一种小型化光量子编码装置及方法与流程

本发明涉及量子通信技术领域，更具体涉及一种小型化光量子编码装置及方法。

背景技术：

在现生活中，信息安全问题关乎国家安全、商业机密以及个人隐私，因此在信息传输过程中，需要对信息进行加密，有效保障信息的安全。其中，量子密钥分发(quantumkeydistribution，qkd)基于量子力学的基本原理，具有不可窃听性和不可破译性，为信息传输提供了安全保障。随着量子通信产业化的推进，量子通信已走出实验室朝商业化发展。在朝着商业化发展的过程中，实现简单、小型系统对降低设备成本拓展用户具有重大意义。

量子通信中的量子密钥分发设备主要由发送端和接收端，即分别对应量子编码装置和解码装置组成。目前由于单光子探测器需制冷等因素，其体积较大，一定程度上限制了接收端的小型化。若实现发送端的小型化，可以极大的方便发送端使用者，大幅扩展其应用场景。目前主流的发送端的编码方案有偏振编码和相位编码。对于相位编码方案由于使用了干涉仪，其需要精确的长度匹配，对环境变化极其敏感，往往需要进行保温和减震等设计，一定程度上限制了其进行小型化。

对于偏振编码方案，主要又分为单激光器方案和多激光器。其中，论文《practicalaspectsofquantumcryptographickeydistribution》(j.cryptology(2000)13:207-220)对多激光器进行了研究。多个激光器(常见4个)激发的光脉冲经不同路径后得到不同的特定偏振态，通过控制激光器的发光与否，实现所需偏振态的制备，经保偏光耦合器合束，再经可调衰减器衰减到单光子输出。如图1所示，激光器(laserdiode，ld)所发射的光脉冲经过不同路径后得到不同的特定偏振态，通过控制激光器的发光与否，实现所需偏振态的制备，经保偏偏振分束器(polarizationmaintainingbeamsplitter，pmbs)合束，再经过可调光衰减器(variableopticalattenuator，voa)衰减到单光子输出。该方案，使用了多个激光器，要求四路激光产生的光脉冲除偏振特性可以有差别外，其余特性均需保持一致，否则该方案具有安全性上的漏洞，容易受到攻击。这对激光器的控制和稳定性方面的要求较高，实现难度较大，同时多个激光器的使用也一定程度限定了其小型化。

对于单激光器，例如，专利《一种全光纤高速偏振控制系统和方法》(公开号：cn103969841a)，该方案中通过调节sagnac环内相位调制器来实现不同光偏振态的制备。如图2所示，该方案需使用到相位调制器、起偏器、环形器和偏振分束器等器件，相位调制器体积较大，使用器件数量较多，限制了小型化的实现，并且使用前需对半波电压进行标定以及驱动电脉冲与光脉冲对齐，标定过程较为复杂。

单激光方案中也有通过三个分束器将光分成4束后，经强度调制器控制光的通过和截断，再经偏振制备器件制备成特定偏振态后输出，如专利《一种光量子编码装置及其编码方法》(公开号：cn101799586b)。该方案的装置如图3所示，该方案用到了多个分束器和强度调制器，大大增加了体积，限制了小型化的实现。

可见，现有技术中使用分立光纤器件进行搭建编码装置，使用器件数量多、体积大，从而操作不方便、成本高，使得应用的场景比较窄。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于现有技术中量子密钥分发设备体积大的问题，提供一种小型化光量子编码装置及方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，具体技术方案如下：

一种小型化光量子编码装置，包括：电吸收调制激光器、保偏高速光开关和被动偏振制备器；所述电吸收调制激光器的发射端与所述保偏高速光开关的输入端利用保偏光纤进行连接，所述保偏高速光开关的4路输出端分别与所述被动偏振制备器的4路输入端利用保偏光纤进行连接；所述电吸收调制激光器的发射端发射某一偏振态光脉冲，所述被动偏振制备器的输出端输出所需制备的特定偏振态光子。

优选的，所述保偏高速光开关选通4路输出中的某一路，并输出所述某一偏振态光脉冲，其余3路处于关断。

优选的，所述保偏高速光开关的开关速度根据所述装置的工作频率进行选择。

优选的，所述被动偏振制备器为一个无源的集成光纤器件。

优选的，所述被动偏振制备器包括两个渥拉斯顿棱镜和一个半透半反镜，所述两个渥拉斯顿棱镜包括第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜。

优选的，所述被动偏振制备器的输入端ⅰ路的偏振态光脉冲与输入端ⅱ路的偏振态光脉冲经过所述第一渥拉斯顿棱镜，所述被动偏振制备器的输入端ⅲ路的偏振态光脉冲与输入端ⅳ路的偏振态光脉冲经过所述第二渥拉斯顿棱镜，所述两个渥拉斯顿棱镜出射的偏振态光脉冲都经过所述半透半反镜后在同一位置出射所述特定偏振态光子。

优选的，所述第二渥拉斯顿棱镜绕着偏振态光脉冲的传播方向相对所述第一渥拉斯顿棱镜旋转45°放置，相同偏振态光脉冲经过所述两个渥拉斯顿棱镜后，所述两个渥拉斯顿棱镜出射的两对正交偏振态光脉冲成45°夹角。

