基于萨格奈克干涉仪的时间相位编码装置及量子密钥分发系统的制作方法

本发明涉及量子保密通信领域，特别涉及一种稳定的基于萨格奈克(Sagnac)干涉仪的用于量子密钥分发的时间相位编码装置，以及量子密钥分发系统。

背景技术：

目前BB84量子密钥分发系统中的编码主要采用偏振编码或相位编码。相比偏振编码，现有的相位编码系统的应用场景比较适合偏振变化比较剧烈的情形，但不一定能很好地应用于长距离架空光缆环境。时间相位编码方案可以解决所有这些问题，其不仅可以做到完全的偏振无关性，而且能大大降低接收端插损，从而提高系统的成码率、成码距离，以及实现抗外界环境扰动的稳定性；同时，还能够更好地适应长距离架空光缆环境。

在现有技术中，存在多种时间相位编码方案。在常见的时间相位编码结构中，通常同时设置有用于时间编码的强度调制器和用于相位编码的相位调制器。然而，这种结构中由于需要设置较多的光学器件，其可能会对结构设计及控制方面提供更为严格的要求。因此，现有技术中提出了一种利用对称的马赫曾德(MZ)干涉仪和非对称的马赫曾德(MZ)干涉仪来提供时间相位编码的方案，如图1所示。根据现有技术中对图1所示编码结构的描述，在这种结构，虽然减少了对相位调制元件的设置，但是在控制稳定性方面仍然存在一些困难，且通过研究发现，其需要利用PLC(Planar Lightwave Circuits)技术来实现MZ干涉仪才能够较好地控制其稳定性，这显然对于应用造成了一定的局限性。

此外，本发明人还注意到，时间相位编码准确性与相位调制器的相位调制稳定性极其相关，而相位调制(例如实际输出给相位调制器的驱动电压值，或者相位调制器本身的半波电压，或者相位调制的延时位置)在不同的环境温度下可能会偏离预设值，导致施加的相位调制量可能会随外界环境变化而变化，不能很好地满足量子密钥分发中对量子态编码的要求。

因此，现有技术中需要一种结构简单、易于控制、工作高效稳定的时间相位编码装置和方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于萨格奈克干涉仪的时间相位编码装置及方法，其中借助基于萨格奈克干涉仪的强度调制器，可以无需额外设置相位调制器即可实现时间相位(四态)的编码过程，并且编码装置结构简单、稳定性好且易于控制。

根据本发明，用于量子密钥分发的时间相位编码装置可以包括信号光光源1、强度调制器2、第一光学传输单元3和合束单元4。所述信号光光源1可以用于提供信号光。所述强度调制器2可以包括萨格奈克干涉仪21和第一相位调制器22。所述萨格奈克干涉仪21包括萨格奈克环路211和设置于所述环路211上的第一分束单元212，并且所述第一相位调制器22设置于所述环路211上，以使得所述强度调制器2能够接收来自所述信号光光源1的光，使其分成沿相反方向在所述环路中传播的两个相干光，并最终生成输出第一干涉光和第二干涉光。所述第一干涉光和所述第二干涉光分别经第一光路和第二光路传输至所述合束单元4，并且所述合束单元4被配置成接收所述第一干涉光和第二干涉光并使其合成一路输出。

优选地，所述第一分束单元具有1:1的分光比，且优选为分束器。

进一步地，所述第一光路和所述第二光路可以关于所述干涉光具有不同的光程。

进一步地，在一个时间周期内，所述第一相位调制器22在所述两个相干光之间调制出的相位差可以包括0、π/2、π和3/2π中的一个。

优选地，所述第一光学传输单元3可以被设置成使所述信号光朝向所述强度调制器2传输，同时使所述强度调制器2输出的所述第一干涉光沿所述第一光路朝向所述合束单元4传输。更优选地，所述光学传输单元3可以包括环形器。

