一种自稳定的强度调制装置及量子密钥分发系统的制作方法

本实用新型涉及光学强度调制技术领域，更具体地涉及用于诸如量子密钥分发系统的自稳定的光学强度调制装置及量子密钥分发系统。

背景技术：

量子通信作为国际通信领域的新兴方向和研究热点之一，近年研究进展较快，实用范围较广，相对于传统的通信领域，有了质的提高。而量子通信的关键点之一，就是量子秘钥分发。量子秘钥分发利用量子力学的基本原理，将随机数比特序列用光子承载，通过传统信道建立起一套量子秘钥，由此实现量子秘钥分发。由于量子不可复制等量子力学特性，量子密钥分发在原理上是绝对保密的，无法被窃听。因此，量子密钥分发相对于传统通信，有着无可比拟的优势。

在量子密钥分发系统中，信号光在由激光器产生之后，需要通过强度调制，来适配整个系统对光强度的要求。这就需要有相应的光强度调制的方案和装置,来提供对光信号强度的调制。现有的诸多强度调制方案中，最常用、也是实用范围最广的方案就是基于等臂干涉仪的强度调制方案。图1示意性地给出了基于等臂干涉仪的强度调制器的等效光路。如图1所示，这种强度调制器包括一个等臂干涉仪及偏振分束器，其中在等臂干涉仪的一个臂上设有相位调制器。在干涉仪的入口处，入射信号光由分束器分成两束光，分别沿着等臂干涉仪的两臂传输，其中一臂上的相位调制器对该路的光加上附加的相位。由于臂长相同，两路光在干涉仪的出口处同时汇合并且发生干涉，其相位差(相位调制器附加)决定了这两路光的干涉强度，从而达到强度调制的效果。

然而现有的这种方案，由于引入了等臂干涉仪，使得干涉仪的两臂臂长必须严格一致，以此来保证干涉的效果。但是在实际应用过程中，干涉仪的两臂臂长很难确保严格一致，所以导致干涉对比度不佳，产生的效果就是调制的对比度不高，也即调制最大光强和最小光强的比例不高，一般商用强度调制器的对比度典型值为100:1。除此之外，干涉时两臂的相位差也不能保持长期的稳定性,例如干涉仪两臂的长度容易受到温度等外界环境的影响而发生变化，这种变换将会在最后复合的信号上引入一个不希望且未知的相位差Δθ，从而造成强度调制结果产生漂移，为此通常还需要额外增加相应的强度反馈装置来弥补这种未知的变化。这就使在实际中该方案的强度调制效果不佳，稳定性不好，结构复杂，且成本较高，不利于大规模集成化的推广与应用。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提出了一种基于萨格纳克效应的强度调制装置及量子密钥分发系统。在本实用新型中，利用萨格纳克双向环结构为用于干涉的两个光分量提供了完全一致的光路，解决了现有技术中两个光路难以保持稳定一致的问题；同时，通过对两个光分量进行不同的相位调制以在两者之间形成调制相位差，从而产生不同的干涉结果，实现对输出光强的控制。

根据本实用新型的一个方面，公开了一种无需额外相位反馈、可自行消除外部干扰而保持稳定的强度调制装置。该强度调制装置可以包括保偏的分束器和保偏的相位调制器。

保偏的分束器可以包括第一端口至第四端口，第二端口和第三端口之间可以通过保偏光纤连接以形成一个双向环光路。其中，当第一端口为输入端时，第二和第三端口可以分别为反射和透射输出端；当第二端口为输入端时，第一和第四端口可以分别为反射和透射输出端。

保偏的分束器可以被配置成在第一端口处接收待调制的光，并将待调制的光分成第一分量和第二分量。其中，第一分量和第二分量可以分别在分束器的第二和第三端口输出进入双向环光路。

保偏的相位调制器可以被设置在双向环光路中，且被配置成对第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成一个调制相位差Δθ。

保偏的分束器可以进一步被配置成使经相位调制的第一分量和第二分量汇合，并在分束器的第一端口和/或第四端口处输出干涉光，从而提供经强度调制的输出光。

进一步地，本实用新型的强度调制装置还可以包括光学传输单元。该光学传输单元可以包括第一至第三端口，其中，从第一端口输入的光可以由第二端口输出，从第二端口输入的光可以由第三端口输出。光学传输单元可以被配置成：第一端口用于接收待调制的光，并且第二端口通过单模光纤连接分束器的第一端口。光学传输单元的第三端口可以被用于输出经强度调制的光。

