一种用于偏振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：
，尤其涉及一种用于偏振bb84协议的片上解码器及解码方法。
背景技术：
：量子密码是量子力学和密码学相结合的产物，它解决了经典密码体制的密钥分配的难题。其利用量子力学基本原理——测不准原理和单量子态不可克隆定理，保证了在密钥分配过程中，公开信道中的数据不必担心被窃听。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。对于偏振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偏振态所对应，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偏振bb84协议进行解调。同时由于一般光纤信道中的双折射效应会导致偏振失衡，因此，传统方案需要在qkd系统解调端前加入偏振控制器以做偏振补偿，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偏振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偏振bb84协议进行解调、无法实现片上偏振补偿等问题。(二)技术方案第一方面，本发明提供了一种用于偏振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；偏振分束旋转器200，用于将待解码信号光分解并旋转为偏振方向相同的两束信号光；相位偏置调制器300，包括第一相位偏置调制器301、第二相位偏置调制器302及第三相位偏置调制器303，用于调节其接收的信号光的相位，其中，第一相位偏置调制器301用于对偏振分束旋转器200输出的两束偏振方向相同的信号光中的一束信号光进行相位调节；2×2干涉耦合器400，包括第一干涉耦合器401、第二干涉耦合器402及第三干涉耦合器403，用于对接收的信号光做厄米运算，其中，第一干涉耦合器401用于对第一相位偏置调制器301相位调节后的信号光及偏振分束旋转器200输出的两束偏振方向相同信号光中的另一束信号光做厄米运算，将运算后的一束信号光经过第二相位偏置调制器302进行相位调节后传输至第二干涉耦合器402，将运算后的另一束信号光直接传输至第二干涉耦合器402，第二干涉耦合器402对其接收的两束信号光做厄米运算；1×2光分束器500，包括第一光分束器501及第二光分束器502，用于将接收到的信号光分成等强度的两束信号光，其中，第一光分束器501接收第二干涉耦合器402厄米运算后的一束信号光并分成等强度的两束信号光，第二光分束器502接收第二干涉耦合器402厄米运算后的另一束信号光并分成等强度的两束信号光；输出波导600，包括第一输出波导601、第二输出波导602、第三输出波导603及第四输出波导604，其中，第一输出波导601用于输出第一光分束器501分束的两束信号光中的一束信号光，第四输出波导604用于输出第二光分束器502分束的两束信号光中的一束信号光，第一光分束器501分束的两束信号光中的另一束信号光经第三相位偏置调制器303进行相位调节后输出至第三干涉耦合器403，第二光分束器502分束的两束信号光中的另一束信号光直接输出至第三干涉耦合器403，第三干涉耦合器403对其接收的两束信号光进行厄米运算，经第二输出波导602及第三输出波导603输出。可选地，输入波导100、偏振分束旋转器200、相位偏置调制器300、2×2干涉耦合器400、1×2光分束器500及输出波导600的材料为硅材料，采用与微电子工艺兼容的工艺加工，实现片上集成。可选地，偏振分束旋转器200采用绝热非对称定向耦合器，其一侧具有一个输入端口，另一侧具有两个输出端口，输入端口接收待解码信号光，先将待解码信号光分解为偏振方向正交的两束信号光，再将偏振方向正交的两束信号光中的一束信号光的偏振方向旋转至与另一束信号光的偏振方向相同，得到偏振方向相同的两束信号光。可选地，相位偏置调制器300采用热光调谐相位调制器。可选地，2×2干涉耦合器400采用2×2多模干涉耦合器；1×2光分束器500采用1×2多模干涉耦合器。可选地，输入波导100采用横电场模基模及横磁场模基模传输，输出波导600采用横电场模基模传输。可选地，片上解码器可对满足偏振bb84协议的任意两组非正交基下的四种偏振量子态进行解码。可选地，通过调节第一相位偏置调制器301、第二相位偏置调制器302及第三相位偏置调制器303，可对输入波导100输入的信号光进行偏振补偿。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，其中该待解码信号光为偏振bb84协议所发送的量子态信号光；s2，通过偏振分束旋转器200将待解码信号光分解并旋转为偏振方向相同的两束信号光；s3，通过相位偏置调制器300对接收的信号光的相位进行调节，并利用2×2干涉耦合器400对相位调节后的信号光进行厄米运算，以得到满足偏振bb84协议解码要求的解码信号光，并通过输出波导600输出。