专利名称：一种自平衡等比分束方法及量子真随机码发生装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学和保密通信技术领域，特别涉及自平衡等比分束方法和光学器件、量子器件及量子真随机码产生装置。
背景技术：
随机数可分为伪随机数和真随机数两种。据法国马森出版社1992年出版的《现代密码学》(Cryptologie Contemporaine，Masson，1992.)介绍，伪随机数是利用复杂的算法或者算法组合来产生的随机数，但是，算法总是有规律的，只要知道该规律，伪随机数原则上是可以预测的，因此也就不是真正意义上的随机数。
真随机数可以通过测量某些物理量的随机性转换而得，这种随机数的随机性取决于被测量物理过程的随机性，其在保密通信等领域的应用远比伪随机数要好。用来产生真随机数的物理过程通常有核衰变过程、电噪声、光辐射等物理过程。《统计数学学会年报(东京)》(Ann.Inst.Stat.Math.Tokyo 8，119(1956))介绍了一种利用核衰变过程来产生随机数的方法，由于其必须使用放射性材料的装置，不仅管理困难，设备复杂，造价高，而且使用不方便，具有危险性。
近年来，利用量子力学的基本原理实现的量子随机码发生装置，不仅安全而且原理清楚、易操作，又不受带宽的限制。美国《科学仪器评论》(Rev.Sci.Instr.Vol.71(2000)1675-1680)介绍了这样一种装置，其原理是让单个光子通过1∶1分束器，根据量子随机性原理，光子将随机选择两条可能的路径之一离开分束器；用两个探测器分别检测光子选择的路径，根据检测到的光子实际路径触发后续电路产生0、1组成的真随机码。这种装置受到分束器的分束比、两个探测器的量子效率和老化性能不一致等因素的影响。由于工艺限制，实际很难将分束器的分束比严格做到1∶1；探测器的性能也不可能完全一致，即使可以通过其他手段将系统调节到平衡状态，但是随着时间的推移，由于器件的老化性能不一致、光路的污染等都会造成系统的再次失衡，从而使得装置输出的随机码中的0和1的比例不均匀，影响随机数的质量。
发明内容
本发明提出一种自平衡等比分束方法及装置，用来自动保证分束比严格满足1∶1的比例，并以此为基础构造一种单探头量子真随机码发生装置，用来产生0、1比例均匀的随机码。
本发明的自平衡等比分束方法，将入射光分束为反射光和透射光，其特征在于对该反射光和透射光作不等量延时并分别反射后从原路返回。
所述的反射可以是直接反射或等效反射；所述的透射可以是直接透射或等效透射。
本发明的自平衡等比分束装置，由分束器、光学延时器和反射装置组成，入射光从分束器任意一个端口输入，分束后在分束器另外一侧的两个端口出射反射光和透射光；其特征在于在所述反射光或透射光的光路上放置光学延时器，或者在所述反射光和透射光的光路上同时放置光学延时器，调节光学延时器使该反射光和透射光形成光程差，经放置在反射光路和透射光路末端的反射装置反射后从原路返回，经所述分束器入射光一例的另一个端口输出。
所述的分束器可以是50∶50(或称3dB)偏振无关的光纤分束器，或由分立元件组成的50∶50(或称3dB)偏振无关的分束器；入射光是偏振光或非偏振光；所述的反射装置包括反射镜或法拉第反射镜或分束器与空气、真空的界面或在分束器与空气、真空的界面镀反射层；所述的分束器还可以是偏振光纤分束器或由分立元件组成的偏振分束器；此时，入射光是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光；所述的反射装置包括反射镜或法拉第反射镜或分束器与空气、真空的界面或在分束器与空气、真空的界面镀反射层；其中当入射光为线偏振光时，其偏振方向与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。
本发明的量子真随机码发生装置，将时钟电路的输出分别接单光子源的输入和数据处理电路的时钟输入，单光子探测器的输出与数据处理电路的数据输入相连，其特征在于所述单光子源的输出接自平衡等比分束装置的输入，自平衡等比分束装置的输出接单光子探测器的输入；所述自平衡等比分束装置由分束器、光学延时器和反射装置组成入射光从分束器的任一端口输入，分束后分别从分束器另外一侧的两个端口出射反射光和透射光，在该反射光或透射光的光路上放置光学延时器，或者在该反射光和透射光的光路上同时放置光学延时器，调节光学延时器使反射光和透射光形成光程差，经放置在反射光路和透射光路末端的反射装置反射后从原路返回，经所述分束器入射光一侧的另一个端口输出。
与现有方法相比较，本发明的自平衡等比分束方法采取了对透射光和反射光作相对不等量延时后分别反射回来，再次经过分束器后串行输出的措施。如果输出的是反射光，则输出光共经过分束器两次，第一次为反射，第二次为透射，输出的概率为(反射率×透射率)；如果输出的是透射光，则输出光也经过分束器两次，第一次为透射，第二次为反射，输出的概率为(透射率×反射率)。由以上分析可知，两者的输出概率完全相等，即分束比严格满足1∶1的比例，这样就自动保证了输出脉冲的分束比严格满足1∶1的比例，克服了现有分束方法的分束比随分束器的改变而变化的问题。
与现有分束装置相比较，本发明的自平衡等比分束装置在入射光分束后出射的反射光或/和透射光的光路上放置光学延时器，调节光学延时器使反射光和透射光形成光程差，经放置在反射光路和透射光路末端的反射装置反射后从原路返回，从而使经分束器入射光一侧的另一个端口输出的反射光和透射光在时间上分开而且都经过分束器两次，其中反射光先反射后透射，透射光先透射后反射，因此两者的输出概率完全相等，即分束比严格满足1∶1的比例，且不受元件老化、环境污染等与时间相关的各种因素的影响，克服了现有装置由于采用直接分束方法而引起的分束比不能严格满足1∶1比例的问题。
本发明的量子真随机码发生装置与现有随机码发生装置相比较，本发明装置采用上述自平衡等比分束装置将入射光分束为时间上分开的两路光，利用单光子探测器在这两个时间段分别进行探测，根据探测的结果产生随机码0或1，如果前一个时间段有探测信号而后一个时间段没有，则输出随机码0，如果后一个时间段有探测信号而前一个时间段没有，则输出随机码1。因为上述自平衡等比分束装置输出光的分束比严格满足1∶1比例，因而生成的随机码中0和1的比例也是严格的1∶1的比例，克服了现有装置产生的随机码0、1比例不均匀而且随时间变化的问题。
图1是本发明自平衡等比分束装置第一个实施例的示意图；图2是本发明自平衡等比分束装置第二个实施例的示意图；图3是本发明自平衡等比分束装置第三个实施例的示意图；图4是本发明自平衡等比分束装置第四个实施例的示意图；图5是本发明自平衡等比分束装置第五个实施例的示意图；图6是本发明自平衡等比分束装置第六个实施例的示意图；图7是本发明自平衡等比分束装置第七个实施例的示意图；图8是本发明自平衡等比分束装置第八个实施例的示意图；图9是本发明自平衡等比分束装置第九个实施例的示意图；图10是本发明自平衡等比分束装置第十个实施例的示意图；图11是本发明自平衡等比分束装置第十一个实施例的示意图；图12是本发明自平衡等比分束装置第十二个实施例的示意图；图13是本发明自平衡等比分束装置第十三个实施例的示意图；图14是本发明自平衡等比分束装置第十四个实施例的示意图；图15是本发明自平衡等比分束装置第十五个实施例的示意图；图16是本发明自平衡等比分束装置第十六个实施例的示意图；图17是本发明自平衡等比分束装置第十七个实施例的示意图；图18是本发明自平衡等比分束装置第十八个实施例的示意图；图19是本发明自平衡等比分束装置第十九个实施例的示意图；图20是本发明自平衡等比分束装置第二十个实施例的示意图。