优选地，分束器可以为50:50的分束器。

可选地，光学传输单元可以为环形器。

可选地，相位调制器可以为电学相位调制器。

借助本实用新型的强度调制装置，可以借助非常简单的光路结构为入射光提供与环境无关的强度调制，且整个调制过程不涉及偏振态的调制，极大降低了对光路设计要求，改善了强度调制过程的长时间稳定性，其尤其适合对强度调制稳定性和对比度要求高的量子通信领域中的应用场合。

因此，在本实用新型的另一方面，还公开了一种量子密钥分发系统，其可以包括本发明的强度调制装置。

附图说明

图1示意性地示出了现有技术的等臂干涉强度调制装置；

图2示意性地示出了根据本实用新型的强度调制装置的示例性实施例；

图3示意性地示出了根据本实用新型的强度调制装置中第一光分量的相位调制过程；以及

图4示意性地示出了根据本实用新型的强度调制装置中第二光分量的相位调制过程。

具体实施方式

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。

在20世纪初期，萨格纳克提出了一种可以旋转的环形干涉仪，其中借助分光镜将一束入射光分为彼此垂直的两束分量光，让这两束分量光在同一个光学环路内沿相反方向传播，两束光在沿环路循行一周后将同时回到分光镜处会合并发生干涉。当在光学环路平面内有旋转角速度时，所形成的干涉条纹将会发生移动，这就是通常所说的萨格纳克(sagnac)效应。萨格纳克效应最为一个广泛的应用就是用于进行转动传感，通常利用同一光纤绕成的光纤圈来提供上述的光学环路，由此构成一种光纤陀螺结构。

在萨格纳克效应的上述双向光路环结构的基础上，还衍生了一系列的应用。例如，现有技术中公开了可以在电流传感器中应用萨格纳克光路结构以提供非接触式的电流测量的技术方案；还公开了在基于偏振编码的量子密钥分发系统中应用萨格纳克光路结构来进行诸如偏振态制备等技术，从而实现信号光的高效高速制备，避免了诸如因使用传统光纤偏振控制器等原因带来的缺陷。

针对现有技术中光学强度调制装置因采用双光路结构而引起的一系列缺陷，本实用新型提出了将萨格纳克双向光路环结构用于光学强度调制的方案。在本实用新型中，借助萨格纳克的双向环光路结构来替代现有干涉调制方案所需的两个不同光路结构，从而避免由于两个光路变化差异造成的调制强度不稳定等缺陷，因而能够提供与温度等外界环境因素无关的、稳定的强度调制效果，换言之，能够真正实现强度调制过程的自稳定效果。

图2示出了根据本实用新型的强度调制装置的示例性实施例。如图2所示，强度调制装置可以包括保偏的分束器1和保偏的相位调制器2。

保偏分束器1可以包括第一至第四端口1A-1D，且被配置成当第一端口1A作为输入端时，第二端口1B为反射输出端，第三端口1C 为透射输出端；当第二端口1B作为输入端时，第一端口1A为反射输出端，第四端口1D为透射输出端。保偏分束器1的第二端口1B和第三端口1C之间可以通过保偏光纤连接以形成双向环光路。

在保偏分束器1处，待调制光被分光成第一和第二分量，其中，第一和第二分量分别由反射端口和透射端口处输出，例如如图2中所示那样，待调制光从第一端口1A入射，经分光后分别从第二端口1B 和第三端口1C处输出第一和第二分量。由保偏分束器1输出的第一和第二分量同时进入第二端口1B和第三端口1C之间的双向环光路，并且沿相反的传播方向(顺时针和逆时针方向)历经相同光程走过整个环路，在相同的时间点返回到分束器1的第三端口1C和第二端口 1B，并发生干涉，从而在第一端口1A和/或第四端口1D处输出干涉光强，从而提供强度调制器的输出。

保偏相位调制器2可以设置在双向环光路中的合适位置上，可使得对在双向环光路中彼此反向传播的两个分量进行相位调制。比如，两个传播方向到达相位调制器2的光程差大于光脉冲的脉宽和相位调制电信号的上升(下降)延时间。由于采用双向环光路结构来替代传统调制器中的两个独立光路，使得可以利用相位调制器2对两个分量中的任何一个进行相位调制，甚至可以对两个分量均进行相位调制。同时，由于两个光分量的传播方向不同，因此容易使这两个光分量在不同时间点到达相位调制器2，相应地也就能够容易地选择某个分量进行相位调制，或者对两个分量分别进行不同的相位调制。此时，相位调制器2可以采用电学调制的方式。

