时间相位解码装置和包括其的量子密钥分发系统的制作方法

本实用新型涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种时间相位解码装置和量子密钥分发系统。

背景技术：

量子保密通信技术是量子物理与信息科学相结合的前沿热点领域。基于量子密钥分发技术和一次一密密码原理，量子保密通信可在公开信道实现信息的安全传输。量子密钥分发基于量子力学海森堡不确定关系、量子不可克隆定理等物理原理，能够实现在用户之间安全地共享密钥，并可以检测到潜在的窃听行为，可应用于国防、政务、金融、电力等高安全信息传输需求的领域。

地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输，因为相位编码采用前后光脉冲的相位差来编码信息，在长距离光纤信道传输过程中能够稳定保持，所以采用不等臂干涉仪进行相位编码或包含一组相位编码的时间相位编码方案是量子密钥分发应用的主要编码方案。然而，光纤制作存在截面非圆对称、纤芯折射率沿径向不均匀分布等非理想情况，并且光纤在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响，会产生随机双折射效应。因此，光脉冲经长距离光纤传输以及经不等臂干涉仪两臂光纤传输后，通过不等臂干涉仪进行相位解码干涉时存在偏振诱导衰落的问题，导致解码干涉不稳定，造成误码率升高。若使用纠偏设备，会增加系统复杂度和成本，且对于架空光缆、路桥光缆等强干扰情况难以实现稳定应用。此外，时间相位编码量子密钥分发系统的解码通常包含时间基解码光路和相位基解码光路以分别对时间基和相位基进行选基解码探测，这需要四个探测器，系统成本高，且由于四个探测器性能存在不一致从而存在潜在的攻击漏洞。

对于时间相位编码方案，如何稳定高效地进行干涉解码是基于现有光缆基础设施进行量子保密通信应用的热点和难题。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提出一种时间相位解码装置和基于该解码装置的量子密钥分发系统，以解决时间相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落引起的相位解码干涉不稳定的难题。并且，本实用新型使得可以使用减少数量的探测器，由此消除或降低多探测器产生的安全性问题，并可观地降低制造成本和系统复杂度。

本实用新型提供至少以下技术方案：

1.一种时间相位解码装置，包括：分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置、设置于所述分束器前端或设置于所述两个臂中至少之一上的相位调制器、单个单光子探测器，其中，

每个所述反射装置为偏振正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置为四分之一波片反射镜，所述四分之一波片反射镜由四分之一波片与反射镜一体地形成；

所述单光子探测器耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的一个端口，用于在一个脉冲周期内对连续的第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号进行探测，其中所述一个脉冲周期包括所述第一时隙、第二时隙和第三时隙。

2.根据方案1所述的时间相位解码装置，其中，所述相位调制器随机调制0度或180度相位。

3.根据方案1所述的时间相位解码装置，其中，所述一个端口是非输入端口。

4.根据方案1所述的时间相位解码装置，还包括设置在所述单光子探测器与所述分束器的所述一个端口之间的光环形器，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光环形器经所述第二端口耦合至所述分束器的所述一个端口，并经所述第三端口耦合至所述单光子探测器，其中所述第一端口为所述时间相位解码装置的输入端口，从所述第一端口输入的光脉冲由所述第二端口输出至所述分束器，从所述第二端口输入的光脉冲由所述第三端口输出。

5.一种时间相位解码装置，包括：光环形器、分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置、第一单光子探测器和第二单光子探测器，其中，

每个所述反射装置为偏振正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置为四分之一波片反射镜，所述四分之一波片反射镜由四分之一波片与反射镜一体地形成；

所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，并经由所述第二端口耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的一个端口，所述光环形器的第一端口为所述时间相位解码装置的输入端口，由所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，由所述分束器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲由所述光环形器的第三端口输出；

所述第一单光子探测器耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的另一个端口，用于对从所述另一个端口输出的光脉冲进行探测；

所述第二单光子探测器耦合至所述光环形器的第三端口，用于对从所述光环形器的第三端口输出的光脉冲进行探测，

其中，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器中的一个在一个脉冲周期内至少对连续的第一时隙和第二时隙的信号进行探测，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器中的另一个在一个脉冲周期内至少对连续的第二时隙和第三时隙的信号进行探测，其中所述一个脉冲周期包括所述第一时隙、第二时隙和第三时隙。