图21是本发明单探头量子真随机码发生装置的原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图具体说明本发明技术方案的实施方式。
实施例1光纤分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50光纤分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图1给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图光纤分束器(1)的两个端口(1b)和(1c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(1c)上放置光学延时器(4)。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从光纤分束器(1)的端口(1a)输入从端口(1d)输出，也可以从光纤分束器(1)的端口(1d)输入从端口(1a)输出。输入的光子按照由分束比确定的反射率、透射率被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(1b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(1)；透射光通过端口(1c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(1)。端口(1c)上放置的光学延时器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(1d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
如果端口(1d)接收的是反射光，则输出光共经过分束器两次，第一次为反射，第二次为透射，输出的概率为(反射率×透射率)；如果端口(1d)接收的是透射光，则输出光也经过分束器两次，第一次为透射，第二次为反射，输出的概率为(透射率×反射率)。由以上分析可知，两者的输出概率完全相等，即分束比严格满足1∶1的比例，这样就实现了自平衡等比分束。
实施例2光纤分束器和法拉第反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50光纤分束器和法拉第反射镜组成自平衡等比分束装置，图2给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图光纤分束器(1)的两个端口(1b)和(1c)的末端分别放置法拉第反射镜(7)和(8)，端口(1c)上放置光学延时器(4)。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从光纤分束器(1)的端口(1a)输入从端口(1d)输出，也可以从光纤分束器(1)的端口(1d)输入从端口(1a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(1b)传播，被法拉第反射镜(7)反射后原路返回，再次通过分束器(1)；透射光通过端口(1c)传播，被法拉第反射镜(8)反射后原路返回，再次通过分束器(1)。端口(1c)上放置的光学延时器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(1d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例3光纤分束器利用光纤端面反射组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50光纤分束器并利用光纤端面反射组成自平衡等比分束装置，图3给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图光纤分束器(1)的端口(1c)上放置光学延时器(4)。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从光纤分束器(1)的端口(1a)输入从端口(1d)输出，也可以从光纤分束器(1)的端口(1d)输入从端口(1a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(1b)传播，被端口(1b)的光纤端面反射后原路返回，再次通过分束器(1)；透射光通过端口(1c)传播，被端口(1c)的光纤端面反射后原路返回，再次通过分束器(1)。端口(1c)上放置的光学延时器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(1d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例4光纤分束器利用光纤端面镀反射层反射组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50光纤分束器并利用光纤端面镀反射层反射组成自平衡等比分束装置，图4给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图光纤分束器(1)的两个端口(1b)和(1c)的光纤端面分别镀有反射层(5)和(6)，端口(1c)上放置光学延时器(4)。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从光纤分束器(1)的端口(1a)输入从端口(1d)输出，也可以从光纤分束器(1)的端口(1d)输入从端口(1a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(1b)传播，被反射层(5)反射后原路返回，再次通过分束器(1)；透射光通过端口(1c)传播，被反射层(6)反射后原路返回，再次通过分束器(1)。端口(1c)上放置的光学延时器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(1d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例5光纤分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50光纤分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图5给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图光纤分束器(1)的两个端口(1b)和(1c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(1b)上放置光学延时器(4)。