一种基于光开关的发射机编码装置及方法与流程

本申请涉及光通讯技术领域，具体涉及一种基于光开关的发射机编码装置及方法。

背景技术：

量子通讯技术是目前安全性得到严格证明的一种通讯安全技术，已达到实用化、产业化水平。量子通讯是使用量子态产生量子密钥，使用量子密钥对需要传输的数据进行量子加密处理后传输的一种通讯技术。

现有量子通信系统对光的时间及相位进行编码的装置和方案基本情况如图1所示：

激光光源1发出周期性光脉冲，经过mz干涉仪2后，光脉冲在时域上被分成前后两个光脉冲；这两个光脉冲经过强度调制器11后，强度调制器11将前个脉冲或者后个的幅度调制为将近0的水平，即完成时间编码；此后，两个光脉冲依次经过相位调制器12，相位调制器12对其中一个脉冲进行相位调制，即完成相位调制。

以上强度调制器11和相位调制器12可交换顺序，从而在编码上先完成相位调制后完成时间调制，这种方式也可以完成整体的时间相位编码。

现有量子通信系统对光的时间及相位进行编码的装置和方案主要有如下两种：

一种装置如图2所示，该发射机编码装置采用主激光光源21注入锁定编码激光光源22，完成相位调制。主激光光源21注入前进入mz干涉仪2完成相位固定，然后经过环形器23注入编码激光光源22。注入后，通过注入锁定技术将编码激光光源22发出前后两个时序脉冲的相位锁定。相连的两个光脉冲经过环形器23进入相位调制器，将相位调制为π。另外一种时间相位编码的发射机编码装置如图3所示，该装置是采用多个激光光源分别进行相位和时间的调制，其中，第一相位编码激光器31和第二相位编码激光器32发出光脉冲进入mz干涉仪2，完成相位固定；时间编码激光器33发出时间编码的光脉冲；以上两路光脉冲进入合束器34合成一束，完成时间相位编码。

然而若采用图2所示的装置，需要使用注入锁定技术及相位调制器调制。注入锁定本身模型复杂，没有完整的理论支持，相位锁定的效果很难判断，注入锁定所带来的激光光源反射引入的错误率也很难避免。而且主激光光源随着时间的推移，会出现老化现象，导致主激光光源发出的相位编码脉冲前后脉冲间隔变化导致干涉对比度变化，同时光的相位调制就会出现偏差，另外该种发射机编码装置中存在相位调制器，其控制和标定也较为复杂。若采用图3所示的装置，不同激光光源发射出的光存在光谱差异及光脉冲形状差异，从而易因此被攻击。

另外，这两种方案均需要两路光源，分别完成脉冲相位和脉冲时间间隔的控制。而且这两种编码方式，均需要从属激光光源进行时间编码，对于激光光源的要求比较高。

技术实现要素：

本申请提供一种光强度调制的实时维稳装置及方法，以解决现有的方案中的①相位控制器控制和标定复杂；②激光光源老化导致的相位编码脉冲前后脉冲间隔的变化导致的错误率；③注入锁定效果的不明确和由此引入的错误率；④需要两路光源及由此带来的控制复杂度和光源发出的光脉冲难以完全一致的问题。

