一种片上外注入激光器结构和量子密钥分发系统发射端的制作方法

本实用新型属于量子密码分发技术(quantumkeydistributionqkd)领域，特别涉及一种片上外注入激光器结构和量子密钥分发系统发射端。

背景技术：

量子密码通信结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密码通信藉由物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖算法复杂度的保密通信。

目前，量子密码技术主要以光量子作为实现载体，通过自由空间或光纤信道进行分发。量子密钥分发设备依据不同的量子密钥分发协议的要求，利用各种光调制设备将经典随机比特加载到光量子的偏振、相位等物理量之上来进行传输，从而实现量子密钥的分发。量子密钥分发协议种类繁多，其中包括经典的bb84协议，mdi协议(测量设备无关协议)，dps协议(差分相移协议)等等。

典型qkd系统一般包含一个发射端和一个接收端，发射端用于将密钥编码在光量子上，而接收端用于光量子的解码以及测量。由于qkd系统的密钥生产效率直接与系统误码率相关，所以这种系统对系统误码非常敏感，这使得在该系统中对发射端脉冲光源的要求非常高，其中包括低时域抖动，较窄光谱线宽等。其次对于各种相位编码qkd系统来说，由于在这些系统中，密钥信息加载在前后光脉冲的相位差上，所以典型发射端需要包含一个相位调制装置来对光脉冲进行调制。

2016年东芝剑桥研究院提出了将激光器外注入的方法用于量子密钥分发系统的方案【1】【2】，在该方案中其结构为两个独立的激光器，分别称为masterlaser(主激光器)和slavelaser(从激光器)，将masterlaser中所发出的光脉冲注入到slavelaser激光器的谐振腔中，可以达到降低激光器时域抖动以及缩小光谱线宽等的目的，并且通过调节masterlaser电流调制的方式，可以达到调节slavelaser中连续出射的光脉冲的相位差的目的，从而在各种相位编码qkd系统中省略其它相位调制装置。

同时，qkd光集成芯片是现今全世界非常重要的研究方向，利用该技术可以将原本基于各个独立光器件的各种光学系统集成在一块体积非常小的芯片中，首先降低了成本，其次可以大大增加qkd技术的应用范围。

综上所述，需要提出一种新型的片上外注入激光器结构以及包含该激光器结构的qkd系统发射端，利用该结构来解决典型qkd系统中的激光光源产生的光脉冲时域抖动较高、光谱线宽较宽等缺陷，解决典型qkd系统误码率较高缺陷。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种片上外注入激光器结构和量子密钥分发系统发射端，本片上外注入激光器结构和量子密钥分发系统发射端基于外注入锁定原理，相较于用于qkd系统中的典型激光光源，产生的光脉冲有时域抖动低，频域线宽窄等优点，降低了系统误码率。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种片上外注入激光器结构，包括集成光芯片，所述集成光芯片上集成有半导体光放大器一、半导体光放大器二、分布式布拉格反射镜一、分布式布拉格反射镜二和反射输出装置，所述半导体光放大器一和分布式布拉格反射镜一通过光波导线连接，半导体光放大器二和分布式布拉格反射镜二通过光波导线连接，所述半导体光放大器一和半导体光放大器二均与反射输出装置通过光波导线连接。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述反射输出装置采用两进两出的多模干涉仪。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述反射输出装置采用分布式布拉格反射镜三。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的另一个技术方案为：

一种量子密钥分发系统发射端，包括采用多模干涉仪的片上外注入激光器结构、诱骗态以及衰减模块、光源监控模块和电流驱动单元，所述诱骗态以及衰减模块和光源监控模块均集成在集成光芯片上，所述电流驱动单元位于集成光芯片外部，所述片上外注入激光器结构内的分布式布拉格反射镜一与诱骗态以及衰减模块通过光波导线连接，所述片上外注入激光器结构内的分布式布拉格反射镜二与光源监控模块通过光波导线连接，所述半导体光放大器一和半导体光放大器二分别连接有电流驱动单元。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述诱骗态以及衰减模块采用强度调制器和衰减器；所述光源监控模块采用强光探测器。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，还包括光脉冲调制模块，所述片上外注入激光器结构内的分布式布拉格反射镜一通过光脉冲调制模块与诱骗态以及衰减模块连接。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的另一个技术方案为：

