一种用于时间BB84协议的片上解码器及解码方法与流程

本发明涉及量子通信与集成光学技术领域，尤其涉及一种用于时间bb84协议的片上解码器及解码方法。

背景技术：

目前公认的量子密钥分发装置主要是基于传统的分立光学棱镜或光纤器件，体积大，难以集成，成本高，不利于大规模的商业化。随着硅基光子学的发展，分立光学器件的功能逐渐可在片上实现，从而方便集成，同时利用成熟的硅器件加工平台，可以实现大规模低成本的量产。于是人们开始尝试将量子密钥分发装置所需的器件和子系统集成在片上。对于时间bb84协议量子密钥分发，其解调端的设置一般与发射端所制备的量子态所对应，即解调端的探测基与发射端的制备基一致，无法对不同制备基的bb84协议进行解调；同时，由于一般系统中的色散、温度抖动、干涉环不稳定等效应会不可避免的导致相位漂移，因此传统方案需要在量子密钥分发系统中加入恒温、减震措施并对系统参数做实时监控以减少相位漂移，这会导致额外成本以及码率牺牲。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本发明提供了一种用于时间bb84协议的片上解码器及解码方法，用于解决传统方案中分立元件体积大、成本高以及现有技术中无法对不同制备基下时间bb84协议进行解调、无法实现片上相位补偿等问题。

(二)技术方案

第一方面，本发明提供了一种用于时间bb84协议的片上解码器，包括：输入波导100，用于输入待解码信号光；

1×2光分束器200，包括第一光分束器201、第二光分束器202以及第三光分束器203，其中，第一光分束器201将待解码信号光分成等强度的两束并分别发送至第二光分束器202以及第三光分束器203，之后第二光分束器202和第三光分束器203进一步将接收到的信号光分别分成等强度的两束信号光；

光延时线300，设于第一光分束器201和第二光分束器202之间，用于将第一光分束器201发送至第二光分束器202信号光进行延时；

可调光衰减器400，设于第一光分束器201和第三光分束器203之间，用于使第一光分束器201发送至第三光分束器203信号光的光强与光延时线300延时后的信号光的光强一致；

相位偏置调制器500，包括第一相位偏置调制器501、第二相位偏置调制器502、第三相位偏置调制器503以及第四相位偏置调制器504，用于调节输入信号光的相位；

2×2干涉耦合器600，包括第一干涉耦合器601、第二干涉耦合器602、第三干涉耦合器603以及第四干涉耦合器604，分别用于对接收到的信号光进行厄米运算，其中，第一干涉耦合器601和第二干涉耦合器602分别设于第二光分束器202和第三光分束器203后，第二光分束器202发出的两束信号光中其中一束通过第一相位偏置调制器501发送至第一干涉耦合器601，另一束发送至第二干涉耦合器602，第三光分束器203发出的两束信号光中其中一束通过第二相位偏置调制器502发送至第二干涉耦合器602，另一束发送至第一干涉耦合器601；第三干涉耦合器603设于第一干涉耦合器601后，用于接收第一干涉耦合器601发送的两束信号光，其中一束信号光经第三相位偏置调制器503调制后发送至第三干涉耦合器603，第四干涉耦合器604设于第二干涉耦合器602后，用于接收第二干涉耦合器602发送的两束信号光，其中一束信号光经第四相位偏置调制器504调制后发送至第四干涉耦合器604；

输出波导700，包括第一输出波导701、第二输出波导702、第三输出波导703及第四输出波导704，其中，第一输出波导701和第二输出波导702用于输出第三干涉耦合器603厄米运算后的信号光，第三输出波导703和第四输出波导704用于输出第四干涉耦合器604厄米运算后的信号光。

可选地，输入波导100、1×2光分束器200、光延时线300、可调光衰减器400、相位偏置调制器500、2×2干涉耦合器600以及输出波导700的材料为硅材料，采用与微电子工艺兼容的工艺加工而成。

可选地，输入波导100和输出波导700采用横电场模基模传输。

可选地，1×2光分束器200采用1×2多模干涉耦合器(1×2mmi)；2×2干涉耦合器600采用2×2多模干涉耦合器(2×2mmi)。

可选地，相位偏置调制器500采用热光调谐相位调制器。

可选地，光延时线300采用波导环绕结构，以通过延长波导长度使信号光产生延时。

可选地，光延时线300的时间延时与时间bb84协议的编码器所编码量子态中的两个脉冲的时间延时相同。

可选地，可调光衰减器400采用热光调谐马赫-增德尔干涉结构。

本发明另一方面提供一种解码方法，包括：

s1，通过输入波导100输入待解码信号光，其中待解码信号光为时间bb84协议所编码的量子态信号光，其为具有一定时间间隔的双脉冲态；

s2，第一光分束器201接收待解码信号光并分成等强度的两束信号光分别通过光延时线300和可调光衰减器400发送至第二光分束器202和第三光分束器203，光延时线300使得发送至第二光分束器202的信号光中的第一个脉冲和发送至第三光分束器203的另一束信号光中的第二个脉冲实现相干时间的重叠，可调光衰减器400使得两束信号光在到达第二光分束器202和第三光分束器203前的强度一致；

