一种混合波导集成干涉仪和量子密钥分配系统的制作方法

本发明涉及量子密码通信技术领域，尤其涉及一种混合波导集成干涉仪和量子密钥分配系统。

背景技术：

量子密钥分配技术结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密钥分配藉由物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖算法复杂度的保密通信。

目前，量子密码技术主要以光量子作为实现载体，通过自由空间或光纤信道进行分配。量子密钥分配设备依据不同的量子密钥分发协议的要求，利用各种光调制设备将经典随机比特加载到光量子的偏振、相位等物理量之上来进行传输，从而实现量子密钥的分配。干涉模块作为相位编码的量子密钥分配系统的核心器件，一个设计优良的干涉仪可以保证量子密钥分配系统的稳定性以及高效性。

现有技术中采用一种不等臂的光纤法拉第迈克尔逊干涉仪实现量子密钥分配系统，采用法拉第镜对光纤内部偏振态引起90度旋转的性质，使得干涉仪免疫了一般马赫曾德干涉仪由于长短臂路径不同，造成长短臂内偏振变化不同而引起的干涉仪稳定性下降的问题。而且，现有技术中利用法拉第迈克尔逊干涉仪已经实现了城际长距离的量子密钥分配实验。

但是这种法拉第迈克尔逊干涉仪也有其缺点，如量子密钥分配系统中需要发送端和接收端的干涉仪的臂长差严格一致，而现有技术中的法拉第迈克尔逊干涉仪臂长差控制精度较差，而且，干涉仪本身也具有不稳定的特点，均造成发送端和接收端的干涉仪臂长差一致的控制较为困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种混合波导集成干涉仪和量子密钥分配系统，以解决现有技术中发送端和接收端的干涉仪臂长差一致的控制较为困难的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种混合波导集成干涉仪，包括：

波导芯片、延时器和反射模块；

所述波导芯片包括相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面包括光脉冲的入射口和出射口；

所述反射模块位于所述第二端面；

所述波导芯片包括分束器、第一波导线和第二波导线；

所述延时器用于对所述第一波导线或所述第二波导线上的光脉冲进行延时；

其中，所述分束器将入射至所述入射口的一个光脉冲分成第一光脉冲和第二光脉冲，所述第一光脉冲沿所述第一波导线传输，所述第二光脉冲沿所述第二波导线传输；

所述反射模块将所述第一波导线上的第一光脉冲反射，并沿所述第一波导线返回，以及将所述第二波导线上的第二光脉冲反射，并沿所述第二波导线返回；

所述分束器还用于将沿所述第一波导线返回的第一光脉冲和沿所述第二波导线返回的第二光脉冲分别分束后，输出至所述出射口。

优选地，所述反射模块为反射镜或法拉第旋镜。

优选地，所述反射镜包括设置在所述第二端面上的平面反射镜或采用镀膜工艺形成在所述第二端面上的反射膜。

优选地，所述法拉第旋镜包括反射镜、磁光晶体和磁环；

所述磁光晶体位于所述反射镜入射光侧；

所述磁环围绕所述磁光晶体设置。

优选地，所述法拉第旋镜还包括准直透镜，所述准直透镜位于所述磁光晶体背离所述反射镜的一侧。

优选地，所述延时器设置在所述波导芯片内部，位于所述第一波导线或所述第二波导线上。

优选地，所述延时器为延时时长恒定不变的延时器或延时时长可调节的延时器。

优选地，还包括相位调制模块，所述相位调制模块设置在所述第一波导线和/或所述第二波导线上，用于调制所述第一波导线上传输的光脉冲和所述第二波导线上传输的光脉冲的相位差。

本发明还提供一种量子密钥分配系统，包括通过信道相连的发送端和接收端，其中，

所述发送端包括脉冲光源、第一干涉仪、第一相位调制模块和衰减器；

所述接收端包括第一探测器、第二探测器、第二相位调制模块和第二干涉仪；

其中，所述第一干涉仪和所述第二干涉仪的臂长差相同，所述第一干涉仪和/或所述第二干涉仪为权利要求1-7任意一项所述的混合波导集成干涉仪；

所述脉冲光源发出光脉冲，耦合至所述第一干涉仪后，出射至所述第一相位调制模块并经过所述衰减器传输至所述信道，经过所述信道传输至所述第二相位调制模块，再分别传输至所述第二干涉仪和所述第一探测器；经过所述第二干涉仪后的光脉冲再输出至所述第二探测器。