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从光纤分束器(1)的端口(1a)输入从端口(1d)输出，也可以从光纤分束器(1)的端口(1d)输入从端口(1a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(1b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(1)；透射光通过端口(1c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(1)。端口(1b)上放置的光学延时器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(1d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例6光纤分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50光纤分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图6给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图光纤分束器(1)的两个端口(1b)和(1c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(1b)和(1c)上均放置光学延时器(4)，但两者延时量不等。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从光纤分束器(1)的端口(1a)输入从端口(1d)输出，也可以从光纤分束器(1)的端口(1d)输入从端口(1a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(1b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(1)；透射光通过端口(1c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(1)。端口(1b)和(1c)上放置的不等量光学延时器使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(1d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例7分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图7给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图分束器(9)的两个端口(9b)和(9c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(9c)上放置光学延时器(10)。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从分束器(9)的端口(9a)输入从端口(9d)输出，也可以从分束器(9)的端口(9d)输入从端口(9a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(9b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(9)；透射光通过端口(9c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(9)。端口(9c)上放置的光学延时器(10)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(9d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例8分束器和法拉第反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50分束器和法拉第反射镜组成自平衡等比分束装置，图8给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图分束器(9)的两个端口(9b)和(9c)的末端分别放置法拉第反射镜(7)和(8)，端口(9c)上放置光学延时器(10)。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从分束器(9)的端口(9a)输入从端口(9d)输出，也可以从分束器(9)的端口(9d)输入从端口(9a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(9b)传播，被法拉第反射镜(7)反射后原路返回，再次通过分束器(9)；透射光通过端口(9c)传播，被法拉第反射镜(8)反射后原路返回，再次通过分束器(9)。端口(9c)上放置的光学延时器(10)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(9d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例9分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图9给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图分束器(9)的两个端口(9b)和(9c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(9b)上放置光学延时器(10)。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从分束器(9)的端口(9a)输入从端口(9d)输出，也可以从分束器(9)的端口(9d)输入从端口(9a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(9b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(9)；透射光通过端口(9c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(9)。端口(9b)上放置的光学延时器(10)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(9d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例10分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振无关的50∶50分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图10给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图分束器(9)的两个端口(9b)和(9c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(9b)和(9c)上均放置光学延时器(10)，但两者延时量不等。
