一种高效的量子密钥分发设备的制作方法

1.本实用新型涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种具有优化的色散补偿结构的量子密钥分发设备。


背景技术：

2.量子密钥分发(qkd)基于量子力学原理，由于量子不可克隆和测不准原理，是理论可证明无条件安全的密钥分发体系。量子密钥分发设备发送端发射单光子级别的信号，经光纤链路或者自由空间传输，到达接收方后采用单光子探测器进行探测。目前很大部分量子密钥分发均使用光纤链路，而光纤链路存在色散效应，简单来说是光脉冲经光纤传输后会产生时域展宽。对于经典光通信而言，由于系统重复频率一般高达数十吉赫兹(ghz)甚至上百吉赫兹，因此色散引起的光脉冲时域展宽往往会导致前后光脉冲交叠，眼图劣化，引起误码。对于量子密钥分发而言，由于目前较高的系统重复频率也仅有吉赫兹左右，两个相邻光脉冲经光纤传输时仍能保持距离，即使色散一般也不会引起明显的误码。尤其是在采用门控型单光子探测器进行探测时，由于其有效门宽仅有数百皮秒，色散引起的光脉冲时域展宽部分不在单光子探测器的有效探测时间范围内，因此将不会被探测到，更不会引起误码。然而，色散引起的光脉冲时域展宽，会导致部分光子落在单光子探测器的有效探测时间范围外，导致有效探测效率降低，直接影响量子密钥分发设备的成码率。
3.由于色散展宽量与光脉冲的光谱宽度和在普通光纤上传输的距离均成正相关关系。因此，为抑制这种色散效果，现有技术存在两种基本的解决思路，一是优化光脉冲光谱宽度或者增加窄带滤波器产生窄的光谱，二是对光脉冲提供色散补偿，例如在光路中设置色散补偿光纤或者啁啾光栅等进行预补偿。
4.例如，图1示出了现有技术中的一种用于经典光通信的光网络可调色散补偿装置，其借助光网络管理和控制系统获得残余色散最大值和最小值，并通过控制色散补偿单元阵列为光脉冲提供相应的色散补偿。在图1所示的补偿装置中，所提供的色散补偿是由色散补偿单元阵列中的某个色散补偿单元单独实现的，因此，为了能够为光脉冲提供不同的色散补偿，该色散补偿单元阵列中的各个色散补偿单元往往被设计成具有不同的色散补偿量，即同时需要具有较小的色散补偿量和较大的色散补偿量。然而，啁啾光栅的带宽与其色散补偿量成负相关关系，当其设计的色散补偿量增大时将导致其带宽降低，而在带宽较低时，其中心波长及通带容易受到环境温度的影响，需要进行负温度补偿封装，不仅工艺复杂、成本高，还会影响产品的可靠性。
5.图2示出了现有技术中的量子密钥分发系统，其中提出获取量子密钥生成率并判断其是否小于预设值，当量子密钥生成率小于预设值时，则进一步判断量子密钥生成率小于预设值是否是由光纤链路引入的色散引起，若是则进行光纤色散补偿。图3示出了现有技术中的另一种量子密钥分发系统，其包括量子密钥发送和接收系统，并在发送和/或接受系统内设置有可调色散管理模块，用于在系统运行或者通信光纤长度变化时动态调节用于光脉冲的色散补偿量，使所提供的色散补偿量能够与通信信道光纤引入的色散量相当。然而，
在图2
‑
3所示的量子密钥分发系统中，仅提出利用成码率或误码率评估光纤链路的色散量，再利用色散管理模块或色散可调装置提供相应的色散补偿，未有详细介绍用于实现色散补偿的色散管理模块或色散可调装置。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述问题，本实用新型公开了一种高效的量子密钥分发设备，其发送端和/或接收端中设置有色散补偿模块，该色散补偿模块允许借助光开关改变用于对量子信号光脉冲进行色散补偿的色散补偿单元的数量(例如使其数量逐渐增加或减小)，从而改变为量子信号光脉冲提供的色散补偿量大小。由于借助这种色散补偿模块设计，可以允许利用具有低色散补偿量的色散补偿单元提供从小至大的色散补偿量，从而在保证提供适配的色散补偿量的同时，提供良好的带宽性能，使得量子密钥分发系统的探测效率和系统效率得到改善。
7.具体而言，本实用新型的第一方面涉及一种高效的量子密钥分发设备，其包括发送端和接收端；
8.所述发送端包括光源模块和编码模块，所述光源模块用于生成激光信号，所述编码模块用于根据量子密钥分发协议对所述激光信号进行编码，生成量子信号光脉冲；
9.所述接收端包括解码模块，其用于对所述量子信号光脉冲进行解码；
10.所述发送端和接收端中的至少一个还包括色散补偿模块，其用于为所述量子信号光脉冲提供可调节的色散补偿量；
11.其特征在于，所述色散补偿模块包括n个具有一个输入端及第一和第二输出端的1*2光开关、一个具有(n+1)个输入端和一个输出端的(n+1)*1光开关和n个色散补偿单元；
12.所述n个1*2光开关中的第一个的输入端被设置成接收所述量子信号光脉冲，第一输出端连接所述(n+1)*1光开关的第一输入端；
