专利名称：偏振无关单光子波导相位调制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及保密通信类，具体的讲是涉及一种偏振无关单光子波导相位调制装置。
背景技术：
量子保密通信利用了单光子作为信息载体传递密钥，而单光子的量子特性确保了该密钥在传递过程中任何窃听都将会被发现。所以量子保密通信提供绝对安全可靠的密钥传递，利用该密钥的一次便签密码方法是目前唯一被理论证明是绝对保密的加密通信方法。
目前，利用光纤作为单光子传输介质，量子保密通信已经达到了接近100km的实用化距离。而这其中，一个很重要的环节就是对单光子的编码解码。由于光纤中有较强的偏振模色散，相位编码解码成为光纤中量子保密通信的首选，利用波导相位调制器能够在低压下实现单光子的相位调制从而实现单光子编码解码。
现有的绝大多数商售波导相位调制器是偏振相关的，即这些波导相位调制器只对一个偏振方向调制。而且更糟的是，很多单偏振相位调制器的另外一个偏振方向的光无法通过相位调制器，不适合单光子编码解码器，这是因为相位编码器是用于相位编码的，只希望与相位有关，而偏振相关的相位调制器对于某一个偏振方向是不调制的，且普通的偏振相关相位调制器对于该偏振方向的插损极大(假设是水平方向)，光在光纤中的偏振态在不断变化，所以无法保证经过相位调制的光是单偏振方向，对于单光子相位编码，要保证高的调制对比度就必须去除水平分量的光，这样会造成很大的插损，使得很多经过相位调制器的光脉冲是空脉冲，不含有信息，严重降低了编码效率。
现有的偏振无关的相位调制器制作复杂、价格昂贵，而且它的插入损耗超过-10dB，极不适合作单光子编码解码器。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种偏振无关单光子波导相位调制装置，该装置是在普通偏振相关的波导相位调制器的基础上，增加了偏振分束镜和法拉第反射镜等器件，使其成为一种偏振无关的相位调制装置。
本发明目的实现由以下技术方案完成本发明主要由波导相位调制器、偏振分束镜、法拉第反射镜、环形器构成，其中环形器的3个端口中，I端与外部的单光子源连接，III端是调制光出射端，II端与偏振分束镜连接，偏振分束镜分别与相位调制器及法拉第反射镜连接，连接各单元器件的可以是任意光纤。
本发明的波导相位调制器使用的是普通的偏振有关且一个偏振方向插损极大的相位调制器，如果直接使用该相位调制器，对于某一个偏振方向是不调制的，且对于该偏振方向的插损极大，即假设垂直方向被调制，则水平方向的光插损极大且不受调制。
本发明的特点是通过使用偏振分束镜和法拉第反射镜，将入射的任意偏振方向的光经偏振分束镜分解成互相垂直的两束光，一束直接调制，另一束经法拉第反射镜反射后，偏振方向转90°，然后再经相位调制器调制，使得经过相位调制器的光均是可以调制的。
本发明中，在光入射到相位调制器前使用偏振分束镜将它的水平和垂直偏振分量分开，假设让垂直偏振光直接经过相位调制器接受调制，然后再利用法拉第反射镜使偏振方向旋转至水平方向；而水平偏振光利用法拉第反射镜将其偏振方向旋转至垂直方向，然后使其经过相位调制器接受调制。因而使得经过相位调制器的光都是垂直偏振方向的，所以它的插损是比较小的，且得到了有效的相位调制，最后两束原先被分开的偏振光在偏振分束镜处重新合成一束光，只不过水平和垂直分量的光互相交换了方向，即合成后的光它的偏振方向改变了，但是对于相位编码，是无关紧要的。
本发明的优点是，可以利用普通偏振有关且另一个偏振方向插损极大的波导相位调制器，完成偏振无关相位调制，其中利用了简单的光学元件使通过相位调制器的光都是同一个偏振方向，该方向的光受到很好的相位调制，而且插损低，调制稳定，整套装置结构简单、偏振无关、损耗低、稳定度高并且调制对比度高，非常适用于长距离量子保密通信的单光子相位编码解码器。
附图概述附