使用本装置时，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以从分束器(9)的端口(9a)输入从端口(9d)输出，也可以从分束器(9)的端口(9d)输入从端口(9a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(9b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(9)；透射光通过端口(9c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(9)。端口(9b)和(9c)上放置的不等量光学延时器使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(9d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例11偏振光纤分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振光纤分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图11给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振光纤分束器(11)的两个端口(11b)和(11c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(11c)上放置光学延时器(12)。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11a)输入从端口(11d)输出，也可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11d)输入从端口(11a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(11b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(11)；透射光通过端口(11c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(11)。端口(11c)上放置的光学延时器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(11d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例12偏振光纤分束器和法拉第反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振光纤分束器和法拉第反射镜组成自平衡等比分束装置，图12给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振光纤分束器(11)的两个端口(11b)和(11c)的末端分别放置法拉第反射镜(7)和(8)，端口(11c)上放置光学延时器(12)。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11a)输入从端口(11d)输出，也可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11d)输入从端口(11a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(11b)传播，被法拉第反射镜(7)反射后原路返回，再次通过分束器(11)；透射光通过端口(11c)传播，被法拉第反射镜(8)反射后原路返回，再次通过分束器(11)。端口(11c)上放置的光学延时器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(11d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例13偏振光纤分束器利用光纤端面反射组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振光纤分束器并利用光纤端面反射组成自平衡等比分束装置，图13给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振光纤分束器(11)的端口(11c)上放置光学延时器(12)。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11a)输入从端口(11d)输出，也可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11d)输入从端口(11a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(11b)传播，被端口(11b)的光纤端面反射后原路返回，再次通过分束器(11)；透射光通过端口(11c)传播，被端口(11c)的光纤端面反射后原路返回，再次通过分束器(11)。端口(11c)上放置的光学延时器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(11d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例14偏振光纤分束器利用光纤端面镀反射层反射组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振光纤分束器并利用光纤端面镀反射层反射组成自平衡等比分束装置，图14给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振光纤分束器(11)的端口(11b)和(11c)的光纤端面分别镀反射层(5)和(6)，端口(11c)上放置光学延时器(12)。