基于编码频移光的光纤通信的制作方法

本发明涉及光通信，例如涉及光量子密钥分发。

背景技术：

信息可以采用多种方式进行保护。性质机密的信息例如可包括财务、医疗、企业、政治或个人信息。

机密信息可被存储在安全场所中，通过将信息放置在锁定的地方(例如办公室中的保险箱中)来防止对信息的意外或恶意访问。企业场所还可以或可替代地配备有警报系统、警卫、围栏和/或其它访问控制功能。

机密信息可被存储在未连接到任何不安全网络的计算机中，以防止未授权网络入侵以获取信息。这样的计算机可被称为“空气墙”计算机，因为它们没有连接到任何不安全网络。

一种防止对机密信息的未授权访问的方式是加密，其中明文(例如采用诸如法语的自然语言的文本)使用加密算法和密钥被转换为密文。加密算法被设计成使得在没有密钥的情况下从密文中获得明文是非常困难的。通常，密文可被称为加密信息。

在量子密钥分发(qkd)中，双方可交换量子态并提取只有他们知道的秘密密钥。量子态可以采用量子位，量子位由两个诸如光子的正交偏振态的正交态(诸如0°和90°)的叠加构成。对角线、45°、反对角线、-45°或诸如左旋和右旋的圆形基础状态是0°和90°偏振态的可能叠加。秘密密钥可随后用于消息的加密和解密。理论上，第三方可窃听上述双方之间的量子态传输。然而，这种窃听扰动量子态，引入两个目标方可检测到的异常。上述双方可对量子态测量的结果进行后处理，以去除被窃听者获取的任何部分信息，并形成共享密钥。

拦截和重新传输包含在量子通信中的光子的窃听者在对光子重新编码并朝向其原始目的地重新传输光子时，只能猜测原始发送基础。接收方可以检测到窃听，因为对于发送基础和测量基础被发现匹配的比特值的子集，奇偶校验值应当完全匹配，假设通信系统调整良好并且不受发送和接收中的缺陷影响。由窃听引入的比特值中的差异使得发送方和接收方能够检测到窃听并校正秘密密钥。

光通信也可以在典型模式下使用，其中用信息编码的光的强度可以高于量子通信中的光的强度。

技术实现要素：

本发明由独立权利要求的特征限定。一些特定实施例在从属权利要求中限定。

根据本发明的第一方面，提供一种装置，其包括：光纤接口，其经由第一波导与至少一个编码器耦合；控制器，其被配置为使至少一个编码器用信息对经由光纤接口在装置中接收到的光进行编码，并引起光中的频移；其中，该装置被配置为使光传播回到光纤接口。

第一方面的各种实施例可包括以下项目符号列表中的至少一个特征：

●光纤接口通过第一波导耦合到光衰减器，并且其中，光衰减器经由第二波导与至少一个编码器耦合；

●至少一个编码器只包括一个移相器，并且控制器被配置为控制一个移相器以对光进行编码并引起光中的频移；

●至少一个编码器包括第一移相器和第二移相器，并且其中，控制器被配置为使第一移相器对光进行编码，并使第二移相器引起光中的频移；

●控制器被配置为提供锯齿形电信号以引起光中的频移；

●控制器被配置为提供正弦形电信号以引起光中的频移；

●控制器被配置为引起光中的交替频移，所述交替频移在增加光的频率与降低光的频率之间交替；

●频移的绝对值至少是1千兆赫，至多是10千兆赫；

●至少一个编码器包括双轨编码器；

●使至少一个编码器引起光中的频移包括：使至少一个编码器中的至少一个将渐进相移添加到光中。

根据本发明的第二方面，提供一种装置，其包括：光纤接口，其耦合到光源，所述光源被配置为经由光纤接口向光纤提供光，所述光具有第一频率；频率选择性光滤波器，其光耦合到光纤接口，被设置为在产生过滤光时抑制具有第一频率的光；以及检测器，其光耦合到光滤波器，被设置为测量过滤光的至少一个量。