图1为现有技术LiNbO3波导相位调制器的结构示意图；附图2为本发明结构示意图；附图3为本发明信号时序图；附图4为本发明单光子相位编码应用实例图；具体技术方案以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解本实施例采用的偏振相关的波导相位调制器是性价比很高的普通单偏振且另一偏振光不能通过的波导相位调制器如图1所示，它的单偏振方向的光插入损耗可低至-3dB左右，所采用的法拉第反射镜设计成偏振方向旋转90°，即入射的任意偏振方向的光，经其反射后，偏振方向旋转90°。
如图1-4所示，标号1-16分别表示单光子源入射端(1)、环形器(2)、偏振分束镜(3)、法拉第反射镜(4)、波导相位调制器(5)、调制光出射端(6)、输出光(7)、电极(8)、电光晶体(9)、电场(10)、波导(11)、单光子脉冲(12)、相位调制装置1(13)、相位调制装置2(14)、单光子探测器1(15)、单光子探测器2(16)。
本实施例主要由波导相位调制器(5)、偏振分束镜(3)、法拉第反射镜(4)、环形器(2)构成，其中环形器(2)的3个端口，I端与外部的单光子源(1)连接，III端是调制光出射端(6)，II端与偏振分束镜(3)的4个端面中的端面a连接，其端面b与相位调制器(5)的端口A连接(此段光纤记作L1)，端面d与相位调制器(5)的端口B连接(此段光纤记作L2)，端面c与法拉第反射镜(4)连接(此段光纤记作L3)，连接各单元器件的可以是任意光纤，一般现在普遍采用单模光纤，L1，L2，L3如果采用保偏光纤效果更好，可以进一步改善本实施例的保偏性能，并进一步提高调制稳定性和对比度。
本实施例在使用时，假设一束任意偏振方向的光从环形器(2)的I端入射，II端出射到达偏振分束镜(3)，这束光被偏振分采镜(3)分成水平和垂直于偏振分束镜(3)主轴的两束光，假设垂直偏振方向与相位调制器(5)调制的偏振方向一致，则这束经过偏振分束镜(3)反射的垂直偏振光经过相位调制器(5)时受到了相位调制，经偏振分束镜(3)端面d完全反射到达法拉第反射镜(4)，由于法拉第反射镜(4)的磁光效应，这束垂直偏振光转向了它的偏振互补方向，即水平偏振方向，反射回端面c，然后完全透射至端面a；另外一束水平偏振光经端面c透射到达法拉第反射镜(4)，转向垂直偏振方向，然后经偏振分束镜(3)完全反射从端面d出射经过相位调制器(5)，此时的光偏振方向也是垂直方向，所以可以通过相位调制器(5)受到相位调制后到达偏振分束镜(3)端面a。这两束受到调制的光在整个光路中经过的总路径是一样的，所以它们回到端面a的时间相同，在端面a它们重新叠加回到环形器(2)的端口II，最后由端口III出射。值得注意的是任意偏振方向的光都可以分解成水平和垂直方向，只是分解比例不同，通过本实施例这套装置，两个方向的光都受到了相位调制，从而实现了两个偏振方向的相位调制。出射后，两束经分解的光偏振方向转向了各自的互补方向，所以在端面a叠加后总的偏振方向有一个转动。对光的相位调制满足公式Δφ=VVππ,]]>其中Vπ是波导相位调制器的半波电压，5伏左右。
同理，本实施例作为单光子相位编码解码器，入射进环形器端口I的是单光子，设单光子入射偏振方向和偏振分束镜主轴夹角为α，则该单光子以cos2α的概率塌缩到水平偏振方向透射，经端面c到达法拉第反射镜，然后转向垂直方向，经偏振分束镜反射由端面d经过相位调制器，经偏振分束镜反射回到端面a。该单光子还有sin2α概率塌缩到垂直偏振方向反射，由端面b经过相位调制器，经过偏振分束镜反射到达法拉第反射镜，偏振方向转向水平方向回到端面c透射回端面a。由于两种路径相等，所以两种概率经调制后回到端面a的时间相等，单光子态重新叠加，只是偏振方向改变了，这种改变对于单光子相位调制效果没有影响。
