一种集成波导干涉仪及量子密钥分发系统技术方案

一种集成波导干涉仪，属于量子安全通信技术领域，包括定向耦合器、偏振旋转延时模块及衬底，偏振旋转延时模块用于将从其第一端口入射的偏振光分解为相互垂直的偏振模式进行90

【技术实现步骤摘要】
一种集成波导干涉仪及量子密钥分发系统


[0001]本专利技术涉及量子安全通信
，特别涉及一种集成波导干涉仪及量子密钥分发系统。

技术介绍

[0002]量子密钥分发可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，目前最成熟的是BB84量子密钥分发协议。光纤量子密钥分发系统一般采用单模光纤作为传输信道，但由于光纤信道存在固有双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会发生变化，且会随着外界环境的变化而改变。然而，传统的基于双不等臂马赫
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增德尔干涉环方案在接收端进行解码干涉时，由于光纤信道的扰动导致偏振态随机变化，并且干涉仪长短臂偏振变化不同，从而影响干涉的稳定性，因此该系统稳定性差，容易受到环境干扰。
[0003]现有技术中，一种解决偏振扰动的方案是采用法拉第
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迈克尔逊干涉仪，这样可以消除光纤双折射效应以及环境扰动对偏振态的影响，并且可以自动补偿长短臂的偏振变化，系统非常稳定。还有一种解决方案如专利CN210041849U所公布的干涉仪，采用了法拉第旋转器，同样基于法拉第效应来自动补偿信道偏振扰动和长短臂不同的偏振变化。然而这些方案中由分立光学元件搭建的干涉仪体积大、结构复杂、稳定性差、成本高，难以大批量生产，并且干涉仪臂长差的制作精度较低，既可能导致系统稳定性较差，也无法满足系统需求集成化、小型化的需求。
[0004]为了提高干涉仪的集成度，专利CN109391471B以及文献Zhang G W, et al. Polarization
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insensitive interferometer based on a hybrid integrated planar light
‑
wave circuit[J]. Photonics Research, 2021, 9(11): 2176
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2181将法拉第
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迈克尔逊干涉仪进行了混合集成，由于该方案存在反射模块如反射镜或法拉第镜等磁光晶体，导致干涉仪集成度较低、体积较大、制作复杂。类似地，专利CN210041849U的方案进行集成化时同样会面临包含磁光晶体而增大集成难度。专利CN1106020662A和文献Xu H, et al. Photonic Integrated Phase Decoder Scheme for High
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Speed, Efficient and Stable Quantum Key Distribution System[J]. arXiv preprint arXiv:1910.08327, 2019.提出一种基于三端口偏振分束器的集成波导萨格纳克环结构，可以代替法拉第镜，使得干涉仪便于集成。然而该方案需要使用2个集成波导萨格纳克环结构，增大了结构的复杂度，并且会降低长短臂的损耗一致性，从而影响干涉稳定性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在以上缺陷，本专利技术提出一种集成波导干涉仪及量子密钥分发系统。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种集成波导干涉仪，包括定向耦合器、偏振旋转延时模块及衬底，所述定向耦合器的第一端口、第四端口分别作为集成波导干涉仪的第一端口、第二端口；所述集成波导干
涉仪的其中一个端口作为输入端口和第一输出端口，另一个端口作为第二输出端口；所述定向耦合器的第二端口、第三端口分别通过波导线L1、波导线L2与偏振旋转延时模块的第一端口、第二端口相连；所述偏振旋转延时模块用于将从其第一端口入射的偏振光分解为相互垂直的偏振模式进行90
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偏振旋转后仍从其第一端口出射，以及将从其第二端口入射的偏振光分解为相互垂直的偏振模式进行90
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偏振旋转后仍从其第二端口出射；所述偏振旋转延时模块还用于调节入射到其第一端口和第二端口的两个光脉冲之间的延时差和相位差；所述定向耦合器、偏振旋转延时模块均为光波导结构，并集成在衬底上，所述定向耦合器为3dB定向耦合器。
[0007]优选地，所述偏振旋转延时模块包括第一波导延时线、第一相位调制模块和第一偏振分束旋转器，所述第一波导延时线、第一相位调制模块的一个端口分别作为偏振旋转延时模块的第一端口、第二端口；所述第一波导延时线、第一相位调制模块的另一个端口分别连接第一偏振分束旋转器的第一端口、第四端口；所述第一偏振分束旋转器的第二端口和第三端口直接相连，构成第一萨格纳克环；所述第一波导延时线为弯曲波导结构，其长度大于第一相位调制模块的长度，所述第一相位调制模块用于调制从偏振旋转延时模块两个端口入射光脉冲之间的相位差。
[0008]优选地，所述偏振旋转延时模块包括第二波导延时线、第二相位调制模块和第二偏振分束旋转器，所述第二波导延时线的一个端口、第二偏振分束旋转器的第四端口分别作为偏振旋转延时模块的第一端口、第二端口；所述第二波导延时线的另一个端口连接第二偏振分束旋转器的第一端口；所述第二偏振分束旋转器的第二端口和第三端口直接相连，构成第二萨格纳克环，所述第二相位调制模块位于第二萨格纳克环内；所述第二波导延时线为弯曲波导结构，所述第二相位调制模块用于调制从偏振旋转延时模块两个端口入射光脉冲之间的相位差。
[0009]优选地，所述偏振旋转延时模块包括第三偏振分束旋转器、第四偏振分束旋转器和第三相位调制模块，所述第三偏振分束旋转器的第一端口、第四端口分别作为偏振旋转延时模块的第一端口、第二端口；所述第三偏振分束旋转器的第二端口、第三端口分别通过长度相等的波导线L3、波导线L4与第四偏振分束旋转器的第一端口、第二端口相连；所述第四偏振分束旋转器的第三端口、第四端口直接相连，构成第三萨格纳克环；所述第三相位调制模块位于第三萨格纳克环内，且用于调制从偏振旋转延时模块两个端口入射光脉冲之间的相位差。