进一步地，本发明的时间相位编码装置还可以包括相位调制校准装置6，所述相位调制校准装置6包括相位探测模块61和相位校准驱动模块62。其中，所述相位探测模块61用于探测所述相位调制器22 施加的相位调制量的实际值与理论值之间的偏差，所述相位校准驱动模块62用于驱动对所述相位调制器22的相位调制量的校准，可以为相位调制电压或者相比激光的延时位置。

优选地，所述相位探测模块61可以包括相位探测单元613和第二光学传输单元611，所述第二光学传输单元611被设置成使所述第一干涉光的一部分朝向所述相位探测单元613传输。

更优选地，所述相位探测模块61可以包括所述相位探测单元613、第二光学传输单元611和第三光学传输单元612，所述第二和第三光学传输单元分别被设置成使所述第一干涉光的一部分和所述第二干涉光的一部分朝向所述相位探测单元613传输。

可选地，所述第一光学传输单元3可以为环形器。优选地，所述第二光学传输单元611可以为分束单元，且位于所述第一光路上。

优选地，所述第一光学传输单元3可以为分束单元。进一步优选地，所述第二光学传输单元611可以为环形器，且位于所述第一光路之外。

进一步地，所述相位探测单元613可以包括第一光电管6131和相位检测器6133。其中，所述相位调制校准装置6可以被设置成，驱动所述相位调制器22进行相位调制，记录所述第一光电管的最大输出值Cnt_max和最小输出值Cnt_min，并且执行以下反馈过程中的一个：驱动所述相位调制器22直至所述第一光电管的输出值达到 Cnt_max；或者驱动所述相位调制器22直至所述第一光电管的输出值达到Cnt_min；或者驱动所述相位调制器22直至所述第一光电管的输出值达到(Cnt_max-Cnt_min)/2。

优选地，所述相位探测单元613可以包括第一光电管6131、第二光电管6132，以及相位检测器6133。其中，所述相位调制校准装置6 可以被设置成，驱动所述相位调制器22进行相位调制，记录所述第一光电管的最大输出值Cnt1_max和最小输出值Cnt1_min，以及记录所述第二光电管的最大输出值Cnt2_max和最小输出值Cnt2_max，并且执行以下反馈过程中的一个：驱动所述相位调制器22直至所述第一光电管的输出值达到Cnt1_max，和/或所述第二光电管的输出值达到Cnt2_min；或者驱动所述相位调制器22直至所述第一光电管的输出值达到Cnt 1_min，和/或所述第二光电管的输出值达到Cnt2_max；或者驱动所述相位调制器22直至所述第一光电管的输出值与所述第二光电管的输出值的比值达到(Cnt1_max-Cnt1_min)/

(Cnt2_max-Cnt2_min)。

优选地，所述相位探测模块61还可以包括校准光光源和第二合束单元614；其中，所述校准光光源用于提供校准光，所述第二合束单元614被设置成将所述校准光和所述信号光合成一路输出。进一步地，时间相位编码装置还可以包括第二相位调制器5，所述第二相位调制器5设置在所述第一光路和/或所述第二光路上，用于施加0或π/2的调制相位。

本发明的另一方面还公开了一种量子密钥分发系统，其包括本发明的时间相位编码装置。

附图说明

图1示出了现有技术的一种时间相位编码系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明的时间相位编码装置的一个示例性实施例；