脉冲光的调制过程中，相位调制器施加的调制脉冲宽度应该大于激光脉宽，保证两个光脉冲完全被调制。取编振分束镜b面和d面至相位调制器的光纤长度等长，则两束光同时到达相位调制器，所以只需一个调制脉冲便可以同时完成对两个光脉冲的调制。假设由b端面进入相位调制器的光脉冲为s，由d端面进入相位调制器的光脉冲为h，光脉冲从入射至分成两个脉冲然后到达相位调制所需时间由其间的光纤长度决定，可灵活掌握，光在光纤中传输延时为5ns/m，取两路均为1m，延时即为5ns。调制信号与入射光脉冲和光路中分开的两个光脉冲的时间序列见图3。
按照公式Δφ=VVππ,]]>使用不同的相位调制电压就可以对单光子施加不同的相位调制。在量子保密通信中，双方约定某个相位差值为1，某个相位差值为0，就可实现对单光子的编码解码。
本发明装置结构简单，可对任意偏振方向的入射光进行调制。不同于普通单偏振波导相位调制器，它对入射光的两个偏振方向都施加了调制，且损耗接近普通单偏振波导相位调制器的-3dB左右，成本也接近普通波导相位调制器。值得注意的是普通单偏振波导相位调制器的损耗是针对单偏振方向的光的损耗，另一个偏振方向的光损耗极大，不能通过。本发明装置巧妙利用了法拉第反射镜和偏振分束镜，使得两个偏振方向的光先后都以同一个偏振方向通过普通波导相位调制器，实现了两个偏振方向的相位调制，而且它的损耗是针对两个偏振方向的光而言的。在长距离的光纤中偏振态很难保持，使用普通单偏振波导相位调制器很难实现稳定的调制，而该装置两个偏振方向都可以进行相位调制，使得在经过长距离光纤后的调制仍旧十分稳定。
图4是本发明作为量子保密通信相位编码解码器的一种简单方案。相位调制装置1插入Mache-Zender干涉仪中实现相位编码功能，由它编码的单光子经长距离光纤到达由相位调制装置2构成的相位解码单元，通过它的解码获得信息。整套系统中，相位调制装置1、2起到了相位编码解码的核心作用，由于它们的偏振无关特性，使得该系统可以克服光纤中的偏振抖动引起的调制不稳定。
权利要求
1.一种偏振无关单光子波导相位调制装置，其特征在于该装置主要由波导相位调制器、偏振分束镜、法拉第反射镜、环形器构成，其中环形器与偏振分束镜连接，偏振分束镜分别与相位调制器及法拉第反射镜连接，连接各单元器件的可以是任意光纤。
2.根据权利要求1所述的一种偏振无关单光子波导相位调制装置，其特征在于所述的环形器有三个端口，其中I端与外部的单光子源连接，III端是调制光出射端，II端与偏振分束器连接。
3.根据权利要求1所述的一种偏振无关单光子波导相位调制装置，其特征在于所述的连接各单元器件所使用的光纤可以是单模光纤，或者可以是保偏光纤。
4.根据权利要求1所述的一种偏振无关单光子波导相位调制装置，其特征在于所述的波导相位调制器是普通单偏振且另一偏振光不能通过的偏振相关的波导相位调制器。
5.根据权利要求1或4所述的一种偏振无关单光子波导相位调制装置，其特征在于所述的波导相位调制器的单偏振方向的光插入损耗为-3dB。
6.根据权利要求1所述的一种偏振无关单光子波导相位调制装置，其特征在于所述的法拉第反射镜设计成偏振方向旋转90度，即入射的任意偏振方向的光，经其反射后，偏振方向旋转90度。
全文摘要
本发明涉及保密通信类，具体的讲是涉及一种偏振无关单光子波导相位调制装置，该装置主要由波导相位调制器、偏振分束镜、法拉第反射镜、环形器构成，其特点是，利用了简单的光学元件使通过相位调制器的光都是同一个偏振方向，该方向的光受到很好的相位调制，而且插损低，调制稳定，整套装置器结构简单、偏振无关、损耗低、稳定度高并且调制对比度高，非常适用于长距离量子保密通信的单光子相位编码解码器。
文档编号H04K1/00GK1561018SQ20041001650
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月24日 优先权日2004年2月24日
发明者曾和平, 吴光, 周春源, 陈修亮 申请人:华东师范大学