第二方面的各种实施例可包括以下项目符号列表中的至少一个特征：

●光滤波器还被设置为在产生过滤光时，抑制第一频率的光中的布里渊散射频率的光；

●耦合器或循环器将光源耦合到光纤接口，并且将光纤接口耦合到光滤波器；

●检测器包括双轨检测器；

●光滤波器被设置为准许从第一频率偏离频率偏移的光，所述频率偏移具有至少1千兆赫和至多10千兆赫的绝对值；

●光源包括激光器。

根据本发明的第三方面，提供一种方法，其包括：经由光纤接口接收光，并向至少一个编码器提供光；使至少一个编码器用信息对所接收到的光进行编码，并引起光中的频移；以及使编码和频移后的光传播回到光纤接口。

第三方面的各种实施例可包括与前面结合第一方面列出的项目符号列表中的特征相对应的至少一个特征。

根据本发明的第四方面，提供一种方法，其包括：经由光纤接口将光从光源提供给光纤，所述光具有第一频率；从通过光纤接口接收到的光中产生过滤光，以抑制具有第一频率的光；以及在检测器中测量过滤光的至少一个量。

第四方面的各种实施例可包括与前面结合第二方面列出的项目符号列表中的特征相对应的至少一个特征。

根据本发明的第五方面，提供一种装置，其包括：用于经由光纤接口接收光，并向至少一个编码器提供光的装置；用于使至少一个编码器用信息对所接收到的光进行编码，并引起光中的频移的装置；以及用于使编码和频移后的光传播回到光纤接口的装置。

根据本发明的第六方面，提供一种装置，其包括：用于经由光纤接口将光从光源提供给光纤的装置，所述光具有第一频率；用于从通过光纤接口接收到的光中产生过滤光，以抑制具有第一频率的光的装置；以及用于在检测器中测量过滤光的至少一个量的装置。

根据本发明的第七方面，提供一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有一组计算机可读指令，所述一组计算机可读指令在由至少一个处理器执行时，使装置至少：经由光纤接口接收光，并向至少一个编码器提供光；使至少一个编码器用信息对所接收到的光进行编码，并引起光中的频移；以及使编码和频移后的光传播回到光纤接口。

根据本发明的第八方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有一组计算机可读指令，所述一组计算机可读指令在由至少一个处理器执行时，使装置至少：经由光纤接口将光从光源提供给光纤，所述光具有第一频率；从通过光纤接口接收到的光中产生过滤光，以抑制具有第一频率的光；以及在检测器中测量过滤光的至少一个量。

根据本发明的第九方面，提供一种计算机程序，其被配置为使得根据第二方面和第三方面中的至少一个的方法被执行。

附图说明

图1a示出根据本发明的至少一些实施例的系统；

图1b示出根据本发明的至少一些实施例的系统；

图2示出根据本发明的至少一些实施例的系统；

图3示出本发明的至少一些实施例的硅实现；

图4示出有助于理解本发明的至少一些实施例的频率；

图5示出根据本发明的至少一些实施例的与时间相关的功率和相移；

图6示出根据本发明的至少一些实施例的与时间相关的功率和相移；

图7是根据本发明的至少一些实施例的第一方法的流程图；

图8是根据本发明的至少一些实施例的第二方法的流程图。

具体实施方式

在不具有光源的光通信系统中，其中编码器或发射器被设置为对经由光纤从接收器提供的光进行编码，接收器除了接收来自编码器的编码光之外，还可以接收杂散反射和杂散散射光。例如，反射和散射光或杂散光可由光纤中的缺陷引起，使得缺陷与接收器提供给编码器用于编码的光相互作用。为了使接收器能够通过光谱鉴别滤波来抑制杂散后向散射和反射，编码器可被设置为对编码光进行频移，从而引起在接收器中接收到的编码光与杂散光之间的频率偏移。

图1a示出了根据本发明的至少一些实施例的系统。图1a的系统包括发射器120以及接收器110、设置在发射器120与接收器110之间的光纤101。接收器110可包括使接收器110能够与光纤101耦合的光纤接口。发射器120可包括使发射器120能够与光纤101耦合的光纤接口。

