一种基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统的制作方法

本发明涉及光传输安全通信技术领域，特别涉及一种基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统。

背景技术：

量子信息技术起源于上世纪80年代，主要分为量子通信和量子计算两大研究方向。随着科学技术的不断进步，基于经典信息的加密技术由于其底层基本原理的局限性，存在着固有的安全隐患。量子保密通信因为量子力学的基本定律，具有物理上的无条件的安全性。因此，量子密钥分发技术(Quantum Key Distribution，QKD)的应用越来越广泛。QKD系统常用的编码方式主要有偏振编码和相位编码。基于光的偏振特性的量子密钥分配系统(QKD)是当前很常用且在不断改进创新的量子密码系统。

BB84协议常用的偏振编码的4种偏振态为其中，直角基矢|H/V〉下的两个态相互正交，斜对角基矢|+/-〉下的两个态也相互正交，而两个基矢之间的量子态不正交。一种经典的偏振调制QKD系统的具体物理实现如图1所示。系统包括发送端Alice、接收端Bob及两者之间的光纤信道，由单光子源、偏振控制器、偏振分束器、3dB耦合器、单光子探测器组成。在发送端，BB84协议所需的2组基矢4个偏振态中每个态都使用独立的一个单光子源通过偏振控制器生成，并经过偏振分束器、3dB耦合器等耦合到同一路光纤中，之后通过量子信道传输到接收端。接收端通过分束器分成两路，每一路通过一个偏振控制器将测量基矢调节为|H/V〉基矢和|+/-〉基矢，再经过偏振分束器进行偏振分析，之后在单光子探测器上进行探测。

这种基于光的偏振特性的QKD系统由传统分立的光学元器件搭建而成，系统复杂，其发送端Alice需要4个或8个单光子源，其接收端Bob需要4个单光子探测器。单光子源和单光子探测器是QKD系统中成本较高的部分，因此基于偏振编码的QKD系统具有体积大、成本高、系统稳定性不足等缺点。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统与编码方法，以解决现有偏振编码的QKD系统因单光子源和单光子探测器应用数量较多导致的体积大、成本高、系统稳定性不足的技术性缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统，包括发射端以及接收端，所述发射端包括依次连接的连续光激光器、强度调制器、第一可调偏振旋转器和光衰减器，所述接收端包括第二可调偏振旋转器、3dB耦合器、TE偏振光栅耦合器、TM偏振光栅耦合器、以及分别与TE偏振光栅耦合器和TM偏振光栅耦合器连接的两路单光子探测器，所述第二可调偏振旋转器连接3dB耦合器，所述3dB耦合器的输出端分两路分别连接TE偏振光栅耦合器和TM光栅耦合器，TE偏振光栅耦合器和TM光栅耦合器分别连接一路单光子探测器，所述强度调制器与第一可调偏振旋转器、第二可调偏振旋转器利用硅光子集成技术制作在同一个SOI芯片上。

优选地，所述强度调制器为硅基光波导型调制器，包括但不限于MZ光调制器、微环光调制器、锗吸收光调制器中的一种。

优选地，所述强度调制器的掺杂结构包括但不限于pin型掺杂、反向pn型掺杂、MOS结构掺杂中一种。

优选地，所述光衰减器为硅基光波导型光衰减器。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明的基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统，将强度调制器与可调偏振旋转器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上，系统具有成本低、体积小、集成度高、稳定性好等优点，另外，利用强度调制器、可调偏振旋转器、3dB耦合器以及TE偏振光栅耦合器、TM偏振光栅耦合器，实现了QKD系统的偏振编/解码，具有系统简单，编/解码速度高、可靠性高等优点；

2、本发明的基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统，其发射端Alice，只需要1个单光子源，相对于传统的偏振编码QKD系统的4或8个单光子源，大大降低了成本和系统复杂度；

3、本发明的基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统，其接收端Bob相对于传统的偏振编码QKD系统，利用了2个单光子探测器代替4个单光子探测器实现了信号的接收，降低了系统的成本和复杂度。