优选的，所述被动偏振制备器处理相同偏振态光脉冲后，输出端输出4种不同方向的偏振态光子，所述4种偏振态光子为0°偏振态光子、45°偏振态光子、90°偏振态光子和135°偏振态光子。

提供一种小型化光量子编码装置的编码方法，包括：

电吸收调制激光器发射某一偏振态光脉冲；

保偏高速光开关接收所述电吸收调制激光器所发射的所述某一偏振态光脉冲；

控制所述保偏高速光开关，使得所述保偏高速光开关的4路输出端中的某1路端口输出所述某一偏振态光脉冲，其余3路输出端无光输出；

被动偏振制备器接收所述保偏高速光开关所输出的所述某一偏振态光脉冲；

经过所述被动偏振制备器的处理后，所述被动偏振制备器的输出端输出所需制备的特定偏振态光子。

优选的，所述方法包括：

所述电吸收调制激光器发送|h>偏振态光脉冲给所述保偏高速光开关，控制所述保偏高速光开关选通ⅰ路输出h>偏振态光脉冲给所述被动偏振制备器，其余3路处于关断，所述被动偏振制备器的输入端ⅰ路接收到|h>偏振态光脉冲，经过所述被动偏振制备器的处理后，输出端输出|h>偏振态光子；

所述电吸收调制激光器发送|h>偏振态光脉冲给所述保偏高速光开关，控制所述保偏高速光开关选通ⅱ路输出|h>偏振态光脉冲给所述被动偏振制备器，其余3路处于关断，所述被动偏振制备器的输入端ⅱ路接收到|h>偏振态光脉冲，经过所述被动偏振制备器的处理后，输出端输出|v>偏振态光子；

所述电吸收调制激光器发送|h>偏振态光脉冲给所述保偏高速光开关，控制所述保偏高速光开关选通ⅲ路输出|h>偏振态光脉冲给所述被动偏振制备器，其余3路处于关断，所述被动偏振制备器的输入端ⅲ路接收到|h>偏振态光脉冲，经过所述被动偏振制备器的处理后，输出端输出|+>偏振态光子；

所述电吸收调制激光器发送|h>偏振态光脉冲给所述保偏高速光开关，控制所述保偏高速光开关选通ⅳ路输出|h>偏振态光脉冲给所述被动偏振制备器，其余3路处于关断，所述被动偏振制备器的输入端ⅳ路接收到|h>偏振态光脉冲，经过所述被动偏振制备器的处理后，输出端输出|->偏振态光子。

可见，本发明公开了小型化光量子编码装置，包括：电吸收调制激光器、保偏高速光开关和被动偏振制备器；电吸收调制激光器的发射端与保偏高速光开关的输入端利用保偏光纤进行连接，保偏高速光开关的4路输出端分别与被动偏振制备器的4路输入端利用保偏光纤进行连接；电吸收调制激光器的发射端发射某一偏振态光脉冲，被动偏振制备器的输出端输出所需制备的特定偏振态光子。本发明还公开了一种小型化光量子编码的编码方法。

本发明的优点在于：本发明所使用的器件少，可显著减小量子通信发送端光学模块的体积，从而操作方便、成本低，所使用的量子编码的方法更加方便，且利用的是单激光器，本发明的安全性高，使得应用的场景更加广泛。

附图说明

图1是多激光器光量子编码装置原理示意图；

图2是cn103969841a提出的光量子编码方法；

图3是cn101799586b提出的光量子编码方法；

图4是本发明实施例的一种小型化光量子编码装置的结构示意图；

图5是本发明实施例的被动偏振制备器对偏振态光脉冲的制备过程的原理图；

图6是本发明实施例的一种小型化光量子编码装置的编码方法的流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图4所示，一种小型化光量子编码装置，包括电吸收调制激光器1、保偏高速光开关2、被动偏振制备器3；电吸收调制激光器1的发射端与保偏高速光开关2的输入端利用保偏光纤进行连接，保偏高速光开关2的4路输出端分别与被动偏振制备器3的4路输入端利用保偏光纤进行连接。其中，电吸收调制激光器1发射某一偏振态光脉冲(如垂直线偏振态光脉冲)，经过保偏光纤传输，保偏高速光开关2接收到偏振态光脉冲；保偏高速光开关2接收到偏振态光脉冲后，保偏高速光开关2根据调制信号，使得输入的偏振态光脉冲仅经4路输出端中的某1路传输，其余3路无光通过；保偏高速光开关2的某1路输出端输出的偏振态光脉冲，经过保偏光纤传输，到达其相连接的被动偏振制备器3的输入端，经被动偏振制备器3处理后，被动偏振制备器3输出端输出所需制备的特定偏振态光子，被动偏振制备器3的输出端为单模光纤。