图3示出了根据本发明的时间相位编码装置中调制相位差与编码光信号之间的关系；

图4示意性地示出了根据本发明的用于6态量子密钥分发协议的时间相位编码装置；

图5示出了本发明的相位调制校准装置的结构示意图；

图6A示出了相位调制校准装置的一种优选实施方式；

图6B示出了相位调制校准装置的一种优选实施方式；

图7A示出了相位调制校准装置的一种优选实施方式；

图7B示出了相位调制校准装置的一种优选实施方式；

图8A示出了相位调制校准装置的一种优选实施方式；

图8B示出了相位调制校准装置的一种优选实施方式；

图9A示出了相位调制校准装置的一种优选实施方式；

图9B示出了相位调制校准装置的一种优选实施方式；

图9示出了本发明的相位探测单元的一种优选实施方式；以及

图10示出了本发明的相位探测单元的一种优选实施方式；

图11示出了本发明的相位探测单元的另一种实施方式。

具体实施方式

在下文中，本发明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，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图2示出了根据本发明的时间相位编码装置的示例性实施例，用于说明本发明的原理。如图所示，该时间相位编码装置可以包括信号光光源1、强度调制器2、第一光学传输单元3和合束单元4。

信号光光源1可以为激光器，例如激光二极管。

强度调制器2可以包括萨格奈克干涉仪21和第一相位调制器22。其中，萨格奈克干涉仪21可以包括萨格奈克环路211和设置于环路上的第一分束单元212。当信号光光源1输出的光进入强度调制器2 时，该入射光首先经第一分束单元212分成两路相干光(即第一相干光和第二相干光)，两路相干光沿相反的传播方向传播通过萨格奈克环路211后，同时返回到第一分束单元212处并发生干涉，从而向外输出两路干涉光(第一干涉光out1和第二干涉光out2)，作为强度调制器2的输出信号。设置在萨格奈克环路211上的第一相位调制器 22用于对环路中的光信号进行相位调制，从而在两路相干光之间形成相位差，进而经第一分束单元212输出相应的干涉光信号。由于第一干涉光和第二干涉光的强度与两路相干光之间的相位差有关，因此通过改变该相位差，可以调制强度调制器2输出的干涉光的强度，即实现光强调制。

假设关于调制器2的入射光强为I0，第一分束单元212为1:1的分束器，第一相位调制器22在两路相干光之间调制的相位差为强度调制器2输出的两路干涉光的强度满足以下公式：

此外，两路干涉光之间的相位关系也与调制相位有关。

进一步参见图2，强度调制器2的两个输出端经第一和第二两路光路连接合束单元4，以使两路干涉光能够到达合束单元4并由其合成一路输出，即为时间相位编码装置输出的编码光。其中，第一光路和第二光路可以被配置成关于干涉光具有不同的光程。优选地，第一光路和第二光路可以由光纤实现。

在本发明的时间相位编码装置中，可以通过相位调制在两路相干光之间形成相位差或3π/2来实现时间相位编码。图3示出了编码光信号与调制相位差之间的关系。

如图所示，当相位差时，在一个时间周期内，编码装置将只输出单个脉冲信号；当相位差时，在一个时间周期内，编码装置同样将只输出单个脉冲信号，但该脉冲信号在出现的时间位置上与相位差时编码装置输出的脉冲信号不同。因此，在该编码装置中，通过将相位差调制为0或者π，可以获得时间位置不同的单个光脉冲信号，即对应于时间编码。

当相位差时，在一个时间周期内，编码装置会输出连续两个脉冲信号，且两个相邻脉冲之间的相位差为0；当相位差时，在一个时间周期内，编码装置同样会输出连续两个脉冲信号，但此时这两个连续脉冲之间的相位差为π。因此，在该编码装置中，通过将相位差调制为π/2或者3π/2，可以获得具有不同相位差的光脉冲对，即对应于相位编码。

在本发明中，第一光学传输单元3可以优选设置成使信号光光源 1输出的光朝向强度调制器2传输，同时使强度调制器2输出的一路干涉光(例如在图2中示出为第一干涉光)朝向合束单元4传输。即，第一光学传输单元3可以设置在第一光路上，以便能够使强度调制器 2输出的两路干涉光之一朝向合束单元4传输。