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11a)输入从端口(11d)输出，也可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11d)输入从端口(11a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(11b)传播，被反射层(5)反射后原路返回，再次通过分束器(11)；透射光通过端口(11c)传播，被反射层(6)反射后原路返回，再次通过分束器(11)。端口(11c)上放置的光学延时器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(11d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例15偏振光纤分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振光纤分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图15给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振光纤分束器(11)的两个端口(11b)和(11c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(11b)上放置光学延时器(12)。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11a)输入从端口(11d)输出，也可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11d)输入从端口(11a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(11b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(11)；透射光通过端口(11c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(11)。端口(11b)上放置的光学延时器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(11d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例16偏振光纤分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振光纤分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图16给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振光纤分束器(11)的两个端口(11b)和(11c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(11b)和(11c)上均放置光学延时器(12)，但两者延时量不相等。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11a)输入从端口(11d)输出，也可以从偏振光纤分束器(11)的端口(11d)输入从端口(11a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(11b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(11)；透射光通过端口(11c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(11)。端口(11b)和(11c)上的不等量光学延时器使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(11d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例17偏振分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图17给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振分束器(13)的两个端口(13b)和(13c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(13c)上放置光学延时器(14)。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振分束器(13)的端口(13a)输入从端口(13d)输出，也可以从偏振分束器(13)的端口(13d)输入从端口(13a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(13b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(13)；透射光通过端口(13c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(13)。端口(13c)上放置的光学延时器(14)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(13d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例18偏振分束器和法拉第反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振分束器和法拉第反射镜组成自平衡等比分束装置，图17给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振分束器(13)的两个端口(13b)和(13c)的末端分别放置法拉第反射镜(7)和(8)，端口(13c)上放置光学延时器(14)。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振分束器(13)的端口(13a)输入从端口(13d)输出，也可以从偏振分束器(13)的端口(13d)输入从端口(13a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(13b)传播，被法拉第反射镜(7)反射后原路返回，再次通过分束器(13)；透射光通过端口(13c)传播，被法拉第反射镜(8)反射后原路返回，再次通过分束器(13)。端口(13c)上放置的光学延时器(14)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(13d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例19偏振分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图19给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振分束器(13)的两个端口(13b)和(13c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(13b)上放置光学延时器(14)。