基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统的制作方法

本实用新型涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统。

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。

量子密钥分发技术的前提是制备量子比特。一个量子比特利用的编码空间为2维希尔伯特空间，其常用的编码方式主要有偏振编码以及相位编码。现在常用的相位编码的量子密钥分发方案，多采用传统分立的光学元器件通过光纤熔接等技术搭建而成，传统的相位编码QKD系统如图1所示。其中，相位编码和相位解码装置为不等臂马赫曾德干涉仪(AMZI)，由3dB耦合器、相位调制器、光纤延时线等组成，发送端(Alice)的编码器和接收端(Bob)的解码器要求具有相等的臂长差。因为，发送端和接收端的AMZI臂长差的一致性直接影响到QKD系统的成码率。为了保证QKD的成码率，在实际生产中，通常要求光纤切割的工艺精度达到百微米级甚至更低，这一点往往很难保证。这是制约相位编码QKD实用化和产品化的关键难点。

为了解决这一问题，如图1所示，日本NEC等单位提出利用PLC波导制作不等臂的马赫曾德干涉仪。但是，PLC波导制作的不等臂马赫曾德干涉仪，无法实现高速的相位调制。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统，以解决传统相位编码QKD系统中不等臂MZI干涉仪工艺一致性差，致使QKD系统成码率低的技术问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统，包括依次连接的输入光纤、LiNbO3芯片、PLC芯片及输出光纤，所述LiNbO3芯片包括LiNbO3波导、3dB耦合器及两路高速相位调制器，在LiNbO3芯片的输入端，输入光纤通过LiNbO3波导连接3dB耦合器，所述3dB耦合器的两路输出端分别通过LiNbO3波导连接两路高速相位调制器，在LiNbO3芯片输出端，两路高速相位调制器分别通过LiNbO3波导对应连接第一波导耦合区、第二波导耦合区，所述第一波导耦合区、第二波导耦合区均与PLC芯片连接；

所述PLC芯片包括PLC波导、PLC延时线、定向耦合器；在PLC芯片输入端，两路PLC波导分别通过第一波导耦合区、第二波导耦合区与LiNbO3芯片段的两路LiNbO3波导连接；一路PLC波导连接PLC延时线，另一路PLC波导连接热光调相器；PLC延时线和热光调相器分别连接定向耦合器的两个输入端，定向耦合器的两个输出端连接两路输出光纤。

优选地，所述3dB耦合器为Y型光功率分数器、2x2定向耦合器、多模干涉仪中的任一种。

优选地，所述LiNbO3波导采用质子交换、钛扩散制造工艺。

优选地，所述PLC波导的折射率差为0.5％-2％。

优选地，所述LiNbO3芯片输入和输出端的抛光角度为10-15°。

优选地，所述的PLC芯片输入端的抛光角度为8-15°，输出端的抛光角度为8°。

优选地，所述PLC波导的制造过程为利用化学气相沉积法将材料沉积在硅基芯片上，再利用紫外光刻工艺形成延时波导的掩膜图形，最后利用感应耦合等离子刻蚀工艺将掩膜图形转移到沉积的材料上形成PLC波导。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

1、本实用新型提出的一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统，结合了LiNbO3和PLC两种材料的优势，利用LiNbO3材料制作高速相位调制器，利用PLC波导做低损耗延时，实现了AMZI的芯片级集成，具有损耗小、相位编码速率高、器件成本低、尺寸小，可进行大规模生产等优点。

2、本实用新型提供的一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统，利用半导体工艺保证了AMZI臂长差的一致性，解决了传统相位编码QKD系统光纤切割精度难以保证的问题。

3、本实用新型提供的一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统，其编码和解码AMZI的有两个高速调相器，可以通过数字调制的方式组合实现0，π/2，π，3π/2，4种相位编码，实现高速的相位编码。

4、本实用新型的一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统，由于PLC延时波导传输损耗非常小(约0.1dB)，AMZI的两臂的损耗一样，不需要增加额外的器件或工艺来调整两臂的光功率均衡，同时，在接受端(Bob)的插损较传统系统更小，可以实现更大的传输距离；

5、本实用新型提供的一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统，其编码芯片和解码芯片的结构完全相同，可以实现器件的统一性，节省研发和制造成本。

附图说明

图1为现有技术中相位编码QKD系统示意图；

图2为本实用新型一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统的原理示意图。

图中：10-单光子源，11-3dB耦合器，12-光纤，13-光纤延时线，14-相位调制器，15-3dB耦合器，16-光纤信道，17-3dB耦合器，18-光纤，19-光纤延时线，110-相位调制器，111-3dB耦合器，112-单光子探测器，113-单光子探测器，21-输入光纤，22-LiNbO3波导，23-3dB耦合器，24-第一高速调相器，25-第二高速调相器，26-LiNbO3芯片，27-第一波导耦合区，28-第二波导耦合区，29-热光调相器，210-PLC延时线，211-PLC波导，212-定向耦合器，213-PLC芯片，214-输出光纤。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型进行清楚、完整地描述。