作为示例，第一光学传输单元3可以为环形器(如图2所示)或者分束单元。

在本发明中，合束单元4用于接收由强度调制器2输出的两路干涉光并使其合成一路输出。

作为示例，合束单元4可以包括分束器BS(如图2所示)或者包括偏振分束器PBS。

如前所述，本发明的时间相位编码装置中引入了基于萨格奈克干涉仪的强度调制器2来提供时间相位编码，由于该强度调制器2具有自稳定特性，能够很好地消除外部环境引起的例如与臂长差相关的影响，因此无需复杂的控制结构即可提供良好的稳定性和改善的编码效率。同时，采用这种结构的时间相位编码装置还易于扩展，其不仅适合基于BB84协议的4态时间相位编码，还可以方便地用于3态协议、 6态协议、MDIQKD协议等。

图4示例性地示出了一种用于6态量子密钥分发协议的时间相位编码装置结构，其与图2所示结构相比，只需在第一光路和/或第二光路上设置第二相位调制器5。第二相位调制器5可以被设置用于在相邻两个光脉冲之间调制出和这两种相位差，从而实现6态的时间相位编码。

根据本发明，时间相位编码装置还可以包括相位调制校准装置6，以解决不同环境下相位调制量漂移的问题，从而进一步改善装置编码准确性。

图5示出了本发明的相位调制校准装置的结构示意图。如图所示，相位调制校准装置6可以包括相位探测模块61和相位校准驱动模块 62，其中相位探测模块61用于探测相位调制器22的调制相位偏差，相位校准驱动模块用于驱动对相位调制器22的相位调制量的校准(其例如可以是关于相位调制电压值的校准或者是关于调制电压施加时间相对于待调制光的相对时间位置的校准)，使相位调制器在不同环境温度下调制出的相位准确。

图6A和6B示出了相位调制校准装置的一种优选实施方式，用于说明基于信号光分时校准的相位调制校准方法。

如图所示，相位探测模块61可以包括相位探测单元613，以及第二光学传输单元611和第三光学传输单元612中的一个(参见图6B, 其示出为第二光学传输单元611)或两个(参见图6A)。

第二光学传输单元611可以被设置成用于使第一干涉光的一部分朝向相位探测单元613传输；第三光学传输单元612可以被设置用于使第二干涉光中的一部分朝向相位探测单元613传输。

相位探测单元613接收上述一路或者两路干涉光的一部分，并且由此探测出相位调制器22施加的调制相位的实际值与理论值之间的偏差。

相位校准驱动模块62基于相位探测单元613的探测结果驱动对相位调制器调制量的校准。本领域技术人员容易理解，在图6A和6B 所示的结构中，基于时分复用原理同时将信号光光源发出的光作为用于时间相位编码的信号光和用于相位校准的校准光使用，其能够以最为简单的结构实现调制相位的校准。然而，本发明人还注意到，在这种结构下不能同时进行编码和校准过程，其不利于编码装置的时间利用率。因此，图7示出了相位调制校准装置的另一种实施方式，其用于说明基于波分复用原理的相位调制校准。

如图7A所示，相位探测模块61可以包括校准光光源、第二合束单元614、相位探测单元613、第二光学传输单元611和第三光学传输单元612。

如图7B所示，相位探测模块61可以包括校准光光源、第二合束单元614、相位探测单元613和第二光学传输单元611。

校准光光源可以具有与信号光光源不同的波长，且可以为激光器，例如激光二极管。

第二合束单元614用于将分别来自校准光光源和信号光光源的两路光合成一路输出。优选地，第一合束单元614可以为波分复用器。可选地，第一合束单元614还可以为分束器BS。

相应地，第二光学传输单元611可以被设置用于使有关校准光的第一干涉光的至少一部分朝向相位探测单元613传输，且使有关信号光的第一干涉光朝向合束单元4传输。

第三光学传输单元612可以被设置用于使有关校准光的第二干涉光的至少一部分朝向相位探测单元613传输，且使有关信号光的第一干涉光朝向合束单元4传输。相位探测单元613接收上述一路或者两路干涉光的至少一部分，并由此探测出相位调制器22实际施加的调制相位量与理论值之间的偏差。