6.根据方案5所述的时间相位解码装置，其中，所述装置还包括直流相位调制器，所述直流相位调制器设置于所述两个臂中至少之一上。

7.根据方案1或5所述的时间相位解码装置，其中，所述两个臂为保偏光纤光路，对于任一四分之一波片反射镜：与其耦合的臂的保偏光纤的慢轴与其四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。

8.根据方案1或5所述的时间相位解码装置，其中，所述分束器是保偏耦合器。

9.根据方案8所述的时间相位解码装置，其中，所述分束器是2×2保偏耦合器。

10.一种量子密钥分发系统，包括：

根据方案1～9中任一项所述的时间相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码。

本实用新型通过创造性的构造，使得能够对任意偏振态的输入光脉冲稳定地进行编解码干涉，由此实现了意想不到的有益效果。利用本实用新型的方案，对于任意偏振态的输入光脉冲可以实现在相位基解码干涉仪处的稳定干涉输出，解决了时间相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落造成系统无法稳定工作的问题。并且，本实用新型使得可以采用减少数量的探测器(一个或两个单光子探测器)，由此消除或降低多探测器产生的安全性问题，并可观地降低制造成本和系统复杂度。本实用新型提供了一种易于实现和应用的抗偏振诱导衰落的时间相位编码量子密钥分发解码方案。

附图说明

图1为本实用新型一优选实施例的时间相位解码装置的组成结构示意图；

图2为本实用新型另一优选实施例的时间相位解码装置的组成结构示意图；

图3为示意性示出一个脉冲周期内的第一时隙、第二时隙和第三时隙的图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本实用新型的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。

本实用新型一优选实施例的时间相位解码装置如图1所示，包括以下组成部分：分束器102、相位调制器103、四分之一波片反射镜104和105、单光子探测器106。

四分之一波片反射镜包括四分之一波片和反射镜，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成。四分之一波片反射镜可以通过在四分之一波片晶体表面镀反射镜实现，亦可通过在快慢轴传输相位相差90度的保偏光纤端面镀反射镜实现。

四分之一波片反射镜104和105为偏振正交旋转反射装置。

这里，偏振正交旋转反射装置是指一种能够对所反射的光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射、即在反射入射的光脉冲时将该光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置。举例而言，假设这两个正交偏振态分别为x偏振态和y偏振态，沿光路传输到一个偏振正交旋转反射装置的x偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即y偏振态，沿光路传输到该反射装置的y偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即x偏振态。

分束器102一侧的一个端口101为装置的输入端口。四分之一波片反射镜104和105分别经两个臂(图1中的上臂和下臂)与分束器102光耦合。所述两个臂可以为保偏光纤光路；在此情况下，每个臂的保偏光纤的慢轴与相应的四分之一波片反射镜中的四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。分束器102与四分之一波片反射镜104和105构成不等臂迈克尔逊干涉仪。相位调制器103位于所述两个臂中任一臂(在图1中，为上臂)上。

分束器102用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲以分别沿两个臂传输。

两个臂用于分别传输所述两路光脉冲。

相位调制器103用于对其所在的臂传输的光脉冲(即，两路光脉冲之一)按照量子密钥分发协议进行相位调制。相位调制器103进行的相位调制由量子密钥分发协议确定。

时间相位解码装置可以只包含一个单光子探测器，如图1所示的单光子探测器106。单光子探测器106接收由分束器102一侧的另一端口输出的光脉冲信号。一个脉冲周期内输出至单光子探测器106的信号包含三个时隙，即第一时隙、第二时隙和第三时隙。单光子探测器106用于在一个脉冲周期内对第一时隙、第二时隙和第三时隙内的信号进行探测。此时，所述相位调制器可随机调制0度相位或180度相位。

可能的是，时间相位解码装置包含两个单光子探测器，此时装置还包括光环形器。所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口。借助于图1进行说明，两个单光子探测器中的一个(例如图1所示的单光子探测器106)耦合至分束器102一侧的另一端口，用于对从该另一端口输出的光脉冲进行探测。所述光环形器可位于分束器102前端，其第二端口耦合至分束器102该侧的端口101。从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由其第二端口输出至分束器102，从所述光环形器的第二端口输入的光脉冲由其第三端口输出。两个单光子探测器中的另一个耦合至所述光环形器的第三端口，用于对所述光环形器的第三端口输出的光脉冲进行探测。两个单光子探测器中的任一个在一个脉冲周期内至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，两个单光子探测器中的另一个在一个脉冲周期内至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测。此时，所述相位调制器可以是直流相位调制器。

