本发明涉及量子通信与集成光学技术领域，尤其涉及一种量子密钥分发所需要的片上高速偏振控制编码器。
背景技术：
现在的互联网信息安全的加密方式称为“公开密钥”密码体系，其原理是通过加密算法，生成网络上传播的公开密钥，以及留在计算机内部的私人密钥，两个密钥必须配合使用才能实现完整的加密和解密过程。现代密码学使用的加密标准是20世纪70年代诞生的rsa算法，即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性。随着计算能力的不断提升，特别是量子计算机概念的提出，rsa的安全性受到了挑战。量子密码是量子力学和密码学相结合的产物，它解决了经典密码体制的密钥分配的难题。量子密码的安全性由量子力学基本原理——测不准原理和单量子态不可克隆定理保证，所以在密钥分配过程中，公开信道中的数据不必担心被窃听。它是目前科学界公认唯一能实现绝对安全的通信方式，从而各国相继开展了研究并取得了巨大成功。1984年，物理学家bennett和密码学家brassard提出了基于量子力学测量原理的“量子密钥分配”bb84协议，被广泛的研究和实际实现，但仍有许多问题在探索阶段，尚未实现大规模实用化，离商业化应用则有更大的距离。
目前公认的量子密钥分发装置主要是基于传统的分立光学棱镜或光纤器件，体积大，难以集成，成本高，不利于大规模的商业化。
随着硅基光子学的发展，分立光学器件的功能逐渐可在片上实现，从而方便集成，同时利用成熟的硅器件加工平台，可以实现大规模低成本的量产。于是人们开始尝试将量子密钥分发装置所需的器件和子系统集成在片上。其中核心的偏振控制编码器需要制备不同光的偏振态，然而因为硅材料没有线性电光效应，调制折射率来实现相位延迟主要是依靠热光效应和等离子色散效应，热光效应速度慢，难以实现高速的调制，等离子色散效应相对弱的多，实现较大的相位延迟困难，且会同时引入额外的损耗，因而很难实现高速的片上偏振控制编码器。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种用于量子密钥分发的片上高速偏振控制编码器，其是利用硅的热光效应较大，可以实现大的相位变化来设计相位延迟器和硅材料的等离子色散效应可实现快速的调制的特性实现高速的光衰减器，通过其他器件的结合从而可实现一种片上的硅基高速偏振控制编码器。
为达到上述目的，本发明提供一种用于量子密钥分发的硅基片上高速偏振控制编码器，包括：
一偏振分束旋转器，其输入端与一输入波导连接；
一第一1×4光分束，其输入端与偏振分束旋转器的输出端口1连接；
一第一相位延迟器、一第二相位延迟器、一第三相位延迟器和一第四相位延迟器，其四路相位延迟器的一端与第一1×4光分束的输出端连接，另一端分别连接有一第一可调光衰减器；
一第二1×4合束器，其输入端与第一1×4光分束之后的第一可调光衰减器的另一端连接，用于将输入的单路光分成等光强的四束或将四束输入合成为一束；
一偏振合束器，其输入端口1与第二1×4合束器的输出端连接，其输入端口2通过一第二可调光衰减器与偏振分束旋转器的输出端口2连接，用于将两路偏振方向正交的光合成为一束输出，该偏振合束器的输出端与一输出波导连接。
由上述技术方案可以看出，本发明的特点在于：同时利用了硅的热光效应较大，可以实现大的相位变化来设计相位延迟器和硅材料的等离子色散效应可实现快速的调制的特性实现高速的光衰减器，通过其他器件的结合从而可实现一种片上的硅基高速偏振控制编码器。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明如后，其中：
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种用于量子密钥分发的硅基片上高速偏振控制编码器，包括：
一偏振分束旋转器2，其输入端与一输入波导1连接；输入波导1支持横电场模基模传输。线偏振的激光从输入波导1输入，因为波导只支持横电场模基模，所以此偏振方向和模式一直保持到偏振分束旋转器2。经过偏振分束旋转器2，输入的光变成等光强的两束，输出端口1的一束偏振方向保持不变，输出端口2的一束偏振方向变成横磁场模基模，输出端口后连接的波导结构分别可支持横电场模基模和横磁场模基模，光在其中可稳定传输。
一第一1×4光分束3，其输入端与偏振分束旋转器2的输出端口1连接；其作用是将输入的光分成等光强等相位的四份，可采用定向耦合器，或多模干涉耦合器来实现。
一第一相位延迟器4、一第二相位延迟器5、一第三相位延迟器6和一第四相位延迟器7，其四路相位延迟器的一端与第一1×4光分束3的输出端连接，另一端分别连接有一第一可调光衰减器8，所述四路第一可调光衰减器8均采用马赫-增德尔干涉结构，对其干涉的两个臂分别掺杂形成pn结结构，用等离子色散效应来调谐其两臂的相位差，可实现高消光比和高速的动态衰减速度，所述四路第一可调光衰减器8均通过控制信号的同步，使得工作时四路中只有需要使用到的相位对应的一路光强是无衰减的，其余三路光强的衰减均为最大，为达到足够高的消光比，四路相位延迟器后均可同时级联多个第一可调光衰减器8；
其中第一、第二、第三和第四相位延迟器4、5、6和7，通过采用硅的热光效应来改变材料的折射率，从而改变通过相位延迟器的光的相位来实现相位延迟，延迟的大小可通过加热的温度的不同来调谐，使得经过的四路光在第二偏振合束器10的输入端口1的和输入端口2的光相位差分别为0°、90°、180°、270°，当同步的高速控制信号控制四路第一可调光衰减器8使得相位差分别为0°，90°，180°，270°的光路导通时，通过第二偏振合束器10，来自第二1×4合束器12的输出的横电场模的光和第二可调光衰减器9输出的的横磁场模的光被合束，此时的输出波导11中光的偏振态分别为45°的线偏振光，左旋圆偏振光，135°线偏振光，右旋圆偏振光，以满足bb84协议的要求。然后经过继续传输到需要的位置或耦合进光纤中传输。偏振态的变换速度由高速光衰减器的性能决定，典型可达到几gbps到几十gbps；
一第二1×4合束器12，其输入端与第一1×4光分束器3之后的第一可调光衰减器8的另一端连接，用于将输入的四束输入光合成为一束输出，可采用定向耦合器，或多模干涉耦合器来实现；
一偏振合束器10，其输入端口1与第二1×4合束器12的输出端连接，其输入端口2通过一第二可调光衰减器9与偏振分束旋转器2的输出端口2连接，用于将来自第二1×4合束器12的输出端的横电场模的光和来自第二可调光衰减器9输出端的横磁场模的两路偏振方向正交的光合成为一束输出，该偏振合束器10的输出端与一输出波导11连接，输出波导11中横电场模和横磁场模两种偏振成分的比例与其两个输入端的相同。所述第二可调光衰减器9采用马赫-增德尔干涉结构，因其对调谐速度没有要求，可用等离子色散效应或热光效应来调谐其衰减量，保证到达偏振合束器10的输入端口1和输入端口2的光的光强相等。
其中第一偏振分束旋转器2的输出端口1输出到第二偏振合束器10的波导均只支持横电场模基模传输，第一偏振分束旋转器2的输出端口2输出到偏振合束器10的输入端口2的波导均只支持横磁场模基模传输，以尽量减少在传输过程中的损耗和无关的串扰产生；
其中输入波导1支持横电场模基模传输，输出波导11支持横电场模基模和横磁场模基模传输；
其中所述的所有器件均制作在绝缘体上的硅上。
上文所述的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并不是用以限制本发明的保护范围，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化均属于本发明的保护范围。