一种量子密钥分发光源的制作方法

本实用新型涉及量子通信领域，特别是涉及一种量子密钥分发光源。

背景技术：

量子密钥分发采用单光子加载偏振信息进行传输，不能像光通信一样对信号进行放大，在接收端接收到的量子光信号非常微弱。必须通过降低背景噪声的方法来提高系统的信噪比，才能完成有效的安全成码。在远距离的星地量子通信系统中，通过光学滤波实现对环境背景噪声的有效抑制，是在大噪声环境下成功实现量子密钥分发的关键。

现有的量子密钥分发系统中，特别是在自由空间和星地量子密钥分发系统中，发射端的量子密钥分发光源一般采用基于增益开关的方法，来驱动半导体激光器产生光脉冲，光信号的线宽约为0.1nm量级，不进行额外的光谱滤波。为了实现更窄线宽(约为10pm量级)的系统滤波，首先就要求量子密钥分发光源的线宽也要远低于0.1nm量级，这样才能在接收端使用相应的滤波片进行滤波，最终实现满足系统的线宽需求。现有的光学滤波器，一般包括相干滤波片、基于光栅的滤波器或原子滤波器等，都难以满足窄线宽量子密钥分发光源的应用需求。相干滤波片和基于光栅的滤波器难以达到10pm或者更低的线宽。原子滤波技术虽然可以实现超窄带的滤波，滤波线宽可达到几pm，但是它仅仅适用于特定的原子谱线，应用范围较窄；同时，由于原子滤波技术是偏振相关的，在偏振编码的量子密钥分发系统中难以获得应用。

技术实现要素：

(一)技术问题

针对现有技术存在的问题，本实用新型提出一种量子密钥分发光源，用于至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本实用新型提供一种量子密钥分发光源，包括：激光器1，用于产生光脉冲信号；滤波器2，用于对上述光脉冲信号进行窄带滤波，得到窄光脉冲信号，其中，上述滤波器2为fp腔滤波器；强度调制器3，用于对上述窄光脉冲信号进行强度调制，产生量子密钥分发所需的强度态；偏振调制器4，用于对上述强度态进行偏振调制，产生量子密钥分发所需的四种正交偏振态；衰减器5，用于对上述四种正交偏振态进行能量衰减；脉冲发生器6，用于产生驱动脉冲信号驱动上述激光器1、上述强度调制器3及上述偏振调制器4。

可选地，上述滤波器2包括：输入准直器21，用于将上述光脉冲信号扩束后经自由空间传输；fp腔22，用于对上述输入准直器21传输的光脉冲信号进行窄带滤波，得到上述窄光脉冲信号；半导体制冷器23，用于控制上述fp腔22的环境温度；热敏电阻24，用于采集上述环境温度；输出准直器25，用于输出上述滤波后的窄光脉冲信号。

可选地，上述输入准直器21与上述输出准直器25为光纤准直器，上述半导体制冷器23为基于帕尔帖效应的半导体制冷器。

可选地，上述热敏电阻24和上述fp腔22集成在半导体制冷器23上。

可选地，上述滤波器2与强度调制器3之间以及上述强度调制器3与上述偏振调制器4之间通过保偏光纤连接。

可选地，上述脉冲发生器6通过射频电缆分别与上述激光器1、上述强度调制器3、上述偏振调制器4连接。

可选地，上述偏振调制器4与上述衰减器5之间通过单模光纤连接。

可选地，上述强度调制器3为基于铌酸锂晶体的强度调制器。

可选地，上述偏振调制器4为基于铌酸锂晶体或砷化镓材料的偏振调制器。

可选地，上述衰减器5为电光可变衰减器。

(三)有益效果

本实用新型提供一种量子密钥分发光源，通过脉冲发生器驱动半导体激光器产生光脉冲，同时采用fp腔滤波器对光信号进行滤波，可产生更窄线宽的光信号，最终可以实现线宽约为10pm量级的窄线宽量子密钥分发光源。

附图说明

为了更完整地理解本实用新型及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本实用新型一实施例的量子密钥分发光源的结构图；

图2示意性示出了根据本实用新型另一实施例的量子密钥分发光源的结构图。

【附图标记】

1-激光器

2-滤波器

21-输入准直器

22-fp腔

23-半导体制冷器

24-热敏电阻

25-输出准直器

3-强度调制器

4-偏振调制器

5-衰减器

6-脉冲发生器

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本实用新型的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本实用新型实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本实用新型。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本实用新型一实施例的量子密钥分发光源的结构图。如图1所示，该量子密钥分发光源包括：

激光器1，用于产生光脉冲信号。

滤波器2，用于对光脉冲信号进行窄带滤波，得到窄光脉冲信号，其中，滤波器2为法布里-珀罗(fabry-perot)腔滤波器(fp腔滤波器)。

fp腔滤波器是现代光纤通信和光纤传感等领域中的重要器件之一。fp腔一般是由内表面镀高反射膜、外表面镀增透膜的玻璃板构成，入射光束在腔内可发生多光束干涉效应，满足相位匹配条件的光波产生相长干涉，形成滤波输出。而不满足相位条件的光波产生相消干涉，被fp腔一侧反射输出。通过优化fp腔的参数设计，可以实现高透过率、窄线宽的fp腔窄带滤波器。与其它基于原子滤波、光栅滤波的滤波器等相比，fp腔滤波器可以实现工作滤波段范围广、中心波长可调谐、滤波线宽较窄、光学效率较高等优点。