光纤101例如可包括不保持穿过它的光的偏振的单模sm光纤。光纤101可以包括光学纤维。光纤101可呈现双折射，其中光纤中的缺陷，光纤的应力和/或弯曲可引起通过光纤的光子的偏振旋转。光纤101可以使从接收器110朝向发射器120发射的光杂散散射回到接收器110，和/或光纤101可以使从接收器110朝向发射器120发射的光部分地被杂散反射回到接收器110。这种杂散特性例如可从光纤101中的缺陷产生。光纤101的芯部例如可包括玻璃或透明塑料，由具有更低折射率的材料层(诸如不同的玻璃或塑料)包围。光纤101还可以至少部分地使穿过它的光衰减和/或使穿过它的光的去偏振。在至少一些实施例中，光纤101包括单纤。

接收器110可以包括光源，或者以其它方式与诸如激光光源的光源耦合。激光光源例如可包括连续波或调制激光光源。为了从发射器120接收信息，接收器110可被配置为经由光纤101向发射器120提供来自光源的光。在发射器120中，经由光纤101从接收器110接收的光可以用信息进行编码，并且被引导回光纤101，然后，光纤将光传送回到接收器110，在接收器110中，被编码到光中的信息可被恢复。被编码到光中的信息(即，期望从发射器120传送到接收器110的信息)可被称为有效载荷信息。

在接收器110中，除了编码光之外，杂散光也从光纤101到达，因此杂散光可使得从编码光中恢复有效载荷信息变得更加困难。为了使接收器110能够区分杂散光和编码光，编码器120可被配置为将编码光相对于从接收器110进入编码器120中的光进行频移。在发射器120中，根据实施例可以首先对光进行编码然后进行频移，或者首先进行频移然后进行编码，或者频移和编码可同时进行。由于杂散光可能主要在与从接收器110发射的光相同的频率处或者附近，所以接收器110可使用光谱鉴别滤波器布置来抑制杂散光。抑制可包括例如30、60或90分贝的衰减。抑制不必包括完全抑制。在这样的滤波器布置的输出端，编码光与杂散光的比率将相对于进入接收器110中的光中的编码光与杂散光的比率而增强。实际上，信噪比将通过光谱鉴别滤波增强。

光谱滤波在其中编码光在发射器120中例如向单光子区(single-photonregime)衰减的实施例中特别有优势。杂散光可以具有与从接收器110向发射器110提供的光(即，未衰减的光)的强度成比例的强度。由于未衰减的光比衰减的光具有更高的强度，所以杂散光可具有相对于编码光的高强度，换句话说，在没有光谱滤波的情况下，在接收器110处的信噪比可能很低。光谱滤波还可使得能够去除发射器120中的存储线，其中光被引导以允许杂散光在来自发射器120的编码光到达接收器110之前清除光纤101。这种存储线可能需要与光纤101的一半长度一样长。

在包括典型光纤通信而不是量子通信的实施例中，发射器120中的衰减可能不存在。虽然典型通信中的信噪比增益可能低于量子通信中的信噪比增益，但是增益是真实的并且例如可使用比没有进行频移和滤波更少的能量来使能发射器120与接收器110之间的通信。

在编码器120中的编码例如可采用偏振编码形式或双轨形式进行。例如，通过被分成两个正交偏振分量(这两个分量被传送到两个波导中，一个分量被传送到每个波导中)，光可从偏振编码形式被转换为双轨形式。所得到的分量中的一个或两个分量中的光可被旋转，以使得两个轨道具有相同的偏振。波导可以包括引导波(例如，诸如光的电磁波)的光纤或其它结构。

双轨编码可以在两个波导上实现，这两个波导可以是平行的。信息可以在这两个波导中的光的相对相位和振幅上进行编码。在相对相位和振幅上的操作可由至少一个移相器在这两个波导中的至少一个波导上执行和/或由光耦合器在这两个波导之间执行。通常，双轨编码可包括修改两个波导中的至少一个波导中的光的振幅和相位中的至少一个，使得这两个波导中的光之间的延迟的差远远小于传送一比特所用的时间。