优选地，所述第一相位调制模块设置在所述第一干涉仪内部；

和/或；

所述第二相位调制模块设置在所述第二干涉仪内部。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的一种混合波导集成干涉仪，包括波导芯片、延时器和反射模块，所述波导芯片包括分束器、第一波导线和第二波导线；一方面，由于第一波导线和第二波导线是在波导芯片制作过程中形成的，而波导芯片制作形成第一波导线和第二波导线的精度可以控制在纳米级别，相对于光纤干涉仪的控制精度为微米级别，使得干涉仪的臂长差控制精度更高。另一方面，波导芯片干涉仪体积极小，方便进行封装隔振以及温度控制，从而不易受到外界环境影响，稳定性更好；再一方面，光波导本身拥有较好的保偏特性，相比于光纤来说，光脉冲的偏振在传播过程中保持的更好，所以混合波导集成干涉仪更稳定。以上三个方面均使得混合波导集成干涉仪的臂长差相对于光纤干涉仪更加容易控制，进而应用在量子密钥分配系统中，使得量子密钥分配系统工作更加稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种混合波导集成干涉仪结构示意图；

图2为反射模块为普通反射镜的混合波导集成干涉仪结构示意图；

图3为反射模块为法拉第旋镜的混合波导集成干涉仪结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种法拉第旋镜的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的另一种法拉第旋镜的剖面结构示意图；

图6为本发明实施例中提供的又一种混合波导集成干涉仪结构示意图；

图7为本发明实施例中提供的又一种混合波导集成干涉仪结构示意图；

图8为本发明实施例中提供的又一种混合波导集成干涉仪结构示意图；

图9为本发明实施例中提供的又一种混合波导集成干涉仪结构示意图；

图10为本发明实施例中提供的一种量子密钥分配系统结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中的法拉第迈克尔逊干涉仪臂长差控制精度较差，而且，干涉仪本身也具有不稳定的特点，均造成发送端和接收端的干涉仪臂长差一致的控制较为困难。

发明人发现，出现上述情况的主要原因是，现有技术中的法拉第迈克尔逊干涉仪为光纤干涉仪，一方面，通过光纤的长度来控制干涉仪的两臂长差，但是现有技术中的工艺精度仅能控制干涉仪臂长的公差在微米级别，从而使得发送端和接收端的干涉仪臂长差控制精度较差；而且，光纤干涉仪也比较容易受到外部环境的干扰，比如温度，振动等引起的变化都有可能造成光纤干涉仪的不稳定。

基于此，本发明提供一种混合波导集成干涉仪，包括：

波导芯片、延时器和反射模块；

所述波导芯片包括相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面包括光脉冲的入射口和出射口；

所述反射模块位于所述第二端面；

所述波导芯片包括分束器、第一波导线和第二波导线；

所述延时器用于对所述第一波导线或所述第二波导线上的光脉冲进行延时；

其中，所述分束器将入射至所述入射口的一个光脉冲分成第一光脉冲和第二光脉冲，所述第一光脉冲沿所述第一波导线传输，所述第二光脉冲沿所述第二波导线传输；

所述反射模块将所述第一波导线上的第一光脉冲反射，并沿所述第一波导线返回，以及将所述第二波导线上的第二光脉冲反射，并沿所述第二波导线返回；

所述分束器还用于将沿所述第一波导线返回的第一光脉冲和沿所述第二波导线返回的第二光脉冲分别分束后，输出至所述出射口。

本发明提供的一种混合波导集成干涉仪，包括波导芯片、延时器和反射模块，所述波导芯片包括分束器、第一波导线和第二波导线；一方面，由于第一波导线和第二波导线是在波导芯片制作过程中形成的，而波导芯片制作形成第一波导线和第二波导线的精度可以控制在纳米级别，相对于光纤干涉仪的控制精度为微米级别，使得干涉仪的臂长差控制精度更高。另一方面，波导芯片干涉仪体积极小，方便进行封装隔振以及温度控制，从而不易受到外界环境影响，稳定性更好；再一方面，光波导本身拥有较好的保偏特性，相比于光纤来说，光脉冲的偏振在传播过程中保持的更好，所以混合波导集成干涉仪更稳定。以上三个方面均使得混合波导集成干涉仪的臂长差相对于光纤干涉仪更加容易控制，进而应用在量子密钥分配系统中，使得量子密钥分配系统工作更加稳定。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种混合波导集成干涉仪结构示意图，混合波导集成干涉仪包括：波导芯片1、延时器2和反射模块3；波导芯片1包括相对设置的第一端面11和第二端面12，第一端面11包括光脉冲的入射口111和出射口112；反射模块3位于第二端面12；波导芯片1包括分束器13、第一波导线14和第二波导线15；延时器2用于对第一波导线14或第二波导线15上的光脉冲进行延时。

