂直偏振光分别经过第一分支波导和第二分支波导时驱动双波导结构相位调制器对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别经过第二分支波导和第一分支波导时再次驱动双波导结构相位调制器进行二次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光返回偏振分束器输出。9.根据权利要求7所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、1/4Vπ、1/2Vπ、3/4Vπ时，第一分支波导输出的偏振光和第二分支波导输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。10.根据权利要求8所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、±1/8Vπ、±1/4Vπ、±3/8Vπ时，第一分支波导最终输出的偏振光和第二分支波导最终输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。11.一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述偏振编码装置为MZ干涉仪结构，包括第一偏振分束器、权利要求1至4任一所述的双波导结构相位调制器以及第二偏振分束器；所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导及其两端的传输光纤构成MZ干涉仪上臂，所述双波导结构相位调制器中的第二分支波导及其两端的传输光纤构成MZ干涉仪下臂，所述第一偏振分束器设置在MZ干涉仪的输入端，将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿MZ干涉仪上臂和MZ干涉仪下臂传输，所述第二偏振分束器设置在MZ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈通，李东东，刘建宏，孙媛媛，
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