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振分束器(13)的端口(13a)输入从端口(13d)输出，也可以从偏振分束器(13)的端口(13d)输入从端口(13a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(13b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(13)；透射光通过端口(13c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(13)。端口(13b)上放置的光学延时器(14)使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(13d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例20偏振分束器和反射镜组成的自平衡等比分束装置本实施例中采用偏振分束器和反射镜组成自平衡等比分束装置，图20给出了本实施例的自平衡等比分束装置的示意图偏振分束器(13)的两个端口(13b)和(13c)的末端分别放置反射镜(2)和(3)，端口(13b)和(13c)上均放置光学延时器(14)，但两者延时量不相等。
使用本装置时，入射光必须是自然偏振光、圆偏振光或线偏振光，其中当入射为线偏振光时，其偏振方向必须与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。入射光可以从偏振分束器(13)的端口(13a)输入从端口(13d)输出，也可以从偏振分束器(13)的端口(13d)输入从端口(13a)输出。入射光被分束为反射光和透射光，反射光通过端口(13b)传播，被反射镜(2)反射后原路返回，再次通过分束器(13)；透射光通过端口(13c)传播，被反射镜(3)反射后原路返回，再次通过分束器(13)。端口(13b)和(13c)上的不等量光学延时器使得反射光和透射光存在光程差，因此从端口(13d)输出的反射光和透射光在时间上是分开的。
实施例21单探头量子真随机码发生装置的示意图本实施例以自平衡等比分束装置为基础构造一种量子真随机码发生装置，图21给出了本实施例的单探头量子真随机码发生装置的原理示意图时钟电路(15)的输出分别接单光子源(16)的输入和数据处理电路(19)的时钟输入，单光子源(16)的输出接自平衡等比分束装置(17)的输入，自平衡等比分束装置(17)的输出接单光子探测器(18)的输入，单光子探测器(18)的输出接数据处理电路(19)的数据输入。其中自平衡等比分束装置(17)可以是上述实施例1～实施例20中的任意一种。
使用本装置时，时钟电路(15)产生三路时钟信号，其中一路时钟控制单光子源(16)产生单光子，另外两路时钟接数据处理电路(19)的时钟输入端。单光子源(16)输出的光经自平衡等比分束装置(17)分束为时间上分开的两路光送到单光子探测器(18)进行探测，数据处理电路(19)监测光子探测器(18)的输出，并根据接收到的时钟信号来确定输出。如果两个时间段都有探测信号或者都没有探测信号，则输出被禁止；如果仅在一个时间段有探测信号，则允许输出，根据事先的约定输出随机码0或1并产生输出时钟信号。本实施例中，如果前一个时间段有探测信号而后一个时间段没有，则输出0，如果后一个时间段有探测信号而前一个时间段没有，则输出1。数据处理电路(19)产生的随机码以及输出时钟信号通过ISA/PCI卡(20)送给计算机(21)进行后续处理。
本装置既可以封装在标准的计算机ISA/PCI卡上，也可以作为单独的电路模块使用。
权利要求
1.一种自平衡等比分束方法，将入射光分束为反射光和透射光，其特征在于对该反射光和透射光作不等量延时并分别反射后从原路返回。
2.一种自平衡等比分束装置，由分束器、光学延时器和反射装置组成，从分束器任一端口输入的入射光分束后在分束器另外一侧的两个端口出射反射光和透射光；其特征在于在所述反射光或/和透射光的光路上放置光学延时器，调节光学延时器使该反射光和透射光形成光程差，经放置在反射光路和透射光路末端的反射装置反射后从原路返回，经所述分束器入射光一侧的另一个端口输出。
3.如权利要求1或2所述的自平衡等比分束方法或装置，特征在于所述的反射为直接反射或等效反射；所述的透射为直接透射或等效透射。
4.如权利要求1或2所述的自平衡等比分束方法或装置，特征在于所述的分束器是50∶50偏振无关的光纤分束器，或由分立元件组成的50∶50偏振无关的分束器；入射光为偏振光或非偏振光；所述的反射装置包括反射镜或法拉第反射镜或分束器与空气、真空的界面或在分束器与空气、真空的界面镀反射层。
5.如权利要求1或2所述的自平衡等比分束方法或装置，特征在于所述的分束器为偏振光纤分束器或由分立元件组成的偏振分束器；入射光为自然偏振光、圆偏振光或线偏振光；所述的反射装置包括反射镜或法拉第反射镜或分束器与空气、真空的界面或在分束器与空气、真空的界面镀反射层。
6.如权利要求5所述的自平衡等比分束方法或装置，特征在于当入射光为线偏振光时，其偏振方向与偏振分束器的偏振方向成45度夹角。
7.一种量子真随机码发生装置，将时钟电路的输出分别接单光子源的输入和数据处理电路的时钟输入，单光子探测器的输出与数据处理电路的数据输入相连，其特征在于所述单光子源的输出接自平衡等比分束装置的输入，自平衡等比分束装置的输出接单光子探测器的输入；所述自平衡等比分束装置由分束器、光学延时器和反射装置组成在分束器的一个端口输入的入射光分束后从另外一侧的两个端口出射的反射光或/和透射光的光路上放置光学延时器，调节光学延时器使反射光和透射光形成光程差，经放置在反射光路和透射光路末端的反射装置反射后从原路返回，经所述分束器入射光一侧的另一个端口输出。
全文摘要
本发明的自平衡等比分束方法及装置并由此构造的单探头量子真随机码发生装置，特征是将时钟电路的输出分别接单光子源的输入和数据处理电路的时钟输入，单光子探测器的输出与数据处理电路的数据输入相连，单光子源的输出接自平衡等比分束装置的输入，自平衡等比分束装置的输出接单光子探测器的输入；在入射光分束后出射的反射光或/和透射光的光路上放置光学延时器，调节光学延时器使反射光和透射光形成光程差，经放置在反射光路和透射光路末端的反射装置反射后从原路返回，经所述分束器入射光一侧的另一个端口输出；本发明的自平衡等比分束方法及装置可保证分束比满足1∶1；本发明的单探头量子真随机码发生装置可产生0、1比例均匀的随机码。
文档编号G02B27/10GK1707309SQ200510040259
公开日2005年12月14日 申请日期2005年5月25日 优先权日2005年5月25日
发明者韩正甫, 吴青林, 莫小范, 郭光灿 申请人:中国科学技术大学