13.所述1*2光开关中的第i个的输入端通过所述色散补偿单元中的第i
‑
1个连接所述1*2光开关中的第i
‑
1个的第二输出端，第一输出端连接所述(n+1)*1光开关的第i个输入端；
14.所述1*2光开关中的第n个的第二输出端通过所述色散补偿单元中的第n个连接所述(n+1)*1光开关的第n+1个输入端；
15.其中，n为正整数，i为大于1且不大于n的整数。
16.进一步地，所述1*2光开关中的第一个的输入端连接有色散补偿单元。
17.进一步地，所述1*2光开关的第一输出端与所述(n+1)*1光开关的输入端之间未设置色散补偿单元。
18.可选地，所述色散补偿单元包括啁啾光栅、色散补偿光纤或者两者的组合。
19.优选地，所述色散补偿单元具有相同的色散补偿量。
20.本实用新型的第二方面涉及一种高效的量子密钥分发设备，其包括发送端和接收端；
21.所述发送端包括光源模块和编码模块，其中，所述光源模块用于生成激光信号，所述编码模块用于根据量子密钥分发协议对所述激光信号进行编码，生成量子信号光脉冲；
22.所述接收端包括解码模块和色散补偿模块，其中，所述解码模块用于对所述量子
信号光脉冲进行解码，所述色散补偿模块用于为所述量子信号光脉冲提供可调节的色散补偿量；
23.其特征在于，所述色散补偿模块包括一个1*2光开关和一个2*2光分束器；
24.所述1*2光开关的输入端与色散补偿单元相连；
25.所述1*2光开关的两个输出端分别连接所述2*2光分束器的两个输入端，以形成第一和第二路径，且所述第一和第二路径中的至少一个上设置有色散补偿单元。
26.可选地，所述色散补偿单元包括啁啾光栅、色散补偿光纤或者两者的组合。
27.优选地，所述色散补偿单元具有相同的色散补偿量。
28.优选地，所述2*2光分束器的第一和第二输出端分别连接单光子探测器和测试光路。
附图说明
29.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
30.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
31.图1示意性地示出了现有技术中用于经典光通信的一种色散补偿方案；
32.图2示意性地示出了现有技术的一种量子密钥分发方案；
33.图3示意性地示出了现有技术的另一种量子密钥分发方案；
34.图4示出了根据本实用新型的量子密钥分发设备中的色散补偿模块的一种具体实施方式；
35.图5示出了根据本实用新型的量子密钥分发设备中的色散补偿模块的另一具体实施方式；
36.图6示出了根据本实用新型的量子密钥分发设备中的色散补偿模块的又一具体实施方式。
具体实施方式
37.在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。
38.在本实用新型中，量子密钥分发设备可以包括发送端和接收端。
39.发送端可以包括光源模块和编码模块，其中，光源模块用于生成激光信号，编码模块用于根据量子密钥分发协议对激光信号进行编码，生成量子信号光脉冲。
40.接收端可以包括解码模块，其用于对接收到的量子信号光脉冲进行解码，以获得其承载的编码信息。
41.进一步地，发送端和接收端中的至少一个还可以包括色散补偿模块，其用于为量子信号光脉冲提供可调节的色散补偿量。
42.图4示出了根据本实用新型的色散补偿模块的一种具体实施方式。
43.如图4所示，色散补偿模块可以包括n个1*2光开关、一个(n+1)*1光开关、以及n个色散补偿单元。
44.1*2光开关可以具有一个输入端，以及第一和第二输出端。
45.(n+1)*1光开关可以具有(n+1)个输入端和一个输出端。
46.第i个色散补偿单元可以具有色散补偿量d
i
。作为示例，色散补偿单元可以包括啁啾光栅，或者色散补偿光纤，或者两者的组合，或者任何能够提供色散补偿的器件。
47.在本文中，色散补偿单元可以被理解成任何能够实现预设色散补偿量的个体或者组合。例如，第i个色散补偿单元可以由单个具有色散补偿量d
i
的色散补偿器件(啁啾光栅或色散补偿光纤)实现；也可以由多个色散补偿器件实现，这些色散补偿器件所提供的色散补偿量的总和为d
i
，且这些色散补偿器件可以是相同的，也可以是不同的。
48.继续参见图4，在该色散补偿模块中，可以将第一个1*2光开关的输入端用作输入端，用于连接光纤链路以接收待色散补偿的光脉冲，将(n+1)*1光开关的输出端用作输出端。
49.第一个1*2光开关的第一输出端连接(n+1)*1光开关的第一输入端，且两者之间不设置色散补偿单元，由此允许在第一个1*2光开关与(n+1)*1光开关之间建立其色散补偿量为0的第一色散补偿路径，例如图4中所示的路径0。