接收器110可被配置为测量从发射器120进入接收器110中的光的偏振。这样的测量可以在固定的偏振基础上进行，例如使用合适的检测器。为了成功地测量接收器110中的偏振编码光，可对在光纤101中发生的偏振旋转进行补偿。在一些实施例中，接收器110被配置为将经由光纤101从发射器120到达的偏振编码光转换成双轨编码形式。根据本发明的实施例，检测器可以采取多个合适的形式中的任何一个。例如，检测器可以包括干涉仪和/或多个单光子检测器。

对光纤101中的偏振旋转进行补偿可以在发射器120、接收器110中或者部分地在发射器120中部分地在接收器110中执行。在一些实施例中，不对光纤101中的偏振旋转进行补偿。在补偿在发射器120中执行的情况下，补偿例如可在发射器120的双轨编码器中与用将要传送到接收器110的信息对光进行编码同时进行。

在发射器120中对光进行编码所用的有效载荷信息例如可以包括至少一个加密密钥，其可以在低强度区中通过光纤101被传送到接收器120。加密密钥例如可以包括随机比特序列。

至少一个编码器可由控制器控制，控制器例如可以包括微控制器、处理器、数字信号处理器、专用集成电路asic、可编程控制器或者被设置为至少部分地控制至少一个编码器中的至少一个的其它电子组件。控制器可以包括多于一个的电子组件，例如，在编码器120包括多于一个的编码器的情况下，每个编码器可具有被设置为对其进行控制的电子组件，使得这些电子组件共同构成控制器。控制器可被配置为使至少一个编码器对光进行编码并且给予频移。控制器可被配置为通过引发向至少一个编码器提供电信号来使至少一个编码器进行编码和/或给予频移。引起频移的电信号例如可包括锯齿形电信号或正弦形电信号，以使得移相器将渐进相移给予光。渐进相移例如可通过光脉冲来给予，从而修改包含在脉冲中的光的频率。控制器可通过被设置为执行计算机程序来配置，其中计算机程序被设置为使控制器使得至少一个编码器进行编码和频移。因此，一旦包括至少一个编码器和控制器的装置被启动，控制器便可通过被设置为执行计算机程序而被配置。计算机程序可被存储在控制器可访问的存储器中，例如只读存储器或系统存储器。

图1b示出了根据本发明的至少一些实施例的系统。图1b的系统可被看作是图1a的系统的实施例，比图1a更详细地展示。接收器110、发射器120和光纤101与图1a中的相同元件相对应。

接收器110包括光源112，其例如可包括如上所述的诸如连续波或调制激光器的激光器。来自光源112的光经由设备114被导向光纤101，设备114例如可包括耦合器或循环器。到达接收器110的光可在滤波器116中进行滤波之后，在检测器118中进行测量。滤波器116例如可包括光谱鉴别滤波器。光谱鉴别滤波器的一个示例是带通滤波器，使得所得到的通带与编码光在编码器120中被移到的频率相对应。该带通滤波器可以是长通滤波器和短通滤波器的组合。光谱鉴别滤波器的另一个示例是陷波滤波器，其中陷波频率可被设置为从光源112提供的光的频率。光学陷波滤波器的一个示例是导模谐振滤波器。

图2示出了根据本发明的至少一些实施例的系统。与图1b的系统相比较，图2的系统更详细地展示了发射器侧。相同的标号表示与图1b中的相同结构。在图2中，发射器120包括光衰减器122、移相器124和法拉第镜126。移相器124可被配置为用有效负载信息对在发射器120中从接收器110接收到的光进行编码，并且对光给予频移，从而引起其频率变化。法拉第镜126被设置为将光反射回到光纤101，以使得编码和频移后的光可经由光纤101被传送回到接收器110。替代镜布置，发射器120可包括被配置为将光传送回到光纤101的波导或光学纤维布置。移相器124可包括一个或多于一个的移相器。控制器125可与移相器124耦合，控制器被设置为使移相器124对光进行编码并且对光进行频移，如上所述。控制器125可被包括在移相器124中，或者更一般地被包括在编码器中，或者可以其它方式与移相器124或至少一个编码器耦合。