相位校准驱动模块62基于相位探测单元613的探测结果驱动对相位调制器调制量的校准。

此外，当经第二光学传输单元611或者第三光学传输单元612朝向合束单元4传输的干涉光中包括校准光成分时，优选地还在编码装置中设置有关校准光的过滤单元，以使得输出的编码光中不存在校准光成分。

在图7A和7B所描述的基于波分复用原理的相位调制校准中，由于引入了独立的校准光光源，使得能够同时进行信号光的编码和校准光的相位校准过程，提供实时校准，从而改善编码装置的编码效率。

再次参见图6A、6B、7A和7B，其中示例性地示出了第一光学传输元件3为环形器的编码装置结构。如图所示，当第一光学传输元件 3为环形器时，可以仅在第一光路上设置第二光学传输单元611；或者在第一光路上设置第二光学传输单元611，并且在第二光路上设置第三光学传输单元612。

此时，第二和第三光学传输单元可以为波分单元或者分束器。

其中，当第二、第三光学传输单元为波分单元时，其可以被设置成使有关校准光的第一和第二干涉光全部朝向相位探测单元613传输，同时使有关信号光的第一和第二干涉光朝向合束单元4传输，从而使得编码装置输出的编码光中不存在校准光成分。当第二、第三光学传输单元为分束器BS时，还可以在编码装置中相应地设置有关校准光的过滤单元，以使得编码装置输出的编码光中不存在校准光成分。

图8A、8B、9A和9B示出了第一光学传输单元3为分束单元(例如分束器BS)的编码装置结构，其结构与图6A、6B、7A和7B所示结构类似，因此在下文中不再就相同内容重复赘述。

如图所示，当第一光学传输元件3为分束单元时，第二光学传输单元可以设置在第一和第二光路之外，第三光学传输单元(如果需要的话)可以被设置第一和第二光路中未设置有第一光学传输单元3的光路上，即第二光路上。其中，第二光学传输单元优选为环形器；相应地，还可以在编码装置中设置有关校准光的过滤单元，以使得编码装置输出的编码光中不存在校准光成分。

显然，第一光路、第二光路、合束单元4以及设置在第一和第二光路上的光学元件(例如第一、第二和第三光学传输单元)实质上构成一个不等臂干涉仪。本发明人注意到，随着不等臂干涉仪中包含的光学元件数量增多，不等臂干涉仪的稳定性随之变差，因此，相比于图6和7所示的方案，图8-9所示的借助分束单元形成第一光学传输单元的方案由于在不等臂干涉仪中设置的光学元件较少(例如无需第二光学传输单元)，其稳定性相比得到改善和提高。图10示出了本发明的相位探测单元613的一种实施方式。如图所示，相位探测单元 613可以包括第一光电管6131、第二光电管6132和相位检测器6133。其中，第一和第二光电管分别接收经由第二和第三光学传输单元传输的第一和第二干涉光中的至少一部分，并输出与光强有关的光电流 (计数值)；相位检测器接收第一和第二光电管输出的光电流，对其进行相除处理，并将处理结果发送给相位校准驱动模块。

相位校准驱动模块经反馈算法处理获得相位调制器22的相位校准量，并驱动相位调制器的校准过程。

下面对图10所示的相位调制校准装置的相位校准过程进行描述。

1)加载0和π相位的调制电压，记录第一光电管的最大输出值 (计数)Cnt1_max和最小输出值(计数)Cnt1_min，第二光电管的最大输出值(计数)Cnt2_max和最小输出值(计数)Cnt2_max。例如，在0相位的调制电压(即不向相位调制器加载调制电压)下，第一光电管处能够出现最大输出值(计数)Cnt1_max，第二光电管处则相应出现最小输出值(计数)Cnt2_min；在π相位的调制电压下，第一光电管处将会出现最小输出值(计数)Cnt1_min，第二光电管处则相应出现最大输出值(计数)Cnt2_max。