s3，调节相位偏置调制器500的相位并利用2×2干涉耦合器600对接收到的信号光进行厄米运算以得到满足时间bb84协议解码要求的信号光，并通过输出波导700输出。

(三)有益效果

本发明提供了一种用于时间bb84协议的片上解码器及解码方法，整个器件采用与微电子工艺兼容的工艺加工而成，可以实现集成化、低成本的大规模量产。器件内部利用硅材料的的热光效应来实现大范围的片上相位偏置调控，在此基础上结合其它的逻辑器件，通过相位调试，实现了对不同制备基下的时间bb84量子密钥分发协议的解调功能；同时，对于量子态信号光在光纤信道和干涉环路中的相位漂移，该解码器可以通过相应调控进行片上补偿来实现精确被动解调，减少了片外补偿措施导致的额外成本和码率牺牲。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例的用于时间bb84协议的片上解码器结构以及外接探测器的示意图；

图2示意性示出了本公开实施例的用于时间bb84协议的解码方法流程图；

图3示意性示出了本公开实施例的时间bb84协议的量子态的组成示意图以及其在二维希尔伯特空间中的方位示意图；

图4示意性示出了本公开实施例的满足bb84协议的四种量子态在二维希尔伯特空间中的方位示意图以及三种典型的bb84协议的量子态示意图；

图5示意性示出了本公开实施例的用于时间bb84协议的片上解码器在工作状态下的量子态信号光演化图；

图6示意性示出了本公开实施例的用于时间bb84协议的解码方法下输出波导处的解码信号光图。

【附图标记】

100-输入波导

200—1×2光分束器

201-第一光分束器202-第二光分束器

203-第三光分束器

300-光延时线

400-可调光衰减器

500-相位偏置调制器

501-第一相位偏置调制器502-第二相位偏置调制器

503-第三相位偏置调制器504-第四相位偏置调制器

600-2×2干涉耦合器

601-第一干涉耦合器602-第二干涉耦合器

603-第三干涉耦合器604-第四干涉耦合器

700-输出波导

701-第一输出波导702-第二输出波导

703-第三输出波导704-第四输出波导

800-探测器

801-第一外部探测器802-第二外部探测器

803-第三外部探测器804-第四外部探测器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

第一方面，本发明提供了一种用于时间bb84协议的片上解码器，参见图1，包括：

输入波导100，用于输入待解码信号光。

具体的，输入波导100，用于输入待解码信号光，本发明实施例中，信号光是时间bb84协议所发送的量子态信号光。

1×2光分束器200，包括第一光分束器201、第二光分束器202以及第三光分束器203，用于将输入的信号光分束为两束等强度的信号光。

具体的，本发明实施例的解码器中，第一光分束器201、第二光分束器202以及第三光分束器203采用1×2多模干涉耦合器(1×2mmi)，第一光分束器201将待解码信号光分成等强度的两束并分别发送至第二光分束器202以及第三光分束器203，之后第二光分束器202和第三光分束器203进一步将接收到的信号光分别分成等强度的两束信号光。

光延时线300，设于第一光分束器201和第二光分束器202之间，用于将第一光分束器201发送至第二光分束器202信号光进行延时。

具体的，本发明实施例的解码器中，光延时线300采用波导环绕结构，通过延长波导长度使信号光产生延时，其时间延时与时间bb84协议的编码器所编码量子态中的两个脉冲的时间延时相同，使得发送至第二光分束器202的信号光中的第一个脉冲和发送至第三光分束器203的另一束信号光中的第二个脉冲实现相干时间的重叠。

可调光衰减器400，用于衰减输入信号光的强度。

具体的，本发明实施例的解码器中，可调光衰减器400采用热光调谐马赫-增德尔干涉结构，设于第一光分束器201和第三光分束器203之间，使得第一光分束器201发送至第三光分束器203信号光的光强与光延时线300延时后的信号光的光强一致。

