基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置及系统的制作方法

本实用新型涉及连续变量量子密钥分发(Continuous-Variable Quantum Key Distribution，CVQKD)的技术领域，特别是涉及一种基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置及系统。

背景技术：

在CVQKD协议常采用的GG02方案中，发送端需要对相干态的正交分量(位置和动量分量)做均值为零的二维高斯调制，常用的方法是通过使用振幅调制器和相位调制器，实现对两个正交分量的二维高斯调制。

现有技术中通常采用基于马赫增德尔结构的铌酸锂调制器来构建CVQKD分发装置中的振幅(或强度)调制器。然而，在实际应用过程中，马赫增德尔干涉仪的两臂臂长很难严格确保一致，使得振幅调制器干涉对比度不佳，最终导致在CVQKD系统中对光场正交振幅进行调制的效果不佳。

另外，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，从而导致振幅调制结果产生漂移。因此，通常需要在信号光光路中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：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置及系统，采用基于萨格纳克效应(Sagnac Effect)的自稳定强度调制装置来进行振幅调制，为用于干涉的两个光分量提供完全一致的光路，且通过对两个光分量进行不同的相位调制在两者之间形成调制相位差，从而产生不同的干涉结果，实现了对光场正交振幅的调制。另外，一般马赫增德尔振幅调制器常采用X切型振幅调制器，不会产生额外的相位调制效果，而本实用新型对基于萨格纳克结构的强度调制装置所产生的非零相位调制效果进行了考虑，在CVQKD所需相位调制中进行了校正。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置及系统，包括脉冲激光器、第一分束器、可调光衰减器、自稳定强度调制装置、第一相位调制器、延时装置和第一偏振分束器；所述脉冲激光器用于产生周期脉冲序列；所述第一分束器与所述脉冲激光器相连，用于对所述脉冲序列进行分束，生成本振光和信号光；所述本振光输入所述第一偏振分束器，所述信号光输入所述可调光衰减器；所述可调光衰减器与所述第一分束器相连，用于将所述信号光衰减后输入所述自稳定强度调制装置；所述自稳定强度调制装置包括第二分束器和第二相位调制器；所述第二分束器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第二端口和所述第三端口连接形成双向环光路；所述第一端口或第四端口与所述可调光衰减器相连以获取所述衰减后的信号光，所述第二端口和所述第三端口分别输出经所述第二分束器分束后的第一分量和第二分量，所述第四端口或第一端口输出经强度调制后的信号光；所述第二相位调制器与所述第二端口和所述第三端口相连，用于对所述第一分量和/或所述第二分量进行相位调制，以使所述第一分量和所述第二分量具有相位差；所述第一相位调制器用于将所述强度调制后的信号光生成光场正交分量为高斯调制的信号光；所述延时装置与所述第一相位调制器相连，用于将所述高斯调制的信号光延时后输入所述第一偏振分束器；所述第一偏振分束器用于将延时后的调制的信号光和所述本振光合束后输出。

于本实用新型一实施例中，所述第一分束器的分光比为99:1；所述第二分束器的分光比为50:50。

于本实用新型一实施例中，所述第一相位调制器和所述第二相位调制器分别由两个量子随机数发生器或一个量子随机数发生器的不同通道控制，两个量子随机数发生器或一个量子随机数发生器的不同通道生成满足调制方差为VN、均值为零的高斯分布的一系列随机数组，每个数组对一个信号光脉冲进行调制，以生成高斯调制的信号光；V为自定义系数，N为散粒噪声。

于本实用新型一实施例中，还包括与所述第二分束器相连的光学传输单元；所述光学传输单元包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用于接收衰减后的信号光，所述第二端口通过保偏光纤连接至所述第二分束器的第一端口，所述第三端口用于输出经强度调制的信号光；所述第一相位调制器与所述光学传输单元的第三端口或所述第二分束器的第一端口或第四端口相连；所述光学传输单元采用环形器或者分束器。

于本实用新型一实施例中，所述延时装置包括依次相连的法拉第旋转镜、光纤延时线和第二偏振分束器，所述高斯调制的信号光输入所述第二偏振分束器，所述第二偏振分束器的输出光输出至所述第一偏振分束器。