可选地，s3包括：将偏振分束旋转器200输出的两束偏振方向相同的信号光中的一束信号光通过第一相位偏置调制器301进行相位调节后输入第一干涉耦合器401，将另一束信号光直接输入第一干涉耦合器401，第一干涉耦合器401对其输入的信号光做厄米运算；将第一干涉耦合器401厄米运算后的一束信号光通过第二相位偏置调制器302进行相位调节后输入第二干涉耦合器402，将另一束信号光直接输入第二干涉耦合器402，第二干涉耦合器402对其输入的信号光做厄米运算；第一光分束器501接收第二干涉耦合器402厄米运算后的一束信号光并分成等强度的两束信号光，第二光分束器502接收第二干涉耦合器402厄米运算后的另一束信号光并分成等强度的两束信号光；通过第一输出波导601输出第一光分束器501分束的两束信号光中的一束信号光，通过第四输出波导604输出第二光分束器502分束的两束信号光中的一束信号光；将第一光分束器501分束的两束信号光中的另一束信号光经第三相位偏置调制器303进行相位调节后输出至第三干涉耦合器403，将第二光分束器502分束的两束信号光中的另一束信号光直接输出至第三干涉耦合器403，第三干涉耦合器403对其接收的两束信号光进行厄米运算，并通过第二输出波导602及第三输出波导603输出。(三)有益效果本发明提供了一种用于偏振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偏振bb84协议的解调功能；同时，对于量子态信号光在信道中的偏振失衡，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，减少了片外偏振控制器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偏振bb84协议的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偏振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3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4示意性示出了本公开实施例的用于偏振bb84协议的解码器在工作状态下的量子态信号光演化图；图5示意性示出了本公开实施例的用于偏振bb84协议的解码方法下量子态信号光的厄米运算示意图；图6示意性示出了本公开实施例的用于偏振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-偏振分束旋转器300-相位偏置调制器301-第一相位偏置调制器302-第二相位偏置调制器303-第三相位偏置调制器400-2×2干涉耦合器401-第一干涉耦合器402-第二干涉耦合器403-第三干涉耦合器500-1×2光分束器501-第一光分束器502-第二光分束器600-输出波导601-第一输出波导602-第二输出波导603-第三输出波导604-第四输出波导700-探测器701-第一外部探测器702-第二外部探测器703-第三外部探测器704-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偏振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，信号光是偏振bb84协议所发送的量子态信号光。偏振分束旋转器200，用于将信号光分解并旋转为偏振方向相同的两束信号光。具体的，本发明实施例的解码器中，偏振分束旋转器200采用绝热非对称定向耦合器，其一侧具有一个输入端口，另一侧具有两个输出端口，输入端口接收波导100传输的信号光后，先分解为偏振方向正交的两束信号光，再将偏振方向正交的两束信号光中的一束信号光的偏振方向旋转至与另一束信号光的偏振方向相同，得到偏振方向相同的两束信号光输出至第一干涉耦合器401。相位偏置调制器300，包括第一相位偏置调制器301、第二相位偏置调制器302及第三相位偏置调制器303，用于调节输入信号光的相位。此外，通过调节第一相位偏置调制器301、第二相位偏置调制器302及第三相位偏置调制器303，可以对输入波导100输入的信号光进行偏振补偿。具体的，本发明实施例的解码器中，第一相位偏置调制器301、第二相位偏置调制器302及第三相位偏置调制器303采用热光调谐相位调制器，第一相位偏置调制器301设于偏振分束旋转器200与第一干涉耦合器401之间，用于对偏振分束旋转器200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302设于第一干涉耦合器401与第二干涉耦合器402之间，用于对第一干涉耦合器401厄米运算后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303设于第一光分束器501与第三干涉耦合器403之间，用于对第一光分束器501分束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400，包括第一干涉耦合器401、第二干涉耦合器402、及第三干涉耦合器403，用于对接收的信号光做厄米运算。1×2光分束器500，包括第一光分束器501及第二光分束器502，用于将接收到的信号光分成等强度的两束信号光。