2)基于记录的光电管的最大输出值(计数)和最小输出值(计数)进行π、π/2和3π/2相位的调制电压的反馈。

在反馈π相位的调制电压时，将对应探测零强度干涉光信号的第一光电管的输出值(计数)与第一光电管的最小输出值(计数) Cnt1_min进行比较，并通过调整调制电压直至输出值(计数)值达到该最小输出值(计数)Cnt1_min为止，或者将对应最大强度干涉光信号的第二光电管的输出值(计数)与第二光电管的最大输出值(计数) Cnt2_max进行比较，并调整调制电压直至输出值(计数)值达到该最大输出值(计数)Cnt2_max为止。

反馈π/2电压时，将第一光电管输出值(计数)与第二光电管输出值(计数)进行相除计算，并将该比值与(Cnt1_max-Cnt1_min) /(Cnt2_max-Cnt2_min)相比较，并调整调制电压直至该输出值(计数)比达到(Cnt1_max-Cnt1_min)/(Cnt2_max-Cnt2_min)为止。

有关3π/2的调制电压的反馈过程同π/2的调制电压的反馈过程。

本领域技术人员容易理解，由于光电管的灵敏度允许有一定的偏差，因此实际应用时在反馈比较中允许一定的偏差，例如0.2dB。

图11示出了本发明的相位探测单元613的另一种实施方式。如图所示，相位探测单元613可以包括相位检测器6133，以及第一光电管和第二光电管中的一个，例如光电管6132。光电管6132接收经由第二和第三光学传输单元中第一个传输的一路干涉光的至少一部分，并输出与光强有关的光电流(计数值)。相位检测器6133接收光电管输出的光电流，记录和存储该光电流，并发送给相位校准驱动模块。

相位校准驱动模块经反馈算法处理获得相位调制器22的相位校准量，并驱动相位调制器的校准过程。

下面对图11所示的相位调制校准装置的相位校准过程进行描述。

1)加载0相位的调制电压(即不向相位调制器加载调制电压)，光电管处上将会最大输出值(计数)Cnt_max和最小输出值(计数) Cnt_min中的一个，其被记为0相位的标定输出值(计数)；加载π相位的调制电压，光电管处上将会最大输出值(计数)Cnt_max和最小输出值(计数)Cnt_min中的另一个，其被记为π相位的标定输出值(计数)。例如，在0相位的调制电压下，光电管处能够出现最大输出值(计数)Cnt_max，则在π相位的调制电压下该光电管处将会出现最小输出值(计数)Cnt_min。

2)基于0相位标定输出值(计数)和π相位标定输出值(计数) 进行π、π/2和3π/2相位的调制电压的反馈。

在反馈π相位的调制电压时，将光电管处的输出值(计数)与π相位标定输出值(计数)作比较，并调整调制电压直至输出值(计数) 达到π相位标定输出值(计数)为止。

在反馈π/2电压时，将光电管处的输出值(计数)与|0相位标定输出值(计数)-π相位标定输出值(计数)|/2作比较，并调整调制电压直至输出值(计数)达到该比较值为止。有关3π/2的调制电压的反馈过程同π/2的调制电压的反馈过程。

本领域技术人员容易理解，由于光电管的灵敏度允许有一定的偏差，因此实际应用时在反馈比较中允许一定的偏差，例如0.2dB。

在根据本发明的时间相位编码装置中，由于引入了基于萨格奈克干涉仪的强度调制器，使得在提供由强度调制实现时间相位编码的同时，还能够提供良好的环境稳定性，这不仅有利于编码结构的简化和编码效率的提高，同时还有利于解码装置的简化。此外，本发明中还引入了调制相位校准结构，使得能够进一步改善相位调制的稳定性，改善编码性能。

本发明还公开了一种量子密钥分发系统，其包括上文所描述的时间相位编码装置。

本发明还公开了一种基于本发明的编码装置的编码方法以及基于本发明的量子密钥分发系统的量子密钥分发方法。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。