于本实用新型一实施例中，还包括振幅调制器，所述振幅调制器与所述脉冲激光器和所述第一分束器相连，用于将所述脉冲序列进行振幅调制后输入所述第一分束器。

于本实用新型一实施例中，所述振幅调制器采用所述自稳定强度调制装置。

于本实用新型一实施例中，所述第一分束器和所述第二分束器均为保偏分束器；所述第一相位调制器和所述第二相位调制器均为保偏相位调制器。

于本实用新型一实施例中，所述自稳定强度调制装置进行调制时所述信号光发生的相移；所述第一相位调制器进行调制时，扣除的相移；Vs为所述第二分束器分束后得到的顺时针方向脉冲光上的电压，Vn为所述第二分束器分束后得到的逆时针方向脉冲光上的电压，Vπ为所述第二相位调制器上的半波电压。

于本实用新型一实施例中，当所述第二分束器采用第一端口作为输出端口时，所述第二分束器分束后得到的逆时针方向和顺时针方向的脉冲光上的电压均为2kVπ，其中k＝0,1,2…；当所述第二分束器采用第四端口作为输出端口时，调制电压需额外增加(1+2k)Vπ，其中k＝0,1,2…，Vπ为所述第二相位调制器的半波电压。

最后，本实用新型提供一种基于自稳定强度调制的CVQKD系统，包括上述的基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置和CVQKD接收装置。

如上所述，本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置及系统，具有以下有益效果：

(1)采用基于萨格纳克效应的自稳定强度调制装置来进行振幅调制，为用于干涉的两个光分量提供完全一致的光路；

(2)通过对两个光分量进行不同的相位调制在两者之间形成调制相位差，从而产生不同的干涉结果，实现了对光场正交振幅的调制；

(3)萨格纳克效应的自稳定强度调制装置产生的相位调制效果，通过和另外的相位调制器进行配合，可以一起实现对光场正交相位的调制；

(4)稳定性好，结构简单，有利于大规模集成化的推广与应用。

附图说明

图1显示为本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置于一实施例中的结构示意图；

图2显示为本实用新型的自稳定强度调制装置于一实施例中的结构示意图；

图3显示为本实用新型的自稳定强度调制装置于另一实施例中的结构示意图；

图4显示为本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD系统于一实施例中的结构示意图；

图5显示为本实用新型的自稳定强度调制装置上的电压相关参数变化示意图；

图6显示为本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD发送方法于一实施例中的流程图；

图7显示为本实用新型的CVQKD系统于一实施例中的结构示意图。

元件标号说明

1 脉冲激光器

2 第一分束器

3 可调光衰减器

4 自稳定强度调制装置

41 第二分束器

42 第二相位调制器

43 光学传输单元

5 第一相位调制器

6 延时装置

61 法拉第旋转镜

62 光纤延时线

63 第二偏振分束器

7 第一偏振分束器

8 振幅调制器

9 偏振控制器

10 第三偏振分束器

11 第四偏振分束器

12 光纤延时线

13 法拉第旋转镜

14 平衡探测器

15 第三相位调制器

71 基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置

72 CVQKD接收装置

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。另外，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，于一实施例中，本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置包括脉冲激光器1、第一分束器2、可调光衰减器3、自稳定强度调制装置4、第一相位调制器5、延时装置6和第一偏振分束器7。

所述脉冲激光器1用于产生周期脉冲序列。所述周期脉冲序列可以是所述脉冲激光器1通过内调制产生，也可以是通过斩波器对所述脉冲激光器1输出的光进行斩波产生。优选地，所述斩波器为振幅调制器，优选地，振幅调制器为自稳定强度调制装置。

所述第一分束器2与所述脉冲激光器1相连，用于对所述脉冲序列进行分束，生成本振光和信号光；所述本振光输入所述第一偏振分束器7，所述信号光输入所述可调光衰减器3。

优选地，所述第一分束器2采用高分光比，如99:1的分束器进行分光，其中较强的一束光输入所述第一偏振分束器7的一个端口作为本振光；较弱的一束光输入所述可调光衰减器3作为信号光。

所述可调光衰减器3与所述第一分束器2相连，用于将所述信号光衰减后输入所述自稳定强度调制装置4。

所述自稳定强度调制装置4包括第二分束器41和第二相位调制器42；所述第二分束器41包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第二端口和所述第三端口连接形成双向环光路；所述第一端口或第四端口与所述可调光衰减器3相连以获取所述衰减后的信号光，所述第二端口和所述第三端口分别输出经所述第二分束器2分束后的第一分量和第二分量，所述第四端口或第一端口输出经强度调制后的信号光；所述第二相位调制器42与所述第二端口和所述第三端口相连，用于对所述第一分量和/或所述第二分量进行相位调制，以使所述第一分量和所述第二分量具有相位差Δθ。需要说明的是，所述第二分束器41的第一端口和第四端口功能可以互换，即第四端口输入所述衰减后的信号光，第一端口输出经强度调制后的信号光；或者第一端口输入所述衰减后的信号光，第四端口输出经强度调制后的信号光。