其中，第一光分束器501接收第二干涉耦合器402厄米运算后的一束信号光并分成等强度的两束信号光，第二光分束器502接收第二干涉耦合器402厄米运算后的另一束信号光并分成等强度的两束信号光；具体地，本发明实施例的解码器中，第一干涉耦合器401、第二干涉耦合器402、及第三干涉耦合器403采用2×2多模干涉耦合器(2×2mmi)，第一光分束器501及第二光分束器502采用1×2多模干涉耦合器(1×2mmi)；第一干涉耦合器401用于对第一相位偏置调制器301相位调节后的信号光及偏振分束旋转器200分束的另一束信号光做厄米运算，并将运算后的一束信号光经第二相位偏置调制器302进行相位调节后传输至第二干涉耦合器402，将运算后的另一束信号光直接传输至第二干涉耦合器402做厄米运算；第一光分束器501接收第二干涉耦合器402厄米运算后的一束信号光并分成等强度的两束信号光，第二光分束器502接收第二干涉耦合器402厄米运算后的另一束信号光并分成等强度的两束信号光；第一光分束器501分束的两束信号光中的另一束信号光经第三相位偏置调制器303进行相位调节后输出至第三干涉耦合器403，第二光分束器502分束的两束信号光中的另一束信号光直接输出至第三干涉耦合器403，第三干涉耦合器403对其接收的两束信号光进行厄米运算。输出波导600，包括第一输出波导601、第二输出波导602、第三输出波导603及第四输出波导604。具体的，第一输出波导601输出第一光分束器501分束的两束信号光中的一束信号光，第四输出波导604输出第二光分束器502分束的两束信号光中的一束信号光，第二输出波导602及第三输出波导603用于输出第三干涉耦合器403厄米运算后的两束信号光。输出波导600后接外部探测器700，具体的第一输出波导601后接第一外部探测器701、第二输出波导602后接第二外部探测器702、第三输出波导603后接第三外部探测器703，第四输出波导604后接第四外部探测器704。在本发明实施例的解码器中，输入波导100、偏振分束旋转器200、相位偏置调制器300、2×2干涉耦合器400、1×2光分束器500及输出波导600的材料为硅材料，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，实现片上集成。输入波导100采用横电场模基模及横磁场模基模传输，输出波导600采用横电场模基模传输。本发明实施例的解码器可对满足偏振bb84协议的任意两组非正交基下的四种偏振量子态进行解码。第二方面，本发明实施例还提供一种用于偏振bb84协议的解码方法，可对不同制备基下的偏振bb84协议进行被动解调，下面以对不同制备基下的偏振bb84协议进行被动解调为例，对该解调方法进行详细介绍。该方法包括：s1，通过输入波导100输入待解码信号光，其中该待解码信号光为偏振bb84协议所发送的量子态信号光；具体的，偏振bb84协议所发送量子态由两种偏振方向正交的脉冲(te0脉冲与tm0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2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te0脉冲强度为cos2(θ/2)、tm0脉冲强度为sin2(θ/2)，且tm0脉冲相对于te0脉冲的相位差为φ，使用量子力学算符表示如下：(θ，φ)：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：(π-θ，φ+π)：对于偏振bb84协议，其编码端需要制备两组不同的量子态信号光，如图3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：(θ1，φ1)：(π-θ1，φ1+π)：(θ2，φ2)：(π-θ2，φ2+π)：s2，通过偏振分束旋转器200将待解码信号光分解并旋转为偏振方向相同的两束信号光。具体地，如图4所示，偏振分束旋转器200将待解码信号光先分解为偏振方向正交的两束信号光，再将偏振方向正交的两束信号光中的一束信号光的偏振方向旋转至与另一束信号光的偏振方向相同，得到偏振方向相同的两束信号光。至此，输入波导100内偏振量子态信号光中te0脉冲的信息转移至了第一干涉耦合器401的上输入端、tm0脉冲旋转为te0脉冲并将信息转移至了第一干涉耦合器401的下输入端。s3，通过相位偏置调制器300对接收的信号光的相位进行调节，并利用2×2干涉耦合器400对相位调节后的信号光进行厄米运算，以得到满足偏振bb84协议解码要求的解码信号光，并通过输出波导600输出。