一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发系统技术方案

本公开提供了一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发系统，包括级联的第一级干涉结构和第二级干涉结构，第一级干涉结构的一臂上置有偏置相移器，第二级干涉结构两臂分别设置有相移器；偏置相移器被配置为通过直流电压驱动，所述相移器被配置为脉冲电压以单端推挽方式驱动；本公开极大提高了系统集成度，降低了光学系统成本；解决了动态高速调制下偏振态制备不稳定的问题，同时减少了动态驱动电路的个数与驱动电压。数与驱动电压。数与驱动电压。

【技术实现步骤摘要】
一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发系统


[0001]本公开属于量子密钥分发
，具体涉及一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]偏振编码的量子密钥分发(QKD)系统是以光子偏振态为信息载体实现密钥分发。光子偏振态制备在QKD系统中至关重要。光子偏振态制备准确度以及稳定性直接决定了商用QKD系统长期误码率及安全性。
[0004]根据专利技术人了解，目前主要包括两种光子偏振态制备方案，其中一种是利用现有商用的量子密钥分发方案将经典分立器件(偏振分束器、相移器、光纤、法兰等)组合连接，搭建成所需功能的偏振调制器/模块。此方案制作出的偏振调制器/模块体积庞大，不利于集成。受环境温度、震动影响明显，稳定性较差。
[0005]另一种方案是采用硅光子片上集成技术实现量子密钥发送端光学系统功能。如图1所示：采用两级马赫曾德干涉仪(MZ干涉仪)结构。偏振调制器由两级MZ干涉仪串联构成，用于制备水平偏振态H、垂直偏振态V、+45
°
偏振态P和-45
°
偏振态N。现有QKD产品均采用脉冲光源，这要求两级干涉结构中相移器均需要用脉冲电压来驱动。第一级干涉结构中信号光在两臂的相位差为0和π时，分别对应制备出水平和垂直偏振态。第一级两臂相位差为π/2前提下，第二级两臂相位差为0和π，分别对应制备出+45
°
偏振态和-45
°
偏振态。在QKD系统中，通常采用几百MHz甚至GHz的信号。在如此高频调制下，驱动很难达到完美的相位差。并且π/2相移在相移-功率的干涉曲线中间位置，斜率最大，相移抖动对干涉功率输出影响较大，第二级干涉结构偏振态调制对第二级干涉结构上下两臂光强比例依赖性较强。因此第一级调制相位差出现稍微偏差对第二级干涉结构偏振态制备影响非常显著。其次，此方案采用两路独立动态驱动电路，成本较高。