一种量子密钥分发系统发射端，包括采用分布式布拉格反射镜三的片上外注入激光器结构、诱骗态以及衰减模块、光源监控模块和电流驱动单元，所述诱骗态以及衰减模块和光源监控模块均集成在集成光芯片上，所述电流驱动单元位于集成光芯片外部，所述片上外注入激光器结构内的分布式布拉格反射镜一与诱骗态以及衰减模块通过光波导线连接，所述片上外注入激光器结构内的分布式布拉格反射镜二与光源监控模块通过光波导线连接，所述半导体光放大器一和半导体光放大器二分别连接有电流驱动单元。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述诱骗态以及衰减模块采用强度调制器和衰减器；所述光源监控模块采用强光探测器。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，还包括光脉冲调制模块，所述片上外注入激光器结构内的分布式布拉格反射镜一通过光脉冲调制模块与诱骗态以及衰减模块连接。

本实用新型的有益效果为：本实用新型提出了一种片上外注入激光器结构以及包含该激光器的量子密钥分发系统发射端，这种片上外注入激光器结构可以应用在绝大部分qkd系统中，并且由于外注入锁定现象，相较于用于qkd系统中的典型激光光源，这种激光器结构产生的光脉冲有时域抖动低，频域线宽窄等优点，且由于该量子密钥分发系统发射端产生的光脉冲的质量更好，可降低系统误码率，并且通过调节该发射端的两个电流驱动单元，也可以在不需要外部调制器的情况下(即不需要光脉冲调制模块)，完成各种相位编码，以及时间相位编码系统的态调制。本实用新型的片上外注入激光器结构可以缩小外注入方案中光源的体积，减小其能耗以及制作和操作难度。本实用新型内的各个器件均集成在一块体积非常小的芯片中，降低了成本，可以大大增加qkd技术的应用范围。

附图说明

图1为实施例1的片上外注入激光器结构图。

图2为实施例1的多模干涉仪结构图。

图3为实施例1中的量子密钥分发系统发射端结构图一。

图4为实施例1中片上外注入激光器结构第二种调制方法调制出的四种光量子状态图。

图5为实施例1中片上外注入激光器结构第三种调制方法调制出的四种光量子状态图。

图6为实施例1中的量子密钥分发系统发射端结构图二。

图7为实施例2的片上外注入激光器结构图。

图8为实施例2的量子密钥分发系统发射端结构图一。

图9为实施例2的量子密钥分发系统发射端结构图二。

具体实施方式

下面根据图1至图9对本实用新型的具体实施方式作出进一步说明：

实施例1：本实施例提供了一种片上外注入激光器结构，该结构可以应用在包括mdi协议在内的多种qkd协议发射端，其典型结构如图1所示，具体包括集成光芯片，所述集成光芯片上集成有半导体光放大器一(soa1)、半导体光放大器二(soa2)、分布式布拉格反射镜一(dbr1)、分布式布拉格反射镜二(dbr2)和反射输出装置，其中反射输出装置采用两进两出的多模干涉仪(2*2mmireflector)。所述半导体光放大器一和分布式布拉格反射镜一通过光波导线连接，半导体光放大器二和分布式布拉格反射镜二通过光波导线连接，所述半导体光放大器一和半导体光放大器二均与多模干涉仪通过光波导线连接。

上述片上外注入激光器结构中各个组成部分含义以及其目的分别是：

两进两出的多模干涉仪(2*2mmireflector)：相当于一个反射式的片上分束器，其功能如图2所示，由1口入射的光，会有一半光能量由1口反射输出，另外一半从2口输出。

半导体光放大器一(soa1)与半导体光放大器二(soa2)：作为激光器的增益介质，在通入电流驱动后，该器件会产生并放大光场。

分布式布拉格反射镜一(dbr1)与分布式布拉格反射镜二(dbr2)：作为激光器的腔镜，具有选择特定光模式按照比例反射的特性。

参见图1，片上外注入激光器结构中的半导体光放大器一(soa1)与半导体光放大器二(soa2)均各自连接有电流驱动单元，电流驱动单元作为激光器的能量输入，用于驱动激光器产生激光。