本申请的第一方面，提供一种基于光开关的发射机编码装置，包括：发出周期性光脉冲的激光光源、光路选择装置、mz干涉仪、光纤延迟线，第一合束器以及第二合束器。

所述光路选择装置用于让所述激光光源发出的光脉冲经过入射端的某一光纤进入光路选择装置后至少四路光路中的一路。

其中第一路光脉冲光路以及第二路光脉冲光路分别与所述mz干涉仪的入射端两臂连接；后输出一路相位调制的光脉冲。

其中第三路光脉冲光路经过一路光纤延迟线后与第四路光脉冲光路连接到第一合束器的两根输入光纤；

所述mz干涉仪的出射端与第一合束器的输出光纤连接到第二合束器的两根输入光纤。

优选地，所述光路选择装置是1xn的高速光开关，其中n≥2，n为正整数。

优选地，所述光路选择装置2为1个1x4高速光开关或3个1x2的高速光开关。

优选地，当所述的光路选择装置2为3个1x2的高速光开关

优选地，其中的1个高速光开关一端与所述激光光源连接，另一端分出的两条光路分别与其余2个高速光开关连接。

优选地，所述光路选择装置2还可以是1个分束器后连接2个1x2的高速光开关。

优选地，其中的所述分束器一端与所述激光光源连接，另一端射出的两条光路分别与2个高速光开关连接。

优选地，这个装置通过编码信号控制的电压控制所述高速光开关的关闭以及导通状态。

本申请的另一方面，提供一种基于光开关的编码方法，应用于输出时间相位编码的光脉冲方案中任意一项所述的基于光开关的发射机编码装置，编码步骤为：

控制所述光路选择装置导通第一路光脉冲光路和/或第二路光脉冲光路，完成相位差固定；

控制所述光路选择装置导通第三路光脉冲光路和/或第四路光脉冲光路，完成时间差的固定。

由以上方案可知，本申请具有以下有益效果：

本方案仅使用单个激光光源，无多激光光源存在的安全漏洞；

本方案无需注入锁定技术，在调制前增加干涉仪，该干涉仪与接收方的干涉仪参数一致(即干涉长度的匹配)，减弱发射方因老化导致波长改变带来的影响，增加了系统的可靠性；本方案器件简单，无相位调制器，且无须使用相位锁定技术，就能够实现单个激光光源对时间以及相位的调制；

激光光源发射周期的脉冲光，其光谱、时域脉冲特性比随机调制的要好多，同时无需在激光光源内完成时间编码，降低了对激光光源的要求；

本方案理解简单，操作方便，无需复杂的光电线路调试过程。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有时间相位发射机编码装置的一般结构图；

图2为现有单编码激光光源的发射机编码装置；

图3为现有多个激光光源的发射机编码装置；

图4为本申请的一种发射机编码装置原理图；

图5为本申请的另外一种发射机编码装置原理图；

图6为本申请的另外一种发射机编码装置原理图；

图7为本申请对应的时间相位编码脉冲示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本申请的第一方面，提供一种基于光开关的发射机编码装置，包括：发出周期性光脉冲的激光光源1、光路选择装置2、mz干涉仪3、光路延迟线4、第一合束器5以及第二合束器6；所述光路选择装置2用于将所述激光光源1发出的光脉冲进入到光路选择装置2后面的至少四路光脉冲光路中的一路；其中第一路光脉冲光路f1以及第二路光脉冲光路f2分别与所述mz干涉仪3的入射端两臂连接；其中第三路光脉冲光路f3经过一路光纤延迟线4后与第四路光脉冲光路f4连接到第一合束器5的两根入射光纤；第一合束器5的输出光纤和mz干涉仪3的出射端的光纤连接到第二合束器6的两根入射光纤。所述激光光源1发出的光脉冲，经过整套装置后，从所述第二合束器6的输出端输出时间相位编码的光脉冲，时间相位编码脉冲参阅图7对应的时间相位编码脉冲示意图.

因此，本申请的发射机编码装置中只含有一个激光光源1，因此无多激光光源存在的安全漏洞。本申请的发射机编码装置包括一个激光光源1、光路选择装置2、mz干涉仪3、光纤延迟线4、第一合束器5、第二合束器6以及必要的起到连接作用的光纤，因此无需注入锁定技术。本申请的发射机编码装置无需在调制前增加干涉仪，该干涉仪与接收方的干涉仪参数一致即干涉长度的匹配，由此减弱了发射方因老化导致波长改变带来的影响，增加了系统的可靠性。本申请的激光光源1发射周期的脉冲光，其光谱、时域脉冲特性比随机调制的要好多，同时无需在激光光源1内完成时间编码，降低了对激光光源1的要求。本申请的发射机编码装置器件简单，无相位调制器，且无须使用相位锁定技术，就能够实现单个激光光源对时间以及相位的调制。

所述光路选择装置2是1xn的高速光开关，其中n≥2，n为正整数。本申请的光路选择装置2可选择多种规格的高速光开关，经过串联和并联的方式组合出所需要的规格。具体而言，所述光路选择装置2可以为为1个1x4的高速光开关或3个1x2的高速光开关中，当所述的光路选择装置2为3个1x2的高速光开关时，其中的1个高速光开关一端与所述激光光源1连接，另一端射出的两条光路分别与其余2个高速光开关的入射端连接。所述光路选择装置2还可以是1个分束器后连接2个1x2的高速光开关；其中的所述分束器一端与所述激光光源连接，另一端射出的两条光路分别与2个高速光开关连接。

上述任意一项的方案中，整套装置通过编码信号控制的电压来控制的所述高速光开关的关闭以及导通状态。因此，本申请的发射机编码装置具有结构简单，操作方便，无需复杂的光电线路调试过程的特点。