其中，分束器13将入射至入射口111的一个光脉冲分成第一光脉冲和第二光脉冲，第一光脉冲沿第一波导线14传输，第二光脉冲沿第二波导线15传输；反射模块3将第一波导线14上的第一光脉冲反射，并沿第一波导线14返回，以及将第二波导线15上的第二光脉冲反射，并沿第二波导线15返回；分束器13还用于将沿第一波导线14返回的第一光脉冲和沿第二波导线15返回的第二光脉冲分别分束后，输出至出射口112。

需要说明的是，波导芯片的入射口和出射口仅是为了方便描述进行区分，实际使用过程中，波导芯片包括两个光脉冲耦合口，且两个光脉冲耦合口的地位是等价的，均可以作为入射口和出射口使用，本实施例中对此不做限定。

本实施例中不限定反射模块的具体结构，本发明实施例中反射模块为反射镜，请参见图2，图2为反射模块为普通反射镜的混合波导集成干涉仪结构示意图；所述反射模块还可以是法拉第旋镜，请参见图3，图3为反射模块为法拉第旋镜的混合波导集成干涉仪结构示意图。其中，所述反射镜为仅反射光脉冲的普通反射镜，而所述法拉第旋镜为对光脉冲的偏振发生90度旋转的反射镜。由于波导本身具有一定的保偏特性，所述保偏特性是指，在光脉冲传输过程中，保持光的偏振态不变的特性，因此，本发明实施例中可以采用普通反射镜对光脉冲进行反射。在本发明其他实施例中，为了进一步保证光的偏振态，可以采用法拉第旋镜对光脉冲进行反射，本实施例中对此不做限定。

当反射模块为普通反射镜时，本发明实施例中对所述反射镜的具体设置方式不做限定，请参见图2，反射镜可以是直接设置在第二端面12上的平面反射镜31；其中平面反射镜的反射面朝向第二端面12。另外，当第二端面12为平面时，本实施例中还可以采用镀膜工艺在第二端面12上直接形成反射膜，从而进一步减小混合波导集成干涉仪的体积。

当反射模块为法拉第旋镜时，本发明实施例中不限定法拉第旋镜的具体结构，在本发明的一个实施例中，如图4所示，图4为本发明实施例中提供的一种法拉第旋镜的剖面结构示意图；法拉第旋镜32包括反射镜321、磁光晶体322和磁环323；磁光晶体322位于反射镜321入射光侧；磁环323围绕磁光晶体322设置。其中，磁光晶体322正对波导芯片的第二端面，并与第一波导线和第二波导线接触。

在本发明的另一个实施例中，为了保证第一波导线和第二波导线传输的光脉冲能够沿原路返回，如图5所示，图5为本发明实施例中提供的另一种法拉第旋镜的剖面结构示意图；法拉第旋镜32还包括准直透镜324，准直透镜324位于磁光晶体322背离反射镜321的一侧。

需要说明的是，本发明实施例中，可以在波导芯片外部直接设置外置的法拉第旋镜，请参见图3，还可以在波导芯片的第二端面挖槽，将法拉第旋镜中的磁光晶体内嵌在波导芯片的内部，然后再设置反射镜等结构，请参见图6。

混合波导集成干涉仪中第一波导线和第二波导线上传输的光脉冲需要有相对延时，本发明实施例中通过延时器实现，需要说明的是，本实施例中不限定延时器的具体形式，在本发明的一个实施例中，延时器可以是延时时长恒定不变的延时器，在本发明另外的实施例中，延时器还可以是延时时长可调节的延时器。本发明对此不做限定。当延时器为延时时长恒定不变的延时器时，延时器可以设置在波导芯片内部，位于第一波导线或第二波导线上。在波导芯片制作过程中，在形成第一波导线或第二波导线的过程中，同时画出来延时器；或者设置在波导芯片外部，采用延时片实现；当延时器为延时时长可调的延时器时，可以通过设置微腔或多级级联方式得到可变延时的延时器。