图3示出了本发明的至少一些实施例的硅实现。可包括发射器的至少一部分的硅光子实现的一个示例的实现包括偏振分离光纤耦合器310，其被配置为将到达发射器的光转换成双轨形式。例如，可使用检测器z+312和检测器z-314来帮助控制偏振旋转补偿。移相器330、350和360可配置地使得用将要传送到接收器的信息对双轨形式光进行编码，和/或至少部分地对在光纤101中发生的偏振旋转进行补偿。在所示的实现中，左边的回路用于将光传送回到其源头。振幅和相位调制器380可操作地在光传送回到光纤101之前对光施以脉冲和频移。在振幅和相位调制器380没有被设置为将频移给予光的实施例中，移相器330、350和260中的至少一个可进一步被配置为将频移给予光。在实现中，2x2mmi耦合器340和370传送双轨形式光。mzi衰减器320可配置地用于选择发射回到光纤中的光功率。通常，在本发明的各种实施例中可以使用脉冲模式。脉冲调制可以在光在光纤中的返程之前的若干可能阶段中的一个中执行，例如，光源本身可被调制、光源的输出可被调制(例如使用mzi)、或者可在编码器中执行脉冲调制，诸如在振幅和相位调制器380中执行脉冲调制，只要两个轨道都被调制。调制还可以在衰减阶段中执行。

图4示出了有助于理解本发明的至少一些实施例的频率。所示出的功率谱是在接收器110中接收的光的功率谱。在横轴上是从左向右增加的频率401。在纵轴上是从下向上增加的功率402。峰410与作为对从接收器110提供到光纤101中的光的反应而在光纤101中发生的瑞利散射和背向反射相对应。峰410的频率可与从接收器110提供给光纤101的光的频率相对应。

峰420与光纤101中的光的斯托克斯布里渊散射相对应。布里渊散射可以在光与折射率中的周期性变化相互作用(可在光纤101的芯部中发生)的情况下发生。在布里渊散射的斯托克斯变形中，散射光子损失能量，因此移向更低的频率。在相互作用中，光子可以与损失光子能量的诸如声子或偏振子的准粒子相互作用。峰430与反斯托克斯布里渊散射相对应，其中光子与准粒子相互作用以获得能量，从而移向更高的频率。

峰440与频移的编码光相对应，移向相对于从接收器110进入发射器120的光的更高和更低的频率。从图中可以看出，正确选择的频移足够大以使编码光远离非编码峰410的波长，同时频移避免了将编码光峰440置于布里渊散射频率。实际上，就激光而言，1ghz在多个实施例中足以避开峰410(其中脉冲长度例如为1ns)，布里渊峰在峰410的任一侧上大约10ghz处。因此，1-10ghz向更高、更低或交替地向更高和更低的频率的频移可以是一个有用的选择。例如，1ghz频移可与每纳秒2π附加相位相对应。在各种实施例中，一个或多个峰440向更高频率、向更低频率或交替地向更高和更低频率频移。在仅使用一个频移的情况下，例如向更高频率，只有一个峰440与该频移相对应。

峰410与峰440之间的频率的距离与频移的量值相对应。另一方面，峰440的宽度与调制带宽相对应。在用信息对光进行编码时，调制符号将频率分量给予光，这具有扩大光的光谱特性的效果。扩大的程度取决于所使用的调制方案。

图5示出了根据本发明的至少一些实施例的与时间相关的功率和相移。两个水平时间轴530和540从左向右前进。在上面的图中，垂直轴520表示相移。在下面的图中，垂直轴510表示功率。

相移522在相位上超前2π偏移。从图中可以看出，这样的移位分别施加在每个脉冲上，从而实现每个脉冲的频移。锯齿形电信号可被施加到移相器以实现相移，因此实现编码器120中的编码脉冲或将要在编码器120中进行编码的脉冲的频移。在没有施以脉冲时，移相器可被移回到它可将相移522给予随后的脉冲的位置。