【实施例1】

本申请的一种发射机编码装置，如图4所示，光路选择装置2由一个1x4的高速光开关构成，配合一个不等臂mz干涉仪3、两个合束器5、6、一定长度的光脉冲延迟线4，共同完成时间相位编码。该高速光开关出射端的第一光路f1连接到mz干涉仪3的一臂，第二光路f2连接到mz干涉仪3的另一臂，其中mz干涉仪3的两路光路的相位差调整为π。高速光开关射出的第三光路f3连接到一条光学延迟线4的一端，其中光学延迟线4的延迟长度为编码信号要求的mz干涉仪3的臂长差。光学延迟线4的另一端与高速光开关射出的第四光路f4经光纤连接到第一合束器5。然后将mz干涉仪3的输出端和第一合束器5的输出端经光纤连接到第二合束器6的两根输入光纤。整套装置由编码信号控制高速光开光上所加的电压来控制高速光开关的每一路的导通或闭合状态，所述激光光源1发出的光脉冲经过整套装置后，从所述第二合束器6的出射端后，成为经过时间相位编码的光脉冲。需要注意的是，第一光路f1及第二光路f2的总和与第三光路f3及第四光路f4的总和相等，下述实施例也具有此要求，因此下述实施例不在赘述。

激光光源1发出的周期脉冲随机传输到高速光开关的四个输入通道中，如果某时刻激光光源1发出真空态脉冲，则高速光开关的通道全部关闭。如果某时刻激光光源1发出的脉冲为非真空态，经过第一光路f1和第二光路f2的光脉冲经过到mz干涉仪3完成前后脉冲相位差为0和π的调制；进入到第三光路f3和第四光路f4的光脉冲，由于第三光路后光学延迟线4的存在，完成了前后脉冲的时间编码。

【实施例2】

本申请的另一种发射机编码装置，如图5所示。光路选择装置2由三个1x2的高速光开关构成，配合一个不等臂mz干涉仪、两个合束器、一定长度的光脉冲延迟线和若干光纤，共同构成该种时间相位发射机编码装置。激光光源1后连接到第一高速光开关211，在第一高速光开关211的两个出射端分别连接到第二高速光开关212和第三高速光开关213。第二高速光212开关后的第一光路f1连接到mz干涉仪3的一臂，第二高速光开关212后的第二光路f2连接到mz干涉仪3的另一臂，其中mz干涉仪3的两路光路的相位差调整为π。第三高速光开关213后的第三光路f3后连接到一条光学延迟线4的一端，其中光学延迟线4的延迟长度为时间相位编码要求的mz干涉仪3的臂长差。光学延迟线4的另一端和第三高速光开关213后的第四光路f4连接到第一合束器5。然后将mz干涉仪3的输出端和第一合束器5的输出端经光纤连接到第二合束器6的两根输入光纤。整套装置由编码信号控制三个高速光开光上所加的电压来控制每个高速光开关的每一路的导通或闭合状态，所述激光光源1发出的光脉冲经过整套装置后，从所述第二合束器6的出射端后，成为经过时间相位编码的光脉冲。

其编码控制方式与实施例1相同，此处不再赘述。

【实施例3】

本申请的另一种发射机编码装置，如图6所示。光路选择装置由两个1x2的高速光开关和一个分束器构成，配合一个不等臂mz干涉仪、两个合束器，一定长度的光脉冲延迟线和若干光纤，共同构成时间相位发射机编码装置。激光光源1后连接到分束器221，在分束器221后分别连接到第一高速光开关211和第二高速光开关212。第一高速光开关211后的第一光路f1连接到mz干涉仪3的一臂，第一高速光开关211后的第二光路f2连接到mz干涉仪3的另一臂，其中mz干涉仪3的两路光路的相位差调整为π。第二高速光开关212后的第三光路f3后连接到一条光学延迟线4的一端，其中光学延迟线4的延迟长度为时间相位编码要求的mz干涉仪3的臂长差。第三光路f3后的光学延迟线4的另一端和第二高速光开关212后的第四光路f4连接到第一合束器5。然后将mz干涉仪3的输出端和第一合束器5的输出端经光纤连接到第二合束器6的两根输入光纤。整套装置由编码信号控制该两个高速光开光上所加的电压来控制每个高速光开关的每一路的导通或闭合状态，所述激光光源1发出的光脉冲经过整套装置后，从所述第二合束器6的出射端后，成为经过时间相位编码的光脉冲。

其编码控制方式与实施例1相同，此处不再赘述。

本申请的第二方面，提供一种基于光开关的编码方法，应用于输出时间相位编码的光脉冲方案中任意一项所述的基于光开关的发射机编码装置，编码步骤为：控制所述光路选择装置2导通第一路光脉冲光路f1和/或第二路光脉冲光路f2，完成相位编码；控制所述光路选择装置2导通第三路光脉冲光路f3和/或第四路光脉冲光路f4，完成时间差的固定。激光光源1发出的光脉冲经过整套装置后，从所述第二合束器6的出射端后，成为经过时间相位编码的光脉冲。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。