强度调制器3，用于对窄光脉冲信号进行强度调制，产生量子密钥分发所需的强度态。

偏振调制器4，用于对强度态进行偏振调制，产生量子密钥分发所需的四种正交偏振态。

衰减器5，用于对四种正交偏振态进行能量衰减。

脉冲发生器6，用于产生特定的驱动脉冲信号驱动激光器1、强度调制器3及偏振调制器4。

具体的，该量子密钥分发光源的工作过程为：在脉冲发生器6产生的脉冲信号的驱动下，激光器1产生光脉冲信号，通过滤波器2进行光谱滤波后耦合输出，产生窄线宽的光脉冲信号。强度调制器3在脉冲发生器6产生的脉冲信号的作用下，对滤波器2输出的窄光脉冲信号进行强度调制，产生量子密钥分发所需的信号态、诱骗态、真空态等三种强度态。偏振调制器4在脉冲发生器6产生的脉冲信号的作用下，对强度调制器3输出的光信号进行偏振调制，产生量子密钥分发所需的四种正交偏振态。衰减器5，用于对四种正交偏振态进行能量衰减，衰减到量子密钥分发所需的单光子量级后输出，可以实现线宽约为10pm量级的窄线宽量子密钥分发光源。

图2示意性示出了根据本实用新型另一实施例的量子密钥分发光源的结构图。如图2所示，该量子密钥分发光源包括：

激光器1、滤波器2、强度调制器3、偏振调制器4、衰减器5及脉冲发生器6。

脉冲发生器6，用于发出特定的脉冲信号，以分别驱动激光器1、强度调制器3、偏振调制器4。

激光器1，用于在脉冲发生器所产生周期电脉冲的驱动下，发出周期的光脉冲信号；激光器例如可以是高带宽的分布反馈式激光器(dfb)或垂直腔面发射激光器(vcsel)。激光器输出光脉冲的时间宽度小于100ps，光谱线宽一般小于0.1nm。

滤波器2，用于对激光器1发出的光脉冲信号进行光谱滤波。

具体的，滤波器2包括输入准直器21、fp腔22、半导体制冷器23、热敏电阻24以及输出准直器25。输入准直器21，用于将光脉冲信号扩束后经自由空间传输。fp腔22，用于对输入准直器21传输的光脉冲信号进行窄带滤波，得到窄光脉冲信号，并经过自由空间传输。半导体制冷器23，用于控制fp腔22的环境温度；热敏电阻24，用于采集环境温度。输出准直器25，用于对上述窄光脉冲信号进行耦合并输出。其中，fp腔22与热敏电阻24均集成在半导体制冷器23上。

输入准直器21与输出准直器25例如可以是g-lens光纤准直器，具体本实用新型不做限制。

半导体制冷器23例如可以是基于帕尔帖效应的半导体制冷器，具体本实用新型不做限制。

热敏电阻24例如可以是负温度系数或正温度系数的的热敏电阻，具体本实用新型不做限制。

强度调制器3，用于在脉冲发生器6产生的随机脉冲的作用下，对滤波器2输出的窄光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的信号态、诱骗态、真空态等三种强度态。强度调制器3例如可以选用基于铌酸锂晶体的强度调制器，带宽在10ghz以上。脉冲发生器6产生三种不同电压幅值的电脉冲信号，以对强度调制器3进行驱动。通过调节强度调制器3的直流偏置，使得当脉冲发生器6加载真空态电脉冲信号时，达到最大消光，值为-30db；当脉冲发生器6加载信号态电脉冲信号时，达到最小消光，值为0db；当载脉冲发生器6加载诱骗态电脉冲信号时，达到特定值消光，值为-6db。

强度调制器3进行强度调制后的窄光脉冲信号进入偏振调制器4。偏振调制器4用于在脉冲发生器6产生的随机脉冲的作用下，偏振调制器4对输入的窄光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、-、l、r等四种偏振态。偏振控制器4例如可以选用基于铌酸锂晶体或砷化镓材料的偏振调制器，带宽在10ghz以上。通过脉冲发生器6产生四种不同电压幅值的电脉冲信号，分别对应于偏振调制器的0、vπ/2、vπ、3vπ/2等四种特定的电压值，可以产生+、-、l、r等四种偏振态。

衰减器5勇于接收完成强度调制和偏振调制后的光信号，将光信号衰减到量子密钥分发所需的单光子量级后输出。衰减器5例如可以是可以选用电光可变衰减器，使用直流电压控制衰减器的衰减大小。典型地，衰减后的光信号平均每脉冲光子数一般在0.1-1之间。

在本实用新型实施例中，脉冲发生器6通过射频电缆和激光器1、强度调制器3以及偏振调制器4相连；激光器1使用保偏光纤与滤波器2(输入准直器21)相连；滤波器2(输出准直器25)使用保偏光纤与强度调制器3相连；强度调制器3使用保偏光纤与偏振调制器4相连；偏振调制器4使用单模光纤与衰减器5相连。

本实施的量子密钥分发光源可以实现线宽约为10pm量级的窄线宽量子密钥分发。

本领域技术人员可以理解，尽管已经参照本实用新型的特定示例性实施例示出并描述了本实用新型，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对本实用新型进行形式和细节上的多种改变。因此，本实用新型的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。