一种量子密钥接收芯片及装置的制作方法

本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种量子密钥接收芯片及装置。

背景技术：

量子密钥分发是量子通信领域的研究热点之一，随着量子通信产业化的推进，实现量子通信设备的小型化与集成化以及提升量子通信系统成码率对提高量子通信性能增加用户体验等具有重大意义。

如图1所示，现有的量子密钥接收装置通过采用光纤分束器实现被动基矢选择的方案，采用这一技术方案会涉及到光纤分束器的分光比最优化问题。以最常用的基于诱骗态协议的bb84协议为例，严格的理论研究表明在不同信道衰减下，分束器的最优分光比不同。若未按照信道衰减不同而选择最优分光比，将会显著降低量子密钥分发系统的成码率指标。

此外，现有的基于分立器件（如光纤分束器、偏振分束器等）的量子密钥接收装置体积较大。而且，各个分立器件间常采用法兰连接，因环境变化（如温度、振动等因素）将会导致各个器件插损、光纤光程发生改变，系统稳定性欠佳，因此需要设计一种体积小、集成度高、稳定性较高的量子密钥接收装置方案。

技术实现要素：

本申请提供一种量子密钥接收芯片及装置，以解决现有量子密钥接收装置分光比不可调、体积大、集成度低、稳定性较差的问题。

一种量子密钥接收芯片，所述芯片包括：光学解码模块，被配置为用于量子密钥分发解码；分光比调制模块，被配置为调制进入光学解码模块光信号的分光比；所述光学解码模块通过平面光波导连接于所述分光比调制模块；所述分光比调制模块包括等臂干涉仪与分光比控制单元，所述分光比控制单元被配置为控制调节等臂干涉仪输出光信号的分光比，所述光学解码模块连接于所述等臂干涉仪的输出端；所述分光比控制单元为温控单元或者偏压调制单元。

优选地，所述分光比控制单元被配置为温控单元，所述温控单元根据温度调制所述等臂干涉仪输出光信号的分光比。

优选地，所述分光比控制单元被配置为偏压调制单元，所述偏压调制单元根据电压调制所述等臂干涉仪输出光信号的分光比。

优选地，所述温控单元包括热敏电阻、温控电路以及温度调节单元，所述温度调节单元包括导热片，所述导热片连接于所述等臂干涉仪的一臂。

优选地，所述偏压调制单元包括光电检测及偏压调制电路，所述光电检测及偏压调制电路连接于所述等臂干涉仪。

优选地，所述芯片采用硅基材料或者铌酸锂材料。

优选地，所述光学解码模块包括不等臂干涉仪和维稳单元，所述维稳单元连接于所述不等臂干涉仪，维稳单元被配置为温控单元或者偏压调制单元。。

优选地，所述光学解码模块包括偏振分束器。

一种量子密钥接收装置，包括：如上述任一所述的量子密钥接收芯片。

优选地，所述量子密钥接收装置还包括探测模块，所述探测模块包括单光子探测器。

由以上本申请提供的技术方案可见，提供了一种全新的量子密钥接收芯片及装置，该芯片集成了分光比调制模块与光学解码模块，减少了量子密钥分发接收端的体积及降低了成本，并且基于芯片形式的量子密钥分发接收端工作稳定性较高。此外，基于等臂干涉仪与分光比控制单元实现的分光比调制模块能够根据各信道衰减的不同，调制出进入各光学解码模块各路径光信号的最优分光比，实现了量子密钥分发接收端的分光比可调，进而提高了量子密钥分发系统的成码率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中量子密钥接收装置示意图；

图2为本申请量子密钥接收芯片示意图；

图3为本申请量子密钥接收芯片分光比调制模块细化后示意图；

图4为本申请包括不等臂干涉仪的量子密钥接收芯片示意图；

图5为本申请包括偏振分束器的量子密钥接收芯片示意图；

图6为本申请量子密钥接收装置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种量子密钥接收芯片及装置，能够解决有量子密钥接收装置分光比不可调、体积大、集成度低、稳定性较差、光信号衰减较大的问题。

参照图2所示，本申请实施方式中提供的一种量子密钥接收芯片，包括：光学解码模块，被配置为用于量子密钥分发解码；分光比调制模块，被配置为调制进入光学解码模块光信号的分光比；光学解码模块的数量可以为一个或多个，其数量本申请不作具体限制，光学解码模块被设定后，即可以得出光学解码模块中各路径的衰减，进而可以计算出光学解码模块各路径的最优分光比。上述各个光学解码模块通过平面光波导连接于上述分光比调制模块，具体地，每个光学解码模块与分光比调制模块通过至少两条光路连接，此外，每个光学解码模块至少有两条光路输出端接出芯片并作为芯片的光路输出端，还有一条光路作为芯片的光路输入端连接于分光比调制模块的输入端。一束光脉冲进入芯片后经过分光比调制模块变成至少两束光脉冲，并且经分光比调制模块调制出两束或多束光脉冲的最优分光比，而后，两束或多束光脉冲通过对应的光路进入到各个光学解码模块，经光学解码模块解码后输出。