时间相位编码光脉冲包括四种编码光脉冲状态，分别是两个时间比特编码光脉冲状态和两个相位编码光脉冲状态。如图3所示，两个时间比特编码光脉冲状态分别对应第一时隙光脉冲和第二时隙光脉冲；两个相位编码光脉冲状态分别对应第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为0度以及第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为180度的状态。时间相位编码的四种编码光脉冲解码后对应的状态为：时间比特编码第一时隙光脉冲解码后变为第一时隙和第二时隙前后两个子光脉冲；时间比特编码第二时隙光脉冲解码后变为第二时隙和第三时隙前后子两个光脉冲；相位编码对应第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为0度的状态解码后变为第一时隙、第二时隙和第三时隙三个子光脉冲，其中第二时隙为两个光脉冲干涉形成的子光脉冲，从分束器两个端口中的一个端口干涉相干相长输出；相位编码对应第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为180度的状态解码后变为第一时隙、第二时隙和第三时隙三个子光脉冲，其中第二时隙为两个光脉冲干涉形成的子光脉冲，从分束器两个端口中的另一个端口干涉相干相长输出。

在一种可能的应用中，装置只包含一个单光子探测器，该单光子探测器对一个脉冲周期内的三个时隙的信号进行探测。当发射端采用时间基编码时，若单光子探测器仅在第一时隙有响应或仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果和相位调制器调制的相位生成密钥；若单光子探测器仅在第一时隙或仅在第三时隙有响应，或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。

在另一种可能的应用中，装置包含两个单光子探测器，分别为第一单光子探测器和第二单光子探测器；第一单光子探测器对一个脉冲周期内的第一时隙和第二时隙的信号进行探测，第二单光子探测器对一个脉冲周期内的第二时隙和第三时隙的信号进行探测。当发射端采用时间基编码时，若第一单光子探测器仅在第一时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用时间基编码时，若第二单光子探测器仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第一时隙或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第三时隙或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。

在又一种可能的应用中，装置包含两个单光子探测器，分别为第一单光子探测器和第二单光子探测器；第一单光子探测器和第二单光子探测器中的每个均对一个脉冲周期内的三个时隙的信号进行探测。当发射端采用时间基编码时，若第一单光子探测器仅在第一时隙有响应或仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用时间基编码时，若第二单光子探测器仅在第一时隙有响应或仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第一时隙或仅在第三时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第一时隙或仅在第三时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。

工作时，光脉冲经分束器102的端口101进入分束器102并由分束器102分束成两路光脉冲。来自分束器102的一路光脉冲经相位调制器103进行相位调制后由四分之一波片反射镜104反射回来，来自分束器102的另一路光脉冲直接经保偏光纤传输至四分之一波片反射镜105并由四分之一波片反射镜105反射回来。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经分束器102合束后得到的输出光脉冲由另一端口输出至单光子探测器106。一个脉冲周期内输出至单光子探测器106的信号包含三个时隙。单光子探测器106在一个脉冲周期内对三个时隙的信号进行探测。

相位调制器103可以是双折射相位调制器。双折射相位调制器适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。例如，双折射相位调制器可以为铌酸锂相位调制器，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，可以对通过该铌酸锂相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。

尽管图1中，仅一个相位调制器103被示出为设置于两个臂中之一上，但在两个臂上各设置一个相位调制器也是可能的。在如此设置有两个相位调制器的情况下，两个相位调制器所调制的相位之差由量子密钥分发协议确定，取决于具体的应用。另外，代替在两个臂中之一或两者上设置相位调制器，可以在分束器102之前设置相位调制器，用于对分束前的输入光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

由于两个反射装置104和105均为偏振正交旋转反射装置，对于所述两路光脉冲中的每一路光脉冲：该路光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态。如此，对于图1的相位编解码器，利用偏振正交旋转反射装置处的偏振正交旋转反射，输入光脉冲的x偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两个臂传输的相位差恰好等于该光脉冲的y偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两个臂传输的相位差。

尽管上文描述两个反射装置104和105均为四分之一波片反射镜形式的偏振正交旋转反射装置，但根据情况，这两个反射装置中之一可以是其他形式的偏振正交旋转反射装置，如下述构造1、构造2或构造3的偏振正交旋转反射装置。