相位偏置调制器500，包括第一相位偏置调制器501、第二相位偏置调制器502、第三相位偏置调制器503以及第四相位偏置调制器504，用于调节输入信号光的相位。

具体的，本发明实施例的解码器中，第一相位偏置调制器501、第二相位偏置调制器502、第三相位偏置调制器503以及第四相位偏置调制器504采用热光调谐相位调制器，第一相位偏置调制器501用于对第二光分束器202分束的两束信号光中的一束信号光进行相位调节，第二相位偏置调制器502对第二光分束器203分束的两束信号光中的一束信号光进行相位调节，第三相位偏置调制器503用于对2×2干涉耦合器601输出的两束信号光中的一束信号光进行相位调节，第四相位偏置调制器504对2×2干涉耦合器602输出的两束信号光中的一束信号光进行相位调节。

2×2干涉耦合器600，包括第一干涉耦合器601、第二干涉耦合器602、第三干涉耦合器603以及第四干涉耦合器604，分别用于对接收到的信号光进行厄米运算。

具体的，本发明实施例的解码器中，第一干涉耦合器601、第二干涉耦合器602、第三干涉耦合器603及第四干涉耦合器604采用2×2多模干涉耦合器(2×2mmi)，第一干涉耦合器601和第二干涉耦合器602分别设于第二光分束器202和第三光分束器203后，第二光分束器202发出的两束信号光中其中一束通过第一相位偏置调制器501发送至第一干涉耦合器601，另一束发送至第二干涉耦合器602，第三光分束器203发出的两束信号光中其中一束通过第二相位偏置调制器502发送至第二干涉耦合器602，另一束发送至第一干涉耦合器601；第三干涉耦合器603设于第一干涉耦合器601后，用于接收第一干涉耦合器601发送的两束信号光，其中一束信号光经第三相位偏置调制器503调制后发送至第三干涉耦合器603，第四干涉耦合器604设于第二干涉耦合器602后，用于接收第二干涉耦合器602发送的两束信号光，其中一束信号光经第四相位偏置调制器504调制后发送至第四干涉耦合器604。

输出波导700，包括第一输出波导701、第二输出波导702、第三输出波导703及第四输出波导704。

具体的，第一输出波导701和第二输出波导702用于输出第三干涉耦合器603厄米运算后的信号光，第三输出波导703和第四输出波导704用于输出第四干涉耦合器604厄米运算后的信号光。

在本发明实施例的解码器中，输入波导100、1×2光分束器200、光延时线300、可调光衰减器400、相位偏置调制器500、2×2干涉耦合器600及输出波导700材料为硅材料，即该解码器制作在硅衬底上采用与一般微电子工艺兼容的工艺加工而成。输入波导100和输出波导700均采用横电场模基模传输。

输出波导700后接外部探测器800，具体的第一输出波导701后接第一外部探测器801、第二输出波导702后接第二外部探测器802、第三输出波导703后接第三外部探测器803，第四输出波导704后接第四外部探测器804。

第二方面，本发明实施例还提供一种用于时间bb84协议的解码方法，可对不同制备基下的时间bb84协议进行被动解调，下面以对不同制备基下的时间bb84协议进行被动解调为例，对该解调方法进行详细介绍。参见图2，该方法包括：

s1，将待解码信号光输入波导100，其中待解码信号光为时间bb84协议所发送的量子态信号光；

具体的，时间bb84协议所发送的量子态信号光由两个相邻脉冲组成，其基本结构和其在二维希尔伯特空间中的方位如图3所示，对于在二维希尔伯特空间中坐标为(θ，φ)的量子态其代表第一个脉冲强度为cos²(θ/2)、第二个脉冲强度为sin²(θ/2)，且第二个脉冲相对于第一个脉冲的相位差为φ，使用量子力学算符表示如下：

在二维希尔伯特空间中与(θ，φ)量子态正交的量子态是其关于球心的对称点(π-θ，φ+π)，使用量子力学算符表示如下：

对于时间bb84协议，其要求编码端制备两组不同的量子态信号光，如图4所示，每组内两个量子态相互正交，即与正交、与正交，两组量子态之间不正交。在二维希尔伯特空间中这四个量子态信号光显示为过球心圆上的四等分点，因此对应本发明实施例所公开的解码器，输入波导100的四种量子态信号光可以表示为：

s2，第一光分束器201接收待解码信号光并分成等强度的两束信号光分别通过光延时线300和可调光衰减器400发送至第二光分束器202和第三光分束器203，光延时线300使得发送至第二光分束器202的信号光中的第一个脉冲和发送至第三光分束器203的另一束信号光中的第二个脉冲实现相干时间的重叠，可调光衰减器400使得两束信号光在到达第二光分束器202和第三光分束器203前的强度一致；