在图1中结构，可以看出，soa1、dbr1、以及2*2mmireflector组成了一个激光器，这里称为laser1，同时soa2、dbr2、以及2*2mmireflector也组成了一个激光器，这里称为laser2。laser1和laser2共用一个2*2mmireflector。

图1的片上外注入激光器结构的第一种具体调制方法为：

(1)利用soa2连接的电流驱动单元发射出窄电脉冲驱动soa2，从而使得laser2产生激光脉冲pulse2，这束激光脉冲通过2*2mmireflector反射后进入laser1中。

(2)控制两个电流驱动单元的重复频率相同，并且持续时间相同。

(3)通过控制两个电流驱动单元的电延迟，使得在pulse2进入laser1稍后，驱动soa1，使得laser1发出光脉冲pulse1，随后pulse1中发出的光脉冲由output1输出，从而产生外注入锁定现象(即laser1被注入锁定)。其中output2由laser2产生激光脉冲输出。

(4)两个电流驱动单元的电延时，是分别由soa1和soa2在芯片上的光学距离来决定的，要使得在pulse2进入soa1稍后，soa1连接的电流驱动单元发出的电脉冲开始驱动soa1发光。

根据外注入锁定原理，在这种情况下，laser1输出的光脉冲相较于没有注入锁定的情况，其时域以及频域特性均得到的改善，可以应用于各种qkd系统中。如图3所示，为利用该激光器实现的片上qkd系统发射端结构(简称量子密钥分发系统发射端)，该量子密钥分发系统发射端包括如图1中的片上外注入激光器结构、光脉冲调制模块、诱骗态以及衰减模块、光源监控模块和两个电流驱动单元，所述光脉冲调制模块、诱骗态以及衰减模块和光源监控模块均集成在集成光芯片上，所述电流驱动单元位于集成光芯片外部，所述片上外注入激光器结构内的分布式布拉格反射镜一与光脉冲调制模块通过光波导线连接，光脉冲调制模块与诱骗态以及衰减模块通过光波导线连接，所述片上外注入激光器结构内的分布式布拉格反射镜二与光源监控模块通过光波导线连接，所述半导体光放大器一和半导体光放大器二分别连接有外部的电流驱动单元。

图3中光脉冲调制模块用于调制从output1口中出射的光脉冲，根据系统所进行协议的不同，包括但不限于调制光脉冲的偏振属性，相位属性以及时间属性等。诱骗态以及衰减模块一般包括调节诱骗态脉冲的强度调制器以及将光脉冲衰减到单光子量子的衰减器，衰减器将光脉冲衰减到单光子量子后由output3口输出，output3为量子密钥分发系统发射端的输出口。光源监控模块用于监控从output2口中出射的激光脉冲，一般可以是强光探测器。

图1的片上外注入激光器结构的第二种具体调制方法为：

(1)利用soa2连接的电流驱动单元发射出的较宽电脉冲驱动soa2，并且在电脉冲持续过程中精确改变该电脉冲的幅度，从而使得laser2产生激光脉冲pulse2，并且在pulse2持续时间中，其相位发生跳变可以等于0，π/2,π以及3π/2，这束激光脉冲通过2*2mmireflector反射后进入laser1中。

(2)控制soa1连接的电流驱动单元发出的电脉冲重复频率是soa2连接的电流驱动单元发出电脉冲重复频率的两倍，并且持续时间大于soa1连接的电流驱动单元的电脉冲的一个周期。

(3)通过控制两个电流驱动单元的电延迟，使得在pulse2进入laser1稍后，驱动soa1，使得laser1在pulse2的注入时间内，连续发射出光脉冲pulse11和pulse12，随后laser1中发出的光脉冲由output1输出。从而产生外注入锁定现象(即laser1被注入锁定)。

(4)两个电流驱动单元的电延时，是分别由soa1和soa2在芯片上的光学距离来决定的，要使得在pulse2进入soa1稍后，soa1连接的电流驱动单元发出的电脉冲开始驱动soa1发光。

根据外注入锁定原理，最终由于laser1中输出的前后光脉冲的相位差由pulse2的决定，可以调制出相位编码qkd系统所需要的四种状态，如图4所示。其中状态1中输出的光脉冲pulse11和pulse12的相位差为0；状态2中输出的光脉冲pulse11和pulse12的相位差为π/2；状态3中输出的光脉冲pulse11和pulse12的相位差为π；状态4中输出的光脉冲pulse11和pulse12的相位差为3π/2。