图6示出了根据本发明的至少一些实施例的与时间相关的功率和相移。两个水平时间轴630和640从左向右前进。在上面的图中，垂直轴620表示相移。在下面的图中，垂直轴610表示功率。

相移622在相位上超前2π偏移。从图中可以看出，这样的移位分别施加在每个脉冲上，从而实现脉冲的频移。正弦形电信号可被施加到移相器以实现相移，因此实现编码器120中的编码脉冲或将要在编码器120中进行编码的脉冲的频移。在没有施以脉冲时，可使用正弦形电信号将移相器移回到它可将相移622给予随后的脉冲的位置。正弦形电信号相对于图5的锯齿形电信号的优点在于它更容易产生，而缺点是相移不完全线性。然而，在各种实施例中，由正弦信号产生的相移足够线性。另一方面，锯齿形电信号产生线性相移，但是产生锯齿形电信号需要更宽的电带宽以适应其高频方面。

图7是根据本发明的至少一些实施例的第一方法的流程图。所示出的方法的各个阶段例如可以在发射器120中执行。

阶段710包括：经由光纤接口接收光，并向至少一个编码器提供光。阶段720包括：使至少一个编码器用信息对所接收到的光进行编码，并引起光中的频移。最后，阶段730包括：使编码和频移后的光传播回到光纤接口。

图8是根据本发明的至少一些实施例的第二方法的流程图。所示出的方法的各个阶段例如可以在接收器110中执行。

阶段810包括：经由光纤接口将光从光源提供给光纤，所述光具有第一频率。阶段820包括：从通过光纤接口接收到的光中产生过滤光，以抑制具有第一频率的光。最后，阶段830包括：在检测器中测量过滤光的至少一个量。检测器例如可包括双轨检测器、偏振态检测器或至少一个单光子检测器。

应当理解，所公开的本发明的实施例不限于在本文中公开的特定结构、处理步骤或材料，而是如相关领域的普通技术人员认识到的包括其等同物。还应当理解，在本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而非旨在限制。

在本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并非是指相同的实施例。在使用例如“大约”或“基本上”的术语参考数值的情况下，还公开了准确的数值。

如在本文中使用的，多个项、结构元素、组成元素和/或材料为了方便起见可以展示在公共列表中。然而，这些列表应当被解释为列表中的每个成员都分别被标识为单独且唯一的成员。因此，在没有相反的指示的情况下，这样的列表中的各个成员都不应当仅根据它们在公共群组中的出现而被解释为相同列表中的任何其它成员的事实等同物。此外，本发明的各种实施例和示例可以在本文中与其各种组件的替代物一起被提及。可以理解，这样的实施例、示例和替代物不应被解释为彼此的事实等同物，而是应被认为是本发明的单独和自主表示。

此外，所描述的特征、结构或特性可采用任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。在以下说明中，提供了诸如长度、宽度、形状的示例等的多个具体细节，以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本发明可无需一个或多个具体细节或者采用其它方法、组件、材料等来实施。在其它情况下，公知的结构、材料或操作没有被详细示出或描述以避免混淆本发明的各个方面。

虽然前面的示例在一个或多个特定应用中描述了本发明的原理，但是对于本领域的普通技术人员显而易见地，可以无需运用创造性能力以及不背离本发明的原理和概念，而在实现的形式、使用和细节上进行多个修改。因此，除了由所附权利要求阐述的之外，并不旨在限制本发明。

在本文中使用的动词“包括”和“包含”为开放性限制，既不排除也不要求其它未列举的特征的存在。除非另行明确说明，否则从属权利要求中列举的特征可以相互自由组合。此外，应当理解，在本文中使用的“一”或“一个”(即，单数形式)并不排除多个。

工业适用性

本发明的至少一些实施例发现在光通信中的工业应用。

缩略词列表

asic专用集成电路

ns纳秒

mmi多模式干涉仪

mzi马赫-曾德(mach-zehnder)干涉仪

sm单模