根据构造1，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，该传输光路上设置有半波片，输入该半波片的光脉冲的极化方向与该半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。所述传输光路可由保偏光纤形成；在此情况下，光脉冲经所述偏振分束器分束后沿所述保偏光纤传输，形成所述传输光路的保偏光纤的慢轴与该半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。具有构造1的偏振正交旋转反射装置在用于本实用新型的解码装置时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至解码装置的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

根据构造2，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，所述传输光路由保偏光纤形成，所述保偏光纤的慢轴和快轴分别保持输入该保偏光纤的光脉冲的两个正交偏振态稳定传输——即偏振态不变，且该偏振分束器的两个输出端口和该保偏光纤构造成使得，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输。这里，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输可通过保偏光纤扭转90度或者扭转(90+n*180)度实现，其中n为整数。无论保偏光纤扭转或者不扭转，从保偏光纤的慢轴输入的光脉冲始终沿着慢轴传输(沿着慢轴稳定传输)，从保偏光纤的快轴输入的光脉冲始终沿着快轴传输(沿着快轴稳定传输)。具有构造2的偏振正交旋转反射装置在用于本实用新型的解码装置时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至解码装置的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

根据构造3，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，所述传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。具有构造3的偏振正交旋转反射装置在用于本实用新型的解码装置时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至解码装置的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

此外，图1中的分束器102可以为保偏分束器，例如2×2保偏耦合器。

本实用新型另一优选实施例的时间相位解码装置如图2所示，包括以下组成部分：光环形器202、保偏分束器203、直流相位调制器204、四分之一波片反射镜205和206，以及单光子探测器207和208。

四份之一波片反射镜包括四分之一波片和反射镜，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成。四分之一波片反射镜可以通过在四分之一波片晶体表面镀反射镜实现，亦可通过在快慢轴传输相位相差90度的保偏光纤端面镀反射镜实现。

四分之一波片反射镜205和206为偏振正交旋转反射装置。

光环形器202包含三个端口，这三个端口分别为端口a、端口b和端口c。由光环形器202的端口a输入的光脉冲由光环形器202的端口b输出，由光环形器202的端口b输入的光脉冲由光环形器202的端口c输出。光环形器202的端口a也即端口201为装置的输入端口。四分之一波片反射镜205和206分别经两个臂(图2中的上臂和下臂)与保偏分束器203光耦合。所述两个臂为保偏光纤光路，每个臂的保偏光纤的慢轴与相应的四分之一波片反射镜中的四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。保偏分束器203与四分之一波片反射镜205和206构成不等臂迈克尔逊干涉仪。直流相位调制器204位于所述两个臂中任一臂(在图2中，为上臂)上。单光子探测器208接收由保偏分束器203一侧的一个端口输出至光环形器202的端口b并由光环形器202的端口c输出至单光子探测器208的光脉冲信号，单光子探测器207接收由保偏分束器203一侧的另一端口输出的光脉冲信号。一个脉冲周期内不等臂迈克尔逊干涉仪输出的信号包含三个时隙，这三个时隙分别为第一时隙、第二时隙和第三时隙。单光子探测器207和208中的一个在一个脉冲周期内至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，单光子探测器207和208中的另一个在一个脉冲周期内至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测。

工作时，光脉冲经光环形器202的端口a也即端口201输入至光环形器202，由光环形器202的端口a输入至光环形器202的光脉冲经光环形器202的端口b输出至保偏分束器203，并由保偏分束器203分束成两路光脉冲。来自保偏分束器203的一路光脉冲经直流相位调制器204进行直流相位调制后由四分之一波片反射镜205反射回来，来自保偏分束器203的另一路光脉冲直接经保偏光纤传输至四分之一波片反射镜206并由四分之一波片反射镜206反射回来。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经保偏分束器203合束后由保偏分束器203的所述另一端口输出至单光子探测器207，或者由保偏分束器203的所述一个端口输出至光环形器202的端口b并经光环形器202的端口c输出至单光子探测器208。单光子探测器207至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，单光子探测器208至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测；或者，单光子探测器207至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测，单光子探测器208至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测。相位调制器204可以是双折射相位调制器。

本文中，术语“分束器”和“合束器”可互换使用，分束器亦可称为和用作合束器，反之亦然。本文中，“保偏光纤光路”是指采用保偏光纤传输光脉冲的光路或保偏光纤连接形成的光路。

可以在量子密钥分发系统的接收端配置如上文所述的本实用新型的时间相位解码装置，用于解码。

通过具体实施方式的说明，应当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。