图1的片上外注入激光器结构的第三种具体调制方法为：

(1)利用soa2连接的电流驱动单元发射出的较宽电脉冲驱动soa2，并且在电脉冲持续过程中精确改变该电脉冲的幅度，从而使得laser2产生激光脉冲pulse2，并且在pulse2持续时间中，其相位发生跳变可以等于0和π，这束激光脉冲通过2*2mmireflector反射后进入laser1中。

(2)控制soa1连接的电流驱动单元发出的电脉冲重复频率是soa2连接的电流驱动单元发出电脉冲重复频率的两倍，并且持续时间大于soa1连接的电流驱动单元的电脉冲的一个周期。

(3)通过控制两个电流驱动单元的电延迟，使得在pulse2进入laser1稍后，驱动soa1，使得laser1在pulse2的注入时间内，连续发射出光脉冲pulse11和pulse12，或者通过控制soa1连接的电流驱动单元是否发送电脉冲来得到只发送位于较前位置的pulse11，或者位于较后位置的pulse12的效果。随后laser1中发出的光脉冲由output1输出。从而产生外注入锁定现象(即laser1被注入锁定)。

(4)两个电流驱动单元的电延时，是分别由soa1和soa2在芯片上的光学距离来决定的，要使得在pulse2进入soa1稍后，soa1连接的电流驱动单元发出的电脉冲开始驱动soa1发光。

根据外注入锁定原理，最终由于laser1中输出的前后光脉冲的相位差由pulse2的决定，同时laser1是否在pulse11和pulse12上有脉冲输出可以通过soa1连接的电流驱动单元来进行调控，所以在这种调制模式下可以产生时间相位编码所需要的四种光量子态，如图5所示。其中状态1为有光脉冲pulse11输出，无光脉冲pulse2输出；状态2为有光脉冲pulse12输出，无光脉冲pulse1输出；状态3为输出的光脉冲pulse11和pulse2的相位差为0；状态4为输出的光脉冲pulse11和pulse2的相位差为π。

利用第二种和第三种具体调制方法可以实现的量子密钥分发系统发射端结构如图6所示。相较于图3，这里由于直接利用改变两个电流驱动单元的电脉冲性质来对输出光脉冲的相位或时间进行了调制，所以在该系统中不需要额外的光脉冲调制模块即可进行运行相位编码和时间相位编码的各种qkd系统。

实施例2：本实施例还提供了一种片上外注入激光器结构(属于片上耦合腔激光器的结构)，如图7所示，包括集成光芯片，所述集成光芯片上集成有半导体光放大器一(soa1)、半导体光放大器二(soa2)、分布式布拉格反射镜一(dbr1)、分布式布拉格反射镜二(dbr2)和反射输出装置，其中反射输出装置采用分布式布拉格反射镜三(dbr3)。所述半导体光放大器一和分布式布拉格反射镜一通过光波导线连接，半导体光放大器二和分布式布拉格反射镜二通过光波导线连接，所述半导体光放大器一和半导体光放大器二均与分布式布拉格反射镜三通过光波导线连接。

对于这种激光器而结构，利用一个dbr腔镜(即dbr3)，代替了实施例1中2*2mmireflector，这里dbr1、soa1以及dbr3组成了laser1，而dbr2、soa2以及dbr3组成了laser2，其工作原理和实施例1相同。利用这种耦合腔结构，和实施例1类似，可以实现如图8和图9中的两种qkd系统发射端实例。

综上所述，本实用新型提出了一种片上外注入激光器结构以及两种包含该激光器的量子密钥分发系统发射端。这种片上外注入激光器结构可以应用在绝大部分qkd系统中，并且由于外注入锁定现象，相较于用于qkd系统中的典型激光光源，这种激光器结构产生的光脉冲有时域抖动低，频域线宽窄等优点，且该量子密钥分发系统发射端可降低系统误码率，并且通过调节该片上外注入激光器结构中两个电流驱动单元，也可以在不需要外部调制器的情况下，完成各种相位编码，以及时间相位编码系统的态调制。

本实用新型的保护范围包括但不限于以上实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本实用新型的保护范围。