具体的，电吸收调制激光器1以一定频率发射偏振态光脉冲，通过控制保偏高速光开关2中4路(ⅰ、ⅱ、ⅲ和ⅳ)中的某1路输出，则在被动偏振制备器3的输出端输出相应偏振态光子。其中，电吸收调制激光器1发射的偏振态光脉冲为|h>偏振态光脉冲，控制保偏高速光开关2仅i路选通，则被动偏振制备器3的输入端1有|h>偏振态光脉冲入射，其余端口无光入射，|h>偏振态光脉冲经过被动偏振制备器3处理后，被动偏振制备器3的输出端输出|h>偏振态光子；电吸收调制激光器1发射的偏振态光脉冲为|h>偏振态光脉冲，控制保偏高速光开关2仅ⅱ路选通，则被动偏振制备器3的输入端2有|h>偏振态光脉冲入射，其余端口无光入射，|h>偏振态光脉冲经过被动偏振制备器3处理后，被动偏振制备器3的输出端输出|v>偏振态光子；电吸收调制激光器1发射的偏振态光脉冲为|h>偏振态光脉冲，控制保偏高速光开关2仅ⅲ路选通，则被动偏振制备器3的输入端3有|h>偏振态光脉冲入射，其余端口无光入射，|h>偏振态光脉冲经过被动偏振制备器3处理后，被动偏振制备器3的输出端输出|+>偏振态光子；电吸收调制激光器1发射的偏振态光脉冲为|h>偏振态光脉冲，控制保偏高速光开关2仅ⅳ路选通，则被动偏振制备器3的输入端4有|h>偏振态光脉冲入射，其余端口无光入射，|h>偏振态光脉冲经过被动偏振制备器3处理后，被动偏振制备器3的输出端输出|->偏振态光子。

具体的，电吸收调制激光器1通过对电吸收晶体进行调节，实现输出的偏振态光脉冲得到衰减，以符合量子密钥分发的光强度要求，如将最终发射出的偏振态光脉冲衰减至每脉冲0.6个光子水平。电吸收调制激光器1同时也可实现所输出的偏振态光脉冲的强度在两个特定强度间进行随机切换，实现信号态和诱骗态的制备。例如，电吸收调制激光器1将发射的偏振态光脉冲衰减至每脉冲0.6个光子水平和每脉冲0.3个光子水平之间进行随机切换，即完成信号态和诱骗态的制备。

具体的，保偏高速光开关2的速度需与该量子编码装置的工作频率相匹配，该量子编码装置的工作频率决定着选择多少工作速度的保偏高速光开关2。例如，该量子编码装置的工作频率达到100mhz，则保偏高速光开关2的速度需达到10ns。其中，保偏高速光开关2根据调制信号，使得输入的偏振态光脉冲仅经4路输出端中的某1路传输，其余3路无光通过。

如图5所示，被动偏振制备器3为一个无源的集成光纤器件，被动偏振制备器3包括输入端31、32、33、34，输出端38，第一渥拉斯顿棱镜35，第二渥拉斯顿棱镜36，半透半反镜37；被动偏振制备器3的4路输入端，都用于接收某一偏振态光脉冲(如垂直线偏振态光脉冲)；被动偏振制备器3的输出端38用于输出所需制备的特定偏振态光子；相同偏振态光脉冲经过第一渥拉斯顿棱镜35、第二渥拉斯顿棱镜36和半透半反镜37的处理，获得4种不同方向的偏振态光子，其中，4种偏振态光子为0°偏振态光子、45°偏振态光子、90°偏振态光子和135°偏振态光子。

具体的，被动偏振制备器3的输入端31和输入端32接收到相同偏振态光脉冲后，先经过被动偏振制备器3中的第一渥拉斯顿棱镜35，再经过半透半反镜37，通过第一渥拉斯顿棱镜35和半透半反镜37对垂直偏振态光脉冲的处理，被动偏振制备器3的输出端38输出90°偏振态光子和0°偏振态光子；第二渥拉斯顿棱镜36绕着偏振态光脉冲的传播方向相对第一渥拉斯顿棱镜35旋转45°放置，被动偏振制备器3的输入端33和输入端34接收到相同偏振态光脉冲后，偏振态光脉冲先经过被动偏振制备器3中的第二渥拉斯顿棱镜36，再经过半透半反镜37，通过第二渥拉斯顿棱镜36和半透半反镜37对垂直偏振态光脉冲的处理，被动偏振制备器3的输出端38输出45°偏振态光子和135°偏振态光子；这4种偏振态光子是两对正交偏振态光子成45°夹角，0°偏振态光子与45°偏振态光子成45°夹角，90°偏振态光子与135°偏振态光子成45°夹角，其中，0°偏振态光子与90°偏振态光子相互垂直，45°偏振态光子与135°偏振态光子相互垂直。

如图6所示，一种小型化光量子编码装置的编码方法的处理过程为首先开启电吸收调制激光器，其中，电吸收调制激光器发射某一偏振态光脉冲；启动保偏高速光开关，保偏高速光开关接收到某一偏振态光脉冲后，该保偏高速光开关控制4路输出端中的某1路端口输出某一偏振态光脉冲，其余3路处于关断状态；被动偏振制备器接收到保偏高速光开关所输出的某一偏振态光脉冲后，该被动偏振制备器处理某一偏振态光脉冲，被动偏振制备器的输出端输出所需制备的特定偏振态光子。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。