50.第i(i＞1)个1*2光开关的输入端可以通过第i
‑
1个色散补偿单元连接第i
‑
1个1*2光开关的第二输出端；并且，该第i个1*2光开关的第一输出端连接(n+1)*1光开关的第i个输入端，且两者之间不设置色散补偿单元，由此允许在第一个1*2光开关与(n+1)*1光开关之间建立第i条色散补偿路径(例如图4中所示的路径1，2
…
i，...)。
51.第n个1*2光开关的第二输出端可以通过第n个色散补偿单元连接(n+1)*1光开关的第n+1个输入端，由此允许在第一个1*2光开关与(n+1)*1光开关之间建立第n+1条色散补偿路径(例如图4中所示的路径n)。
52.本领域技术人员能够理解，在图4所示的色散补偿模块中，第一条色散补偿路径所提供的色散补偿量为0，第i条色散补偿路径可以为光脉冲提供的色散补偿量为
53.因此，在本实用新型的色散补偿模块中，可以允许通过对1*2光开关的控制，为光脉冲选通不同的色散补偿路径，从而输出不同的色散补偿量。
54.在本实用新型的色散补偿模块中，同一色散补偿单元可以复用于实现多个色散补偿路径以提供不同的色散补偿量，即，可以通过控制1*2光开关，从n个色散补偿单元中选择需要的色散补偿单元用于为光脉冲提供色散补偿，且所提供的色散补偿量为所选择的色散补偿单元的色散补偿量的总和。因此，在这种色散补偿模块中，不再需要设置具有大的色散补偿量的色散补偿单元(即允许仅设置具有小的色散补偿量的色散补偿单元)，即可为光脉冲提供大的色散补偿量，这例如在利用啁啾光栅实现色散补偿单元时尤其有利。甚至，可以允许色散补偿模块中的所有色散补偿单元具有相同的色散补偿量，这在例如降低生产和维护成本、改善色散调节精度等方面尤其有利。
55.进一步地，在图4所示的色散补偿模块的基础上，还可以在第一个1*2光开关的输入端设置其色散补偿量为d0的色散补偿单元，如图5所示。
56.本领域技术人员能够理解，在图5所示的色散补偿模块中，第i(i为1，...，n+1)条
色散补偿路径可以为光脉冲提供的色散补偿量为其尤其适用于最小色散调节量无需为零的应用场景，从而允许借助相同的光开关，为色散调节量提供更多的选择。
57.图6示出了根据本实用新型的色散补偿模块的又一具体实施方式，其特别适用于仅需少数个色散补偿量的应用场景。
58.如图6所示，色散补偿模块可以包括1*2光开关、2*2光分束器、以及第一和第二色散补偿单元。
59.其中，1*2光开关具有一个输入端以及第一和第二输出端。
60.2*2光分束器具有第一和第二输入端，以及第一和第二输出端。
61.第一和第二色散补偿单元可以分别具有第一和第二色散补偿量d1和d2。
62.在该色散补偿模块中，1*2光开关的输入端连接第一色散补偿单元。1*2光开关的第一和第二输出端分别连接2*2光分束器的第一和第二输入端，由此建立第一和第二路径。其中，可以在1*2光开关的第二输出端与光分束器的第二输入端之间的第二路径上设置第二色散补偿单元。
63.在通过控制1*2光开关选通第一路径用于光脉冲时，色散补偿模块则可以为光脉冲提供大小为d1的色散补偿量；当通过控制光开关选通第二路径用于光脉冲时，色散补偿模块则可以为光脉冲提供大小为d1+d2的色散补偿量。
64.在该色散补偿模块中，2*2光分束器的第一和第二输出端之一可以用于连接单光子探测器，另一个则可以用于连接测试光路，由此允许在实现自适应色散补偿的同时，提供系统监测/测试功能。
65.在本实用新型的色散补偿模块中，各个色散补偿单元可以具有相同或者不同的色散补偿量。优选地，可以使各个色散补偿单元具有相同的色散补偿量，由此可以例如减少物料型号，诸如减少啁啾光栅的模板定制费用等。
66.基于上文可见，相比现有技术中借助在不同色散补偿单元之间直接切换(即，色散补偿量由特定的色散补偿单元单独提供)的方式调节用于光脉冲的色散补偿量，在本实用新型所提出的量子密钥分发设备中，允许将同一色散补偿单元复用于实现不同的色散补偿量，通过控制光开关使作用于光脉冲上的色散补偿单元的数量逐渐增加或者减少，来调节用于光脉冲的色散补偿量，因此允许在量子密钥分发设备中设置具有较小色散补偿量的色散补偿单元来满足大色散补偿量的需求，该色散补偿单元则可以具有更大的带宽，具有更好的环境适应性，甚至无需负温度补偿封装或者温度控制，降低了技术难度且提高了可靠性。在色散补偿单元的色散量相同时，还可以减少物料型号，尤其是对于啁啾光栅而言，可以省去新型号啁啾光栅的模板定制费用，降低成本。由此可见，借助该色散补偿模块的优化设计，可以提高量子密钥分发设备的有效探测效率，提升其系统性能。
67.尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。