当需要对第一波导线或第二波导线上的光脉冲相位进行调制时，本实施例中混合波导集成干涉仪，还可以包括相位调制模块，相位调制模块设置在第一波导线和/或第二波导线上，用于调制第一波导线上传输的光脉冲和第二波导线上传输的光脉冲的相位差。请参见图7-图9，其中，图7为相位调制模块16设置在第一波导线14上，图8为相位调制模块16设置在第二波导线15上，图9为相位调制模块16设置在第一波导线14上和第二波导线15上。本实施例中不限定相位调制模块的具体形式，可以是相位调制器，也可以是移相器。

需要说明的是，本实施例中不限定分束器13的具体结构，可以是50:50分束器，其作用是将一个光脉冲分为两个一样的光脉冲；或者将两个光脉冲合束形成一个光脉冲，本实施例中对此不做限定。

本发明实施例中提供的混合波导集成干涉仪可以应用在量子密钥分配系统的发送端和/或接收端，本实施例中以混合波导集成干涉仪应用在量子密钥分配系统的发送端为例说明其工作原理，可以以图1所示的混合波导集成干涉仪为例进行说明，工作原理具体如下：

光脉冲从波导芯片的入射口111入射，经过50:50分束器13分为第一光脉冲和第二光脉冲，其中，第一光脉冲沿第一波导线14传输，经过延时器2后，到达反射模块3，被反射后，沿第一波导线14原路返回至分束器13；第二光脉冲沿第二波导线15传输，到达反射模块3，被反射后，沿第二波导线15原路返回至分束器13；被反射的第一光脉冲和第二光脉冲在分束器13处也分别被分为两个光脉冲，第一光脉冲和第二光脉冲均被一分为二，其中的一路光脉冲从波导芯片的入射口111出射，另一路光脉冲从波导芯片的出射口112出射。需要说明的是，从入射口111出射的光脉冲被遗弃不用，从出射口112出射的光脉冲用于量子密钥分配。

本发明提供的一种混合波导集成干涉仪，包括波导芯片、延时器和反射模块，所述波导芯片包括分束器、第一波导线和第二波导线；一方面，由于第一波导线和第二波导线是在波导芯片制作过程中形成的，而波导芯片制作形成第一波导线和第二波导线的精度可以控制在纳米级别，相对于光纤干涉仪的控制精度为微米级别，使得干涉仪的臂长差控制精度更高。另一方面，波导芯片干涉仪体积极小，方便进行封装隔振以及温度控制，从而不易受到外界环境影响，稳定性更好；再一方面，光波导本身拥有较好的保偏特性，相比于光纤来说，光脉冲的偏振在传播过程中保持的更好，所以混合波导集成干涉仪更稳定。以上三个方面均使得混合波导集成干涉仪的臂长差相对于光纤干涉仪更加容易控制，进而应用在量子密钥分配系统中，使得量子密钥分配系统工作更加稳定。

本发明实施例还提供一种量子密钥分配系统，请参见图10，图10为本发明实施例中提供的一种量子密钥分配系统结构示意图；所述量子密钥分配系统包括通过信道c相连的发送端alice和接收端bob，发送端alice包括脉冲光源a1、第一干涉仪a2、第一相位调制模块a3和衰减器a4；接收端bob包括第一探测器b1、第二探测器b2、第二相位调制模块b3和第二干涉仪b4。

其中，第一干涉仪a2和第二干涉仪b4的臂长差相同，第一干涉仪a2和/或第二干涉仪b4为上面实施例中提供的任意一种混合波导集成干涉仪。

上述各个结构的连接关系包括：脉冲光源a1发出光脉冲，耦合至第一干涉仪a2后，出射至第一相位调制模块a3并经过衰减器a4传输至信道c，经过信道c传输至第二相位调制模块b3，再分别传输至第二干涉仪b4和第一探测器b1；经过第二干涉仪b4后的光脉冲再输出至第二探测器b2。