如图2所示，于一实施例中，所述第二分束器41包括第一端口1A、第二端口1B、第三端口1C和第四端口1D。第二端口1B和第三端口1C之间通过保偏光纤连接形成一个双向环光路。第二相位调制器与第二端口1B和第三端口1C相连。其中，当第一端口1A为输入端时，第二端口1B和第三端口1C可以分别为反射输出端和透射输出端；当第二端口1B为输入端时，第一端口1A和第四端口1D可以分别为反射输出端和透射输出端。

优选地，所述第二分束器41采用分束比为50:50的分束器。

所述第一相位调制器5用于将所述强度调制后的信号光生成光场正交分量为高斯调制的信号光。其中，所述光场正交分量为位置和动量分量。

具体地，所述第一相位调制器5和所述第二相位调制器42分别由两个量子随机数发生器或一个量子随机数发生器的不同通道控制，两个量子随机数发生器或一个量子随机数发生器的不同通道生成满足调制方差为VN、均值为零的高斯分布的一系列随机数组(x,p)，每个数组对一个信号光脉冲进行调制，最终将信号光调制成|x+ip>的相干态，即生成满足高斯调制的信号光。其中，V为自定义系数，N为散粒噪声。

于本实用新型一实施例中，如图3所示，本实用新型的自稳定强度调制装置4还包括与所述第二分束器相连的光学传输单元43；所述光学传输单元43包括第一端口3A、第二端口3B和第三端口3C，所述第一端口3A用于接收衰减后的信号光，所述第二端口3B通过保偏光纤连接至所述第二分束器41的第一端口，所述第三端口3C用于输出经强度调制的信号光；所述第一相位调制器5与所述光学传输单元43的第三端口3C或所述第二分束器41的第一端口或第四端口相连。优选地，所述光学传输单元43中，从第一端口输入的光可以由第二端口输出，但不能从第三端口输出；从第二端口输入的光可以由第三端口输出。具体地，所述光学传输单元采用环形器或者分束器。

所述延时装置6与所述第一相位调制器5相连，用于将所述高斯调制的信号光延时后输入所述第一偏振分束器7。

优选地，如图4所示，所述延时装置6包括依次相连的法拉第旋转镜(FM2)61、光纤延时线62和第二偏振分束器63，所述高斯调制的信号光输入所述第二偏振分束器63，所述第二偏振分束器63的输出光输出至所述第一偏振分束器7。所述高斯调制的信号光经过所述延时装置后，与所述本振光脉冲产生一定的时间差。

所述第一偏振分束器7用于将延时后的高斯调制的信号光和所述本振光合束后输出。

于本实用新型一实施例中，本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置还包括振幅调制器8，所述振幅调制器8与所述脉冲激光器1和所述第一分束器2相连，用于将所述脉冲序列进行振幅调制后输入所述第一分束器2。在CVQKD系统中通常需要较高的消光比，若脉冲激光器产生的脉冲序列的消光比不够，则需要通过振幅调制器的振幅调制来进一步提高所述脉冲序列的消光比，然后再输入所述第一分束器。

优选地，所述振幅调制器采用所述自稳定强度调制装置。

优选地，所述第一分束器和所述第二分束器均为保偏分束器；所述第一相位调制器和所述第二相位调制器均为保偏相位调制器。

下面简单介绍一下本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置对应的CVQKD接收装置的工作原理。如图4所示，延时后的高斯调制的信号光和所述本振光经由第一偏振分束器7合束后通过光纤传入CVQKD接收装置。由于光在光纤中传输时的双折射等效应，首先需要通过偏振控制器9对光进行偏振修正和补偿，然后光经由第三偏振分束器10重新将本振光和信号光分离，其中本振光经由第四偏振分束器11、光纤延时线12和法拉第旋转镜(FM2)13构成的延时装置后与信号光在平衡探测器(BHD)14处正好相遇，即时序上重新同步。本振光经过第三相位调制器15进行相位调制，第三相位调制器15由量子随机数发生器控制，根据量子随机数发生器的输出不同可以分别测量光场的正交分量x或p。经接收装置分离出的信号光和本振光同时进入平衡探测器(BHD)中进行测量，如果采用外差探测器进行探测，则无需第三相位调制器，且可以同时测得光场的正交分量x和p。

