硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构及其封装结构的制作方法

本实用新型涉及量子密钥分发领域，更具体涉及一种硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构。

背景技术：

目前实验室以及商用的量子密钥分发发送方均为分立器件搭建而成：如采用强度调制器、偏振分束器、相位调制器、可调光衰减器等等。

如图1所示，为现有典型的量子密钥分发发送方光路，该量子密钥分发发送方光路包括强度调制器IM、偏振分束器PBS1、相位调制器PM、可调光衰减器VOA，强度调制器IM、偏振分束器PBS1、可调光衰减器VOA依序相连，相位调制器PM连接在两个偏振分束器PBS1之间。偏振分束器PBS1与相位调制器PM共同构成偏振态制备模块，并将可调光衰减器放在偏振态制备模块的后面，以防止木马攻击，提高安全性。

现有的各个分立器件之间通常通过多个法兰连接，另外由于环境的变化如温度等也会造成各器件插损以及光纤链路光程发生变化，各个分立器件之间通过光纤和法兰连接，无法实现单片集成，且成本高昂的多，此外高功耗也是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供了一种能够实现高度集成、体积小的硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构。

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构，包括第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器、至少一个可调光衰减器，第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器、至少一个可调光衰减器首尾相连，信号光从第一强度调制器进入，可调光衰减器的输出端作为芯片结构的输出端，所述第一强度调制器和第二强度调制器为马赫增德尔干涉仪结构，包括第一光分束器、两路第一硅基移相器以及光合束器，第一光分束器通过两路第一硅基移相器分别连接到光合束器。

作为优选的技术方案，所述第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器、可调光衰减器之间通过平面光波导建立光连接通道。

作为优选的技术方案，所述偏振调制器包括第二光分束器、一路第二硅基移相器、偏振旋转合束器；所述第二光分束器一路通过第二硅基移相器连接到偏振旋转合束器，另一路直接连接到偏振旋转合束器。

所述第二光分束器、第二硅基移相器、偏振旋转合束器之间的光路通过平面光波导形成光连接通道。

作为优选的技术方案，硅基移相器为使用槽线GS结构电极的单驱动移相器或使用共面波导GSG结构电极的双驱动移相器，所述可调光衰减器为电吸收型可调光衰减器。

作为优选的技术方案，光分束器为多模干涉仪的光分束器或Y分支的光分束器；光合束器为多模干涉仪的光合束器或Y分支的光合束器。

本实用新型还公开了一种如上任一项方案所述的硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构的封装结构，封装结构外围具有Y个引脚，其中引脚1和引脚2分别为硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构的光输入端口及光输出端口，即引脚1连接内部的第一强度调制器，引脚2连接内部的可调光衰减器的输出端口，其他引脚3-Y为内部光学芯片电极引出的pin脚。

其中，作为光输入端口及光输出端口的引脚1和引脚2位于封装结构的相对两侧。

或者，作为光输入端口及光输出端口的引脚1和引脚2位于封装结构的同一侧。

或者，作为光输入端口及光输出端口的引脚1和引脚2位于封装结构的相邻两侧。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型具有与CMOS工艺兼容、成本低、系统结构简单、集成度高、测试简单、易于封装等优点。

附图说明

图1为现有典型的量子密钥分发发送方光路图；

图2为本实用新型实施例的硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构图；

图3为本实用新型实施例的强度调制器的结构原理图；

图4为本实用新型实施例的偏振调制器的结构原理图；

图5至图7为本实用新型实施例的硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片的三种封装形式的结构图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，一种硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构，包括第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器、至少一个可调光衰减器，第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器、至少一个可调光衰减器首尾相连，信号光从第一强度调制器进入，可调光衰减器的输出端作为芯片结构的输出端。

信号光由所述第一强度调制器处理后，得到第一脉冲序列；再经过第二强度调制器处理后得到脉冲幅值不一、周期不等的第二脉冲序列；再经过偏振调制器调制为量子密钥分发协议中所需的不同偏振态；最后不同偏振态的光经过可调光衰减器将光强衰减至单光子级别输出。

所述第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器、可调光衰减器之间通过平面光波导建立光连接通道；所述平面光波导与传输的光信号的模式对应。

同时参阅图3所示，所述第一强度调制器和第二强度调制器为马赫增德尔干涉仪(MZI)结构，用于实现将电信号加载到光信号的功能，其包括光分束器1、两路硅基移相器以及光合束器2，光分束器1通过两路硅基移相器分别连接到光合束器2，进入强度调制器的光经所述光分束器1分为功率相等的两束光，并且分别进入一路所述硅基移相器，所述硅基移相器用于实现光信号的移相，所述硅基移相器输出光经所述光合束器2进行合束后输出。

优选地，所述硅基移相器为使用槽线GS结构电极的单驱动移相器或使用共面波导GSG结构电极的双驱动移相器。

优选地，所述光分束器1为多模干涉仪的光分束器或Y分支的光分束器；所述光合束器2为多模干涉仪的光合束器或Y分支的光合束器。

优选地，所述可调光衰减器为电吸收型可调光衰减器。

优选地，同时参阅图4所示，所述偏振调制器包括光分束器10、一路硅基移相器30、偏振旋转合束器20；所述光分束器10一路通过硅基移相器30连接到偏振旋转合束器20，另一路直接连接到偏振旋转合束器20。所述光分束器10、硅基移相器30、偏振旋转合束器20之间的光路通过平面光波导形成光连接通道。

优选地，所述硅基移相器30为使用槽线GS结构电极的单驱动移相器或使用共面波导GSG结构电极的双驱动移相器。

优选地，所述光分束器10为多模干涉仪的光分束器或Y分支的光分束器。

请参阅图5至图7所示，为所述硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构的封装结构，其有三种封装：

1、如图5所示，封装结构外围具有Y个引脚，其中引脚1和引脚2分别为硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构的光输入端口及光输出端口，即引脚1连接内部的第一强度调制器，引脚2连接内部的可调光衰减器的输出端口，其他引脚3-Y为内部光学芯片电极pad引出的pin脚，图中各引脚代号之间的关系是：Y≥X≥N≥M≥3。该封装结构中，作为光输入端口及光输出端口的引脚1和引脚2位于封装结构的相对两侧。

2、如图6所示，封装结构外围具有Y个引脚，其中引脚1和引脚2分别为硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构的光输入端口及光输出端口，即引脚1连接内部的第一强度调制器，引脚2连接内部的可调光衰减器的输出端口，其他引脚3-Y为内部光学芯片电极pad引出的pin脚，图中各引脚代号之间的关系是：Y≥X≥N≥M≥3。该封装结构中，作为光输入端口及光输出端口的引脚1和引脚2位于封装结构的同一侧。

3、如图7所示，封装结构外围具有Y个引脚，其中引脚1和引脚2分别为硅基单片集成量子密钥分发发送方芯片结构的光输入端口及光输出端口，即引脚1连接内部的第一强度调制器，引脚2连接内部的可调光衰减器的输出端口，其他引脚3-Y为内部光学芯片电极pad引出的pin脚，图中各引脚代号之间的关系是：Y≥X≥N≥M≥3。该封装结构中，作为光输入端口及光输出端口的引脚1和引脚2位于封装结构的相邻两侧。

上述三种封装结构可以满足实际应用场合的不同需求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。