对于偏振bb84协议，其被动解码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偏振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，偏振分束旋转器200接收输入波导100输入的量子态信号光并将其分解并旋转为偏振方向相同的两束信号光，其中一束信号光经过第一相位偏置调制器301进行相位调节后传输至第一干涉耦合器401，另一束信号光直接传输至第一干涉耦合器401做厄米运算；第一干涉耦合器401将运算后的一束信号光经过第二相位偏置调制器302进行相位调节后传输至第二干涉耦合器402，将运算后的另一束信号光直接传输至第二干涉耦合器402；第二干涉耦合器402对其接收的两束信号光进行厄米运算，将运算后的一束信号光传输至第一光分束器501并分束成等强度的两束信号光，将运算后的另一束信号光传输至第二光分束器502并分束成等强度的两束信号光；第一光分束器501和第二光分束器502均包括一上输出端和下输出端，第一光分束器501的上输出端和第二光分束器502的下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)，第一光分束器501的下输出端和第二光分束器502的上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)。其中，第一组解调组件a包括输出波导601和输出波导604，用于输出第一光分束器501的下输出端和第二光分束器502的上输出端的信号光，第二组解调组件b包括第三相位偏置调制器303、第三干涉耦合器403和输出波导602与603，第一光分束器501的下输出端的信号光经过第三相位偏置调制器303进行相位调节后传输至第三干涉耦合器403、第二光分束器502的上输出端的信号光直接传输至第三干涉耦合器403做厄米运算，并由输出波导602与603输出运算后的两束信号光。由于第一光分束器501和第二光分束器502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。对于第一组解调组件a，如图1和图4所示，量子态信号光中te0脉冲的信息转移至了第一干涉耦合器401的上输入端、tm0脉冲旋转为te0脉冲并将信息转移至了第一干涉耦合器401的下输入端，设定第一相位偏置调制器301和第二相位偏置调制器302的相位分别为γ1＝π-φ1和γ2＝θ1，则第一相位偏置调制器301、第二相位偏置调制器302、第一干涉耦合器401和第二干涉耦合器402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，经过厄米运算l1后，量子态和会旋转至如图5所示的希尔伯特空间的两个极点处，说明第二耦合器402输出的两束信号光分别通过第一光分束器501和第二光分束器502进入第一组解调组件a后，会在输出波导601、604处产生如图6所示的信号光，即量子态会在如图1所示的第一外部探测器701处准确响应，量子态会在第四外部探测器704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701以及第四外部探测器704对于量子态和的响应是随机的。对于第二组解调组件b，由于经过厄米运算l1后，量子态和会旋转至如图5所示的希尔伯特空间的两个极点处，则量子态和必然转至希尔伯特空间的赤道处，不妨记为：此时设定第三相位偏置调制器303的相位γ2＝σ2+π/2，则第三相位偏置调制器303和第三干涉耦合器403的等效厄米运算l2为：在l2的操作下得出：以上得出，经过厄米运算l2后，量子态和会旋转至如图5所示的希尔伯特空间的两个极点处，说明第二耦合器402输出的两束信号光分别通过第一光分束器501和第二光分束器502进入第二组解调组件b后，会在输出波导602、603处产生如图6所示的信号光，即量子态会在如图1所示的第二外部探测器702处准确响应，量子态会在第三外部探测器703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，因此第二外部探测器702以及第三外部探测器703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偏振bb84协议的解码需要，即实现了对满足偏振bb84协议的任意四种量子态进行被动解调的功能。更一般的，三种典型的偏振bb84协议的量子态如图3所示，其包括：(θ＝0，φ＝0)：(θ＝π，φ＝0)：(θ＝π/2，φ＝0)：(θ＝π/2，φ＝π)：(θ＝π/2，φ＝π/2)：(θ＝π/2，φ＝3π/2)：偏振bb84协议1：编码端制备|0＞，|1＞，|+＞以及|-＞四种量子态；偏振bb84协议2：编码端制备|0＞，|1＞，|+i＞以及|-i＞四种量子态；偏振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种典型的偏振bb84协议的解码设置见下表1：γ1(501)γ2(502)γ3(503)解码类型0°0°90°|0＞，|1＞，|+＞，|-＞0°0°0°|0＞，|1＞，|+i＞，|-i＞0°90°0°|+＞，|-＞，|+i＞，|-i＞另外，对于量子态信号在信道传输中产生的偏振失衡，本发明实施例所公开的解码器可通过相应调控进行片上补偿来实现精确的被动解调。当量子态以及产生偏振失衡时：只需要先对第一相位调制器301和第二相位调制器302做相应调整：γ1：γ2：调整之后，对于和的变化记为：再对第三相位偏置调制器303做相应调整：γ3：便可对量子态进行片上偏振补偿，重新实现精确被动解调，减少了片外器件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。当前第1页12