下面将基于图2所示的强度调制装置并结合图3-4来说明本实用新型的自稳定相位调制的工作原理，其中，出于简化之目的，将以分束器1为50:50的分束器且相位调制器2仅对一个分量进行相位调制为例，但本领域技术人员通过理解本实用新型能够认识到：分束器1 可以具有任意合适的反射透射分光比，而不限于50:50这一特定比例；相位调制器2也可以对两个分量同时进行相位调制，而不限于某个特定分量。

当待调制的光进入分束器1时，将被分束器1分成第一分量和第二分量，这两个分量随后将进入双向环光路并在其中沿相反方向传输。如图2所示，待调制的光可以在分束器1的第一端口1A处入射；第一分量S从第二端口1B处输出，其为反射分量；第二分量N从第三端口1C处输出，其为透射分量。由于分束器1具有50：50的分光比，因此分量S和分量N将具有相同的幅度，但由于第一分量S为反射分量，其相位将会发生π/2的突变。

因此，假设待调制光的量子态为其中I₀为待调制的入射光的光强,该光为激光发出的相干态，这里我们忽略该量子态的整体相位。则第一分量S的量子态可以表达为第二分量N的量子态可以表达为

图3和图4分别示出了第一分量S和第二分量N在双向环光路中的传播及相位调制。在本示例中，为了在两个分量之间调制出一个相位差Δθ，相位调制器2例如可以(但不限于)对第一分量S施加一个调制相位Δθ，同时对第二分量N施加0相位。

在绕环传播一圈之后，第一分量S和第二分量N同时分别到达分束器1的第三端口1C和第二端口1B。

此时，第一分量S的量子态可以表达为第二分量N的量子态可以表达为

由此可以得出：

在分束器1的第四端口1D处，输出的量子态为干涉光强满足以下关系式：

在分束器1的第一端口1A处，输出的量子态为干涉光强满足以下关系式：

基于上述分析可以发现，在根据本实用新型的强度调制装置中，分束器1的两个端口均可以作为强度调制光的输出端口，且光强调制结果为相位调制器2在两个光分量之间施加的调制相位差Δθ的不同函数。例如，在以分束器1的第一端口1A为待调制光的输入端口时，第一端口1A和第四端口1D将均可能输出与调制相位差Δθ相关的强度调制光。

进一步地，在本实用新型的强度调制装置中，还可以设置一个光学传输单元3，以便能够将分束器的第一端口1A的输出作为强度调制器的输出使用。具体而言，光学传输单元3可以包括第一端口3A、第二端口3B和第三端口3C，其中，从第一端口3A输入的光将从第二端口3B输出，从第二端口3B输入的光将从第三端口3C输出。

作为一个示例，光学传输单元3可以被设置成：第一端口3A接收待调制的光；第二端口3B通过单模光纤与分束器1的第一端口1A 连接；并且，第三端口3C用于向外输出来自分束器1的干涉光，从而构成强度调制器的一个输出端口。可选地，光学传输单元3可以为环形器或分束器。

总体而言，在本实用新型的强度调制方案中，通过借助光纤连接分束器的两个分光分量的输出端口(反射端和透射端)构建形成关于这两个光分量的双向环光路结构，使得用于后续进行干涉作用的这两个光分量在相位调制过程中会在相同时间内历经相同的光路，因此，诸如温度等外部环境因素可能造成的影响会相同地作用于这两个分量上。在本实用新型中，借助干涉作用实现的光强调制结果取决于这两个分量在双向环光路上传播时被施加的调制相位差Δθ，而本实用新型中的双向环光路结构使得这种调制相位差Δθ可以仅由相位调制器控制，不会受到外部环境因素的影响。换言之，在本实用新型中，强度调制结果不受外部环境因素的影响，仅与相位调制器的调制信号有关，由此无需额外的反馈装置就能克服现有干涉强度调制器中易受外部影响而长时稳定性差的缺陷；并且，由于可以在两个分量之间保证稳定的调制相位差Δθ，由此可以实现稳定的干涉作用，进而能够提供高对比度的调制效果。此外，相比于其他强度调制方案，本实用新型的强度调制装置可以采用更少数量的光学元件，具有更为简单的光路结构，有利于降低装置的复杂性和成本；同时，根据本实用新型的调制原理，可以容易地同时向外输出两路强度调制结果。

综上所述，本实用新型所提出的基于萨格纳克双向环光路的调制方案，能够自行消除外部环境因素的影响，与已知的强度调制方案相比在强度调制范围、精度、对比度、稳定性及可控性方面均有很大改进，这尤其有利于强度调制装置在量子密钥分发技术中的应用。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型的光学强度调制装置进行了说明，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。