如图2所示，本实用新型的一种基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统，包括依次连接的输入光纤21、LiNbO3芯片26、PLC芯片213以及输出光纤214，所述输出光纤214包括两路，所述的LiNbO3芯片26包括LiNbO3波导22、3dB耦合器23及两路高速相位调制器，该两路为第一高速相位调制器24与第二高速相位调制器25；在LiNbO3芯片26输入端，第一高速相位调制器24与第二高速相位调制器25分别通过LiNbO3波导22对应连接第一波导耦合区27、第二波导耦合区28，所述第一波导耦合区27、第二波导耦合区28均与PLC芯片213连接；

所述PLC芯片213包括PLC波导211、PLC延时线210、定向耦合器212；在PLC芯片213输入端，两路PLC波导211分别通过第一波导耦合区27、第二波导耦合区28与LiNbO3芯片26段的两路LiNbO3波导22连接；一路PLC波导211连接PLC延时线210，另一路PLC波导211连接热光调相器29；PLC延时线210和热光调相器29分别连接定向耦合器212的两个输入端，定向耦合器212的两个输出端连接两路输出光纤214。

LiNbO3芯片26、PLC芯片213通过波导耦合区连接，所述的波导耦合区内部将LiNbO3波导22与PLC波导211通过高精度对准工艺耦合对准。

所述的输入光纤21，其作用是将量子光信号耦合到PLC和LiNbO3的混合集成型量子相位编码或解码芯片。

所述LiNbO3芯片26和所述PLC芯片213，组成具有高速相位编码或解码功能的AMZI，其编码时使AMZI两臂实现0，π/2，π，3π/2中的某一特定相位差，解码时实现0，π/2中的某一特定相位差。

所述的两路输出光纤214，当作为芯片执行编码功能时，输出光纤214的某一路连接到光纤信道；当作为芯片执行解码功能时，两路输出光纤214分别连接两个单光子探测器。

所述的3dB耦合器23，设计成Y型光功率分束器，将输入光分成两束相同强度的光并分别耦合到第一高速相位调制器24与第二高速相位调制器25。

所述的第一高速相位调制器24与第二高速相位调制器25，分别实现0、π/2和0、π相位调制。这种实现方式可以降低高速调相器对驱动电压的要求。

所述的第一波导耦合区27、第二波导耦合区28，实现LiNbO3芯片26和PLC芯片213的光学耦合连接。

所述的PLC延时线210，实现光脉冲信号的延时。

所述的热光调相器29，实现AMZI的初始相位偏置和反馈调节。

所述的定向耦合器212，实现AMZI的两臂的合束。

所述的LiNbO3芯片26输入和输出端的抛光角度为10°。

所述的PLC芯片213输入端的抛光角度为15°，输出端的抛光角度为8°。

所述的LiNbO3波导22的制造工艺为质子交换。

所述的PLC波导211的折射率差为0.75％。

PLC和LiNbO3的混合集成型量子相位编码芯片的工作过程为：单光子源产生的光子信号通过输入光纤21耦合到相位编码芯片，调节热光调相器将AMZI的初相位差调制为π相位，利用第一高速相位调制器24与第二高速相位调制器25组合随机加载4种不同相位差(0，π/2，π，3π/2)，实现输出4种不同的相位态，并通过输出光纤214或215的任一路输出到光纤信道。其中0，π为一组正交基，π/2，3π/2为另一组正交基。相位编码过程如表1所示。

PLC和LiNbO3的混合集成型量子相位解码芯片的工作过程为：光纤信道中的光子信号通过输入光纤21耦合到相位解码芯片，调节热光调相器将AMZI的初相位差调制为0相位，利用第一高速相位调制器24与第二高速相位调制器25组合的某一个随机加载2种不同相位差(0，π/2)，实现2种不同的测量基相位态。解码后的光信号通过两路输出光纤214输出耦合到两个单光子探测器。相位解码过程如表2所示。

表1相位编码示例

表2相位解码示例

综合本实用新型的结构与原理可知，本实用新型的基于PLC和LiNbO3的混合集成量子相位编码与解码系统，结合LiNbO3和PLC两种材料的优势，利用LiNbO3材料制作高速相位调制器，利用PLC波导做低损耗延时，实现了AMZI的芯片级集成，实现高速相位编码。