技术实现思路

[0006]本公开为了解决上述问题，提出了一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发系统，本公开极大提高了系统集成度，降低了光学系统成本；解决了动态高速调制下偏振态制备不稳定的问题，同时减少了动态驱动电路的个数与驱动电压。
[0007]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0008]一种偏振调制器，在硅基片上集成，包括级联的第一级干涉结构和第二级干涉结构，第一级干涉结构的一臂上置有偏置相移器，第二级干涉结构两臂分别设置有相移器；
[0009]所述偏置相移器被配置为通过直流电压驱动，所述相移器被配置为脉冲电压以单端推挽方式驱动。
[0010]在上述技术方案中，首先，各部件在硅基片上集成，有效的解决了现有技术方案中
经典分立器件方式中存在的体积庞大、稳定性差等问题，极大提高了集成度，也降低了光学系统成本。
[0011]其次，以单端推挽方式用脉冲驱动电压驱动第二级干涉结构的相移器，可用一路驱动信号同时驱动两臂相移器，降低半波电压，降低调制器啁啾现象，提高调制器带宽。解决了现有技术中第二种方式存在的必需两路独立动态驱动电路，成本较高，以及两级之间相互影响较大的问题。
[0012]作为可选择的实施方式，第一级干涉结构包括1
×
2分束器、偏置相移器和2
×
2分束器，所述1
×
2分束器用于将信号光等比例分为两束，1
×
2分束器的输出端通过波导分别连接2
×
2分束器的不同输入端，其中一路上额外设置有所述偏置相移器。
[0013]所述2
×
2分束器用于汇聚两束光信号，并形成干涉。
[0014]作为可选择的实施方式，所述偏置相移器可以是热调谐型相移器或基于载流子色散效应的硅基相移器。
[0015]当然，在其他可选择的实施方式中，也可以根据具体情况或要求替换为其他类型的偏置相移器。
[0016]作为可选择的实施方式，所述1
×
2分束器和2
×
2分束器的分束比为1:1。
[0017]作为可选择的实施方式，第二级干涉结构包括两个相移器和偏振合成器，所述2
×
2分束器的两个输出端分别连接一相移器，两个相移器的输出端分别连接偏振合成器的两个输入端。
[0018]作为可选择的实施方式，所述调制器的电极结构中增设BIAS电极，用于输入直流偏置信号，使调制器工作在目标偏置点。
[0019]作为可选择的实施方式，所述相移器为PN型相移器。
[0020]进一步的，PN型相移器为基于载流子色散效应的硅基相移器，可选的掺杂结构为PIN型或PN型。
[0021]当然，在其他可选择的实施方式中，也可以根据具体情况或要求替换为其他类型的相移器。
[0022]基于上述偏振调制器的驱动方法，采用直流电压驱动第一级干涉结构中的偏置相移器，以单端推挽方式用脉冲驱动电压驱动第二级干涉结构的相移器。
[0023]具体的，动态脉冲电压以推挽的方式驱动两臂相移器，使相移器将四种相位差调制到两路信号光上，在偏振合束器上汇合并合成所需要的偏振态：当第二级干涉两臂信号相位差为0时，合成偏振态为+45
°
；当相位差为π/2时，合成偏振态为右旋圆偏振；当相位差为π时，合成偏振态为-45
°
；当相位差为3π/2时，合成偏振态为左旋圆偏振。
[0024]一种量子密钥分发系统，包括上述偏振调制器。
[0025]与现有技术相比，本公开的有益效果为：
[0026]本公开的偏振调制器整体结构是在硅基片上单片集成的，提高了集成度、减少了体积，也降低了投入成本。
[0027]本公开的第一级干涉结构的一路额外设置有偏置相移器；通过用直流电压驱动所述偏置相移器；可改变波导折射率进而起到调制两臂光信号相位差的作用；可以严格并稳定控制第二级干涉结构的光强分布；并且在制备各个偏振态时，直流驱动的稳定性要远高于动态驱动。
[0028]本公开的在传统调制器电极结构基础上增加BIAS电极，用于输入直流偏置信号，以单端推挽方式驱动调制器，用一路脉冲驱动即可同时驱动两个相移器，与其他调制方法相比，在达到相同调制深度，驱动电压幅值可明显降低，而且在降低驱动电压的同时，没有增加驱动电路。
[0029]本公开的单端推挽方式驱动调制器可显著降低啁啾现象对调制器的影响，能提升所制备各偏振态功率稳定性，降低半波电压，提高调制器带宽。
[0030]本公开的偏振调制器用于量子密钥分发(QKD)系统，能够减少QKD光学系统的体积，极大提高了QKD系统集成度；在高速调制的QKD系统中提升了光信号的功率稳定性，有利于商用量子密钥分发系统的长期误码率及安全性。
附图说明
[0031]构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏振调制器，在硅基片上集成，包括级联的第一级干涉结构和第二级干涉结构，其特征是：第一级干涉结构的一臂上置有偏置相移器，第二级干涉结构两臂分别设置有相移器；所述偏置相移器被配置为通过直流电压驱动，所述相移器被配置为脉冲电压以单端推挽方式驱动。2.如权利要求1所述的一种偏振调制器，其特征是：第一级干涉结构包括1
×
2分束器、偏置相移器和2
×
2分束器，所述1
×
2分束器用于将信号光等比例分为两束，1
×
2分束器的输出端通过波导分别连接2
×
2分束器的不同输入端，其中一路上额外设置有所述偏置相移器。3.如权利要求1所述的一种偏振调制器，其特征是：所述偏置相移器为热调谐型相移器或基于载流子色散效应的硅基相移器。4.如权利要求2所述的一种偏振调制器，其特征是：所述1
×
2分束器和2
×
2分束器的分束比为1:1。5.如权利要求1或2所述的一种偏振调制器，其特征是：第二级干涉结构包括两个相移器和偏振合成器，所述2
×
2分束器的两个输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：马昆，龚攀，刘建宏，冯斯波，刘军，
申请(专利权)人：山东国迅量子芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：