附图说明

图1为现有技术中的QKD系统原理框图；

图2为本发明基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统的原理框图。

图中：发射端100，连续光激光器110，强度调制器120，第一可调偏振旋转器130，光衰减器140，接收端200，第二可调偏振旋转器210，3dB耦合器220，TE偏振光栅耦合器231，TM偏振光栅耦合器232，单光子探测器240。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图2所示，一种基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统，包括发射端100以及接收端200，所述发射端100包括依次连接的连续光激光器110、强度调制器120、第一可调偏振旋转器130和光衰减器140，所述接收端200包括第二可调偏振旋转器210、3dB耦合器220、TE偏振光栅耦合器231、TM偏振光栅耦合器232、两路单光子探测器240，所述第二可调偏振旋转器210连接3dB耦合器220，所述3dB耦合器220的输出端分两路分别连接TE偏振光栅耦合器231和TM偏振光栅耦合器232，TE偏振光栅耦合器231和TM偏振光栅耦合器232分别连接一路单光子探测器240，所述强度调制器120与第一可调偏振旋转器130、第二可调偏振旋转器210利用硅光子集成技术制作在同一个SOI芯片上。所述连续光激光器110为QKD系统提供激光光源，产生连续光，一般为DFB型半导体激光器。所述强度调制器120对连续光激光器110发出的连续光进行调制，产生光脉冲。所述第一可调偏振旋转器130，通过调节脉冲光的偏振方向对单光子脉冲进行偏振编码。所述光衰减器140将编码后的脉冲光衰减到单光子量级，并耦合到光纤信道中。光衰减器140也利用硅光子集成技术制作在上述的SOI芯片上。

所述的强度调制器120为硅基光波导型调制器，包括但不限于MZ光调制器、微环光调制器、锗吸收光调制器。强度调制器120的掺杂结构包括但不限于pin型掺杂、反向pn型掺杂、MOS结构掺杂。所述第一可调偏振旋转器130、第二可调偏振旋转器210的设计和制作基于硅基光波导技术和半导体工艺，可实现波导中任意线偏振态向任意线偏振态的动态可调转换；第一可调偏振旋转器130、第二可调偏振旋转器210的可调性利用硅波导的热光效应或者电光效应，通过改变偏振旋转器的偏压改变波导中光的偏振方向，调节过程简单。光衰减器140为硅基光波导型光衰减器，一般基于硅的MZ干涉仪设计制作。

所述的第二可调偏振旋转器210的作用是调节不同的测量基。所述3dB耦合器220将接收到的光子分成相同的两路。一路TE偏振光栅耦合器231将光波导中水平偏振态0°的光耦合到光纤中，并传送到对应的一个单光子探测器240。该TM偏振光栅耦合器232将光波导中水平偏振态90°的光耦合到光纤中，并传送到另一个单光子探测器240。两路单光子探测器240对解码器解调后的信号进行探测。

根据上述本发明基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统结构原理，提供了一具体的编、解码实例：

具体的编码过程示例：根据BB84协议中，采用了单光子的4个偏振态：水平偏振态0°，垂直偏振态90°，+45°偏振态，-45°偏振态，其中，0°，90°为一组相互正交的两个量子态，构成一组水平垂直基，设定为基矢0；±45°为另一组相互正交的量子态，构成斜对角基基矢1。在发送端(Alice)，可利用可调偏振旋转器将光脉冲分别调制到，水平偏振态0°，垂直偏振态90°，+45°偏振态，-45°偏振态；发送的时候Alice根据随机数据来在对应的偏振态集合中随机选择一个态来制备并发送，偏振编码示例如表1所示。

表1偏振编码示例

偏振解码是偏振编码的逆过程，具体的偏振解码过程示例：将第二可调偏振旋转器设置为旋转0°，若信号光为水平偏振态0°的光，则信号光通过TE偏振光栅耦合器耦合到单光子探测器1进行光探测，单光子探测器2探测不到光；若信号光为水平偏振态90°的光，则信号光通过TM偏振光栅耦合器耦合到单光子探测器2进行光探测，单光子探测器1探测不到光；若信号光为+45°偏振态或-45°偏振态的光，则单光子探测器1和单光子探测器2均能探测到光。将第二可调偏振旋转器设置为旋转-45°，若信号光为水平偏振态+45°的光，则信号光通过TE偏振光栅耦合器耦合到单光子探测器1进行光探测，单光子探测器2探测不到光；若信号光为水平偏振态-45°的光，则信号光通过TM偏振光栅耦合器耦合到单光子探测器2进行光探测，单光子探测器1探测不到光；若信号光为0°偏振态或90°偏振态的光，则单光子探测器1和单光子探测器2均能探测到光。可以将第二可调偏振旋转器设置为旋转0°和90°，分别看做是水平垂直基和斜对角基的测量基矢。偏振解码过程如图2、表2所示。

表2偏振解码示例

综合本发明的系统结构与原理可知，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统，将强度调制器与可调偏振旋转器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上，系统具有成本低、体积小、集成度高、稳定性好等优点，另外，利用强度调制器、可调偏振旋转器、3dB耦合器以及TE偏振光栅耦合器、TM偏振光栅耦合器，实现了QKD系统的偏振编/解码，具有系统简单，编/解码速度高、可靠性高等优点；

2、本发明的基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统，其发射端Alice，只需要1个单光子源，相对于传统的偏振编码QKD系统的4或8个单光子源，大大降低了成本和系统复杂度；

3、本发明的基于硅基可调偏振旋转器的QKD系统，其接收端Bob相对于传统的偏振编码QKD系统，利用了2个单光子探测器代替4个单光子探测器实现了信号的接收，降低了系统的成本和复杂度。