需要说明的是，量子密钥分配系统包括发送端alice和接收端bob，两者中均包括干涉仪，本实施例中可以发送端alice或接收端bob采用本发明上面实施例中提供的混合波导集成干涉仪，也可以发送端和接收端均采用本发明上面实施例中所述的混合波导集成干涉仪。由于发送端alice和接收端bob的臂长差需要保持严格一致，为了方便控制臂长差一致，可选的，发送端alice和接收端bob的干涉仪均采用混合波导集成干涉仪，从而避免因臂长差不一致造成的量子密钥分配系统工作不稳定的问题。

本实施例中不限定第一干涉仪a2入射口和出射口与其他部件之间的连接关系，可选的，通过光纤和光纤耦合器将脉冲光源a1的光脉冲耦合至第一干涉仪a2的入射口；也通过光纤耦合器和光纤将第一干涉仪a2的出射口的光脉冲耦合至外部光线进行传输。同样的第二干涉仪b4与其他部件的连接关系也通过光纤和光纤耦合器实现，本实施例中对此不做详细赘述。

需要说明的是，本发明实施例中不限定相位调制模块的位置，第一相位调制模块a3还可以设置在第一干涉仪a2内部；和/或；第二相位调制模块b3也可以设置在第二干涉仪b4内部。相位调制模块位于干涉仪的第一波导线和/或第二波导线中，具体设置方式可以参见图7-图9所示，本实施例中对此不做详细赘述。

在接收端bob端，经过第二相位调制模块b3后的光脉冲分为两路，其中一路直接入射至第一探测器b1，另一路入射至第二干涉仪b4中，本实施例中不限定实现分束的具体方式，可选的，如图10中所示，接收端bob还包括环形器b5，环形器b5包括端口1、端口2和端口3，三个端口的光通过方式为由端口1接收光脉冲输入，由端口2和端口3分别输出光脉冲。

本实施例中以第一相位调制模块a3和第二相位调制模块b3均设置在干涉仪外部进行说明，量子密钥分配系统的工作原理包括：

(1)在发送端alice，脉冲光源a1发出的光耦合至第一干涉仪a2的入射口，经过耦合器耦合入波导芯片中。

(2)光脉冲在波导芯片中沿着波导线传输，随后经过50:50的分束器后分为两束光脉冲，一束沿着波导芯片中的第一波导线传输，另外一束沿着波导芯片中的第二波导线传输。

(3)随后这两个光脉冲分别入射进入90度法拉第旋转镜中，随后经过偏振旋转和反射后再次进入波导芯片。

(4)这两个脉冲分别再次沿着第一波导线和第二波导线传输。然后再次经过50:50分束器后由波导芯片的出射口出射。出射脉冲为间隔时间与干涉仪臂长差相对应的前后两个脉冲。

(5)由第一干涉仪a2出射的两个脉冲随后经过第一相位调制模块a3，第一相位调制模块a3对其中任意一个脉冲按照bb84协议进行相位调制，之后它们经过衰减器a4，衰减为单光子量级后进入信道c。

(6)在接收端bob接收到光脉冲后，也利用第二相位调制模块b3按照bb84协议对其中任意一个脉冲进行相位调制，经过光环形器的端口1和端口2，进入与发送端alice拥有相同臂长差的第二干涉仪b4中。这两个脉冲经过50:50分束器和法拉第旋转镜反射后，依次经过发送端alice中的第一干涉仪a2的长臂和接收端bob中的第二干涉仪b4短臂的第三脉冲和依次经过发送端alice中的第一干涉仪a2的短臂和接收端bob中的第二干涉仪b4长臂的第四脉冲会在50:50分束器出发生干涉，随后利用第一探测器b1和第二探测器b2对干涉结果进行测量。通过上述两个脉冲进行干涉，从而提取相位编码信息。

(7)将测量结果进行记录，随后发送端alice和接收端bob经过对基、纠错和保密放大等步骤完成量子密钥的分发。

需要说明的是，以上仅是以一种混合波导集成干涉仪结构为例进行说明的，其他结构的混合波导集成干涉仪结构的使用方法与本发明实施例中工作原理相似，本实施例中对此不做详细赘述。

由于混合波导集成干涉仪的臂长差更加容易控制，从而使得由混合波导集成干涉仪组成的量子密钥分配系统工作更加稳定。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。