[0010]优选地，所述第一相位调制模块为上方设置加热电极的直波导结构，所述加热电极的材料为钛、钨或钛
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钨合金，所述第一偏振分束旋转器为基于2X2非对称定向耦合器的偏振分束旋转器。
[0011]优选地，所述第二相位调制模块为上方设置加热电极的直波导结构，所述加热电极的材料为钛、钨或钛
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钨合金，所述第二偏振分束旋转器为基于2X2非对称定向耦合器的偏振分束旋转器。
[0012]优选地，所述第三相位调制模块为上方设置加热电极的直波导结构，所述加热电极的材料为钛、钨或钛
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钨合金，所述第三偏振分束旋转器、第四偏振分束旋转器均为基于2X2非对称定向耦合器的偏振分束旋转器。
[0013]优选地，所述波导线L1、波导线L2的长度相等。
[0014]本专利技术还提供了一种量子密钥分发系统，包括通过信道连接的发送端和接收端，所述发送端包括依次连接的激光器、强度调制器、发端干涉仪和可调衰减器，所述接收端包括环形器、收端干涉仪、第一单光子探测器和第二单光子探测器，所述环形器的第一端口、第二端口及第三端口分别连接信道、收端干涉仪的第一端口及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成波导干涉仪，其特征在于，包括定向耦合器（1）、偏振旋转延时模块（2）及衬底（3），所述定向耦合器（1）的第一端口、第四端口分别作为集成波导干涉仪的第一端口、第二端口；所述集成波导干涉仪的其中一个端口作为输入端口和第一输出端口，另一个端口作为第二输出端口；所述定向耦合器（1）的第二端口、第三端口分别通过波导线L1、波导线L2与偏振旋转延时模块（2）的第一端口、第二端口相连；所述偏振旋转延时模块（2）用于将从其第一端口入射的偏振光分解为相互垂直的偏振模式进行90
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偏振旋转后仍从其第一端口出射，以及将从其第二端口入射的偏振光分解为相互垂直的偏振模式进行90
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偏振旋转后仍从其第二端口出射；所述偏振旋转延时模块（2）还用于调节入射到其第一端口和第二端口的两个光脉冲之间的延时差和相位差；所述定向耦合器（1）、偏振旋转延时模块（2）均为光波导结构，并集成在衬底（3）上，所述定向耦合器（1）为3dB定向耦合器。2.如权利要求1所述的集成波导干涉仪，其特征在于，所述偏振旋转延时模块（2）包括第一波导延时线（2
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1）、第一相位调制模块（2
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2）和第一偏振分束旋转器（2
‑
3），所述第一波导延时线（2
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1）、第一相位调制模块（2
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2）的一个端口分别作为偏振旋转延时模块（2）的第一端口、第二端口；所述第一波导延时线（2
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1）、第一相位调制模块（2
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2）的另一个端口分别连接第一偏振分束旋转器（2
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3）的第一端口、第四端口；所述第一偏振分束旋转器（2
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3）的第二端口和第三端口直接相连，构成第一萨格纳克环；所述第一波导延时线（2
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1）为弯曲波导结构，其长度大于第一相位调制模块（2
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2）的长度，所述第一相位调制模块（2
‑
2）用于调制从偏振旋转延时模块（2）两个端口入射光脉冲之间的相位差。3.如权利要求1所述的集成波导干涉仪，其特征在于，所述偏振旋转延时模块（2）包括第二波导延时线（2
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4）、第二相位调制模块（2
‑
5）和第二偏振分束旋转器（2
‑
6），所述第二波导延时线（2
‑
4）的一个端口、第二偏振分束旋转器（2
‑
6）的第四端口分别作为偏振旋转延时模块（2）的第一端口、第二端口；所述第二波导延时线（2
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4）的另一个端口连接第二偏振分束旋转器（2
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6）的第一端口；所述第二偏振分束旋转器（2
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6）的第二端口和第三端口直接相连，构成第二萨格纳克环，所述第二相位调制模块（2
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5）位于第二萨格纳克环内；所述第二波导延时线（2
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4）为弯曲波导结构，所述第二相位调制模块（2
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5）用于调制从偏振旋转延时模块（2）两个端口入射光脉冲之间的相位差。4.如权利要求1所述的集成波导干涉仪，其特征在于，所述偏振旋转延时模块（2）包括第三偏振分束旋转器（2<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，赵义博，
申请(专利权)人：北京中科国光量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：