由于CVQKD系统涉及到相位调制，本实用新型的自稳定强度调制装置包含了相位调制器，因此所述自稳定强度调制装置对相位调制的影响不可忽略，需要进行计算和补偿。

如图5所示，假设输入自稳定强度调制装置的信号光为周期为Tp的周期脉冲光。经过第二分束器分束后分为顺时针方向的S脉冲光和逆时针的N脉冲光，S脉冲光和N脉冲光到达第二相位调制器的时间差Tsn。设定第一端口1A为自稳定强度调制装置的输出端口，加载在N脉冲光上的电压为Vn，第二相位调制器的半波电压为Vπ，根据相位调制器的原理可知N脉冲光被调制的相位为设定加载在S脉冲光上的电压为Vs，则S脉冲光被调制的相位为假设入射到该自稳定强度调制装置的初始光场为Ein，初始相位为零，忽略各器件的插入损耗，则经过第二分束器后S和N两个方向上的光场为经过第二相位调制器调制后，经第二分束器出射的光场为由上可知，出射光场与入射光场间发生了的相移。第二相位调制器调制相位与电压关系为其中V(t)为加载在第二相位调制器上随时间变化的电压信号。采用自稳定强度调制装置对光场进行正交振幅调制后会使得相位发生的漂移。因此，采用第一相位调制器对光场正交相位进行调制时需要扣除相移部分。通常为了简单，可以设置Vs(t)＝0或Vn(t)＝0。设定第一端口1A作为自稳定强度调制装置的输出端口，则加载在N脉冲光和S脉冲光上的电压均为2kVπ，其中k＝0,1,2…。优选地，k＝0。若采用第四端口1D作为输出端口，要得到和第一端口1A一样的结果时，需要原调制电压增加(1+2k)Vπ，其中k＝0,1,2…。优选地k＝0。

需要说明的是，上述结果均未考虑各器件的插入损耗，考虑插入损耗时对应的电压很容易基于上述结果进行计算。

如图6所示，于一实施例中，本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD发送方法应用于基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置，所述基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置包括脉冲激光器、第一分束器、可调光衰减器、自稳定强度调制装置、第一相位调制器、延时装置和第一偏振分束器；所述基于自稳定强度调制的CVQKD发送方法包括以下步骤：

步骤S61、基于所述脉冲激光器产生周期脉冲序列。

步骤S62、基于所述第一分束器对所述脉冲序列进行分束，生成本振光和信号光；所述本振光输入第一偏振分束器，所述信号光输入可调光衰减器。

步骤S63、基于所述可调光衰减器将所述信号光衰减后输入自稳定强度调制装置。

步骤S64、基于所述自稳定强度调制装置对衰减后的信号光进行强度调制，其中所述自稳定强度调制装置包括第二分束器和第二相位调制器；所述第二分束器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第二端口和所述第三端口连接形成双向环光路；所述第一端口或第四端口与所述可调光衰减器相连以获取所述衰减后的信号光，所述第二端口和所述第三端口分别输出经所述第二分束器分束后的第一分量和第二分量，所述第四端口或第一端口输出经强度调制后的信号光；所述第二相位调制器与所述第二端口和所述第三端口相连，对所述第一分量和/或所述第二分量进行相位调制，以使所述第一分量和所述第二分量具有相位差。

步骤S65、基于所述第一相位调制器将所述强度调制后的信号光生成光场正交分量为高斯调制的信号光。

步骤S66、基于所述延时装置将所述高斯调制的信号光延时后输入第一偏振分束器。

步骤S67、基于所述第一偏振分束器将延时后的高斯调制的信号光和所述本振光合束后输出。

如图7所示，于一实施例中，本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD系统包括上述的基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置71和CVQKD接收装置72。

其中，所述CVQKD接收装置72为本领域惯用的CVQKD接收装置，故在此不再赘述。

综上所述，本实用新型的基于自稳定强度调制的CVQKD发送装置及系统采用基于萨格纳克效应的自稳定强度调制装置来进行振幅调制，为用于干涉的两个光分量提供完全一致的光路；通过对两个光分量进行不同的相位调制在两者之间形成调制相位差，从而产生不同的干涉结果，实现了对光场正交振幅的调制；萨格纳克效应的自稳定强度调制装置产生的相位调制效果，通过和另外的相位调制器进行配合，可以一起实现对光场正交相位的调制；稳定性好，结构简单，有利于大规模集成化的推广与应用。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。