量子密钥接收芯片可以为波导芯片，光路可以采用波导线，并且采用硅基材料或者铌酸锂材料，硅基材料或者铌酸锂材料上刻蚀有分光比调制模块与一个或多个光学解码模块。

分光比调制模块包括等臂干涉仪与分光比控制单元，分光比控制单元被配置为控制调节等臂干涉仪输出光信号的分光比，上述光学解码模块连接于上述等臂干涉仪的输出端。参照图3所示，分光比控制单元与等臂干涉仪连接，一条光路作为芯片的光路输入端连接于等臂干涉仪的输入端，等臂干涉仪与每个光学解码模块通过至少两条光路连接。一束光脉冲进入芯片后经过等臂干涉仪变成两束或多束光脉冲，分光比控制单元控制调节等臂干涉仪输出两束或多束光脉冲的分光比，而后，两束或多束光脉冲通过对应的光路输入到对应的光学解码模块。

通过上述方式，分光比调制模块能够根据光学解码模块中不同路径光信号衰减的不同，调制出进入各个光学解码模块各路径光信号的最优分光比，实现量子密钥分发接收端的分光比可调，以提高系统的成码率。此外，将分光比调制模块与一个或多个光学解码模块集成于波导芯片中，大大减少了接收端的体积与成本，增加了其工作时的稳定性。

在一种可行的实施例中，分光比控制单元被配置为温控单元，上述温控单元根据温度调制等臂干涉仪输出光信号的分光比。温度与光信号的折射率密切相关，改变温度可以改变光信号的折射率，进而改变进入各路径的分光比，因此，改变温度值可以调制光信号的分光比。在光学解码模块已定的情况下，各路径衰减可以根据量子密钥分发理论计算得到，进而可以得到各路径的最优分光比，因此，在最优分光比已定的情况下，等臂干涉仪输出端所需要的温度值也已确定，调整对应的温度值可以得到最优分光比。具体地，温控单元包括热敏电阻、温控电路以及温度调节单元，温度调节单元包括导热片，上述导热片连接于所述等臂干涉仪的一臂。首先，通过热敏电阻对等臂干涉仪的温度进行探测，然后，通过温控电路调节温度调节单元，温度调节单元通过导热片对等臂干涉仪的一臂进行加热或制冷，具体地，温度调节单元可以是半导体制冷器。

在另一种可行的实施例中，分光比控制单元被配置为偏压调制单元，上述偏压调制单元根据电压调制等臂干涉仪输出光信号的分光比。等臂干涉仪上施加的偏压也能影响光信号的折射率，进而影响不同路径光信号的分光比，因此调节施加给等臂干涉仪的偏压信号也能调节等臂干涉仪输出端的分光比。具体地，上述偏压调制单元包括光电检测及偏压调制电路，光电检测及偏压调制电路连接于所述等臂干涉仪，在最优分光比已定的情况下，等臂干涉仪输出端所需要的偏压信号也已确定，通过光电检测及偏压调制电路施加所需偏压信号，即可得到最优分光比。

光学解码模块用于量子密钥分发解码，通常有时间、相位以及偏振解码，时间解码只需要有光路从分光比调制模块连接到后面的探测模块即可实现，而相位解码需要有干涉仪辅助实现解码，偏振解码需要有偏振分束器辅助实现解码。

在一种可行的实施例中，以时间-相位解码为例，参照图4所示，光学解码模块包括不等臂干涉仪，不等臂干涉仪用于相位解码，等臂干涉仪输出的一条光路连接于不等臂干涉仪的输入端，不等臂干涉仪的输出端接出的两条光路作为芯片的两条输出光路；在该实施例中，光学解码模块还包括另一条光路，该光路直接连接于等臂干涉仪的输出端，并且直接作为芯片的另一条输出光路，该光路用于时间解码。

在该实施例中，光学解码模块还可以包括维稳单元，上述维稳单元连接于上述不等臂干涉仪。不等臂干涉仪的内部结构决定了通过其的光信号会随外界环境的变化而发生变化，所以需要对其进行维稳设计。等同于分光比控制单元，维稳单元可以被配置为温控单元或者偏压调制单元，用于不等臂干涉仪的维稳，以提高相位解码的稳定性。

在另一种可行的实施例中，以偏振解码为例，参照图5所示，光学解码模块包括偏振分束器。具体地，等臂干涉仪的每个输出端连接一个偏振分束器，用于偏振解码，偏振分束器的输出端也作为芯片的光路输出端。在该实施例中，光学解码模块包括至少两个偏振分束器，每个偏振分束器有两条输出光路，经等臂干涉仪输出的光信号再经偏振分束器进行偏振解码。

一种量子密钥接收装置，包括上述任一种实施例的量子密钥接收芯片，此外，量子密钥接收装置还包括探测模块，上述探测模块包括单光子探测器。具体地，上述芯片的每个光路输出端均需连接一个单光子探测器，以实现量子密钥的探测接收。

需要说明的是，本申请芯片的具体内部构造不限制于芯片形式，也可以采用装置的形式进行搭建，即分光比调制模块与光学解码模块及其具体构造也可以采用分立器件和光纤连接的方式搭建，以实现分光比可调。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。