具体的，如图5所示，第一光分束器201接收输入波导100输入的量子态信号光，并将其分成两束等强度信号光分别通过光延时线300和可调光衰减器400发送至第二光分束器202和第三光分束器203。设置可调光衰减器400的衰减量和光延时线300所带来的衰减量一致，使得两束信号光在到达第二光分束器202以及第三光分束器203前的强度一致；设置光延时线300的时间延时与时间bb84协议的编码器所编码量子态中的两个脉冲的时间延时相同，使得发送至第二光分束器202的信号光中的第一个脉冲和发送至第三光分束器203的另一束信号光中的第二个脉冲实现相干时间的重叠。至此，在探测时间点上，输入波导100内量子态信号光第一个脉冲的信息转移至了光分束器202的输入端、第二个脉冲的信息转移至了光分束器203的输入端；

s3，调节相位偏置调制器500的相位并利用2×2干涉耦合器600对接收到的信号光进行厄米运算以得到满足时间bb84协议解码要求的信号光，并通过输出波导700中输出。

对于时间bb84协议，其被动解码器需要实现两种等概率的不同解调，第一种解调可以对编码端制备的第一组量子态信号光作准确响应，而对第二组量子态信号光作随机响应；第二种解调可以对编码端制备的第二组量子态信号光作准确响应，而对第一组量子态信号光作随机响应。而本发明实施例所公开的解码器可对满足时间bb84协议的任意四种量子态信号光(如步骤s1中所述)进行被动解调。

具体的，本发明实施例所公开的解码器中，第一光分束器201接收输入波导100输入的量子态信号光并将其分成两束等强度信号光，分别通过光延时线300和可调光衰减器400发送至第二光分束器202和第三光分束器203，进一步分成了四束等强度信号光(如图5所示)。第二光分束器202和第三光分束器203均包括一上输出端和下输出端，第二光分束器202的上输出端和第三光分束器203的上输出端的信号光共同进入第一组解调组件a(如图1中的实线框所示)，第二光分束器202的下输出端和第三光分束器203的下输出端的信号光共同进入第二组解调组件b(如图1中的实线框所示)，由于第二光分束器202和第三光分束器203均将输入信号光分为强度相等的两束信号光，因此两组不同解调组件的解调概率相同。其中，第一组解调组件a和第二组解调组件b均包括两相位偏置调制器500以及两2×2干涉耦合器600。

对于第一组解调组件a，如图1和图5所示，在探测时间点上，量子态信号光第一个脉冲和第二个脉冲的信息分别转移至了第一耦合器601的两个输入端，设定第一调制器501和第三调制器503的相位分别为和其组件内各元件的等效厄米运算及联合厄米运算l1为：

在l1的操作下得出：

以上得出，输出波导701、702处的信号光如图6所示，即在探测时间点上，量子态会在如图1所示的第一外部探测器801处准确响应，量子态会在第二外部探测器802处准确响应，同时由于四种量子态以及为过球心圆上的四等分点，因此第一外部探测器801以及第二外部探测器802对于量子态和的响应是随机的。

同理，对于第二组解调组件b，在探测时间点上，量子态信号光第一个脉冲和第二个脉冲的信息分别转移至了第一耦合器602的两个输入端，设定第二调制器502和第四调制器504的相位分别为和时，输出波导703、704处的信号光如图6所示，可使得在探测时间点上，量子态在第三外部探测器803处准确响应，量子态在第四外部探测器804处准确响应，并且第三外部探测器803和第四外部探测器804对于量子态和的响应是随机的。

综上可知，以上设置下四个探测器的结果完全满足当前时间bb84协议的解码需要，即实现了对满足时间bb84协议的任意四种量子态进行被动解调的功能。

更一般的，三种典型的时间bb84协议的量子态如图4所示，其包括：

时间bb84协议1：编码端制备|0>，|1>，|+>以及|->四种量子态；

时间bb84协议2：编码端制备|0>，|1>，|+i>以及|—i>四种量子态；

时间bb84协议3：编码端制备|+>，|->，|+i>以及|—i>四种量子态；

本发明实施例公开的解码器对上述3种典型的时间bb84协议的解码设置见下表1：

表1

另外，当量子态信号由于信道传输或干涉环路偏差产生了相位漂移时(即前后两个脉冲间的相位发生了变化时)，本发明实施例所公开的解码器可以通过相应调控进行片上补偿来实现精确的被动解调。

当量子态以及产生相位偏移时：

只需要对第一调制器501和第二调制器502做相应调整：

便可对量子态进行片上相位补偿，重新实现精确被动解调，减少了片外补偿措施导致的额外成本和码率牺牲。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。