一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件的制作方法

本发明涉及量子密钥分配（qkd）系统中的发射装置技术领域，特别涉及一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件。

背景技术：

量子密钥分配（qkd）技术是量子保密光通信的核心技术。量子密钥分配通过光子的量子态的调制发射与解调接收实现保密通信所需密钥分发。量子密钥分配系统中收发双方通过光传输信道对调制后的单光子进行发射和探测，然后按照协议对探测结果进行处理以实现密钥的安全分配。量子密钥分配的安全性是由量子力学的基本原理保证的。量子密钥分配获得的密钥，在一次一密的特定的使用条件下（量子密钥分配获得的真随机密钥、密钥与明文等长、明文与密钥进行“异或”逻辑运算获得密文、一次一密使用），可以实现无条件安全的保密通信。

量子密钥分配中相位编码是一种主流的编码方式，由编解码装置完成对光子相位的调制和解调。基于集成光路技术的量子密钥分配编码/解码芯片，将量子态信号的产生、编码/解码、测量过程的各功能部件集成在一片集成光路芯片上，以实现相位编码bb84协议和诱骗态协议的量子密钥分配。

影响密钥分配误码率（差错率）的因素有很多，如接收端和发射端光学器件的不理想引起的量子态调制误差，信道的背景噪声，探测器噪声等。因此，在调制光子量子态的发射和检测过程中，所使用的光器件性能对整个系统的特性有重要的影响。存在的问题主要体现在三个方面：系统中各光学器件的参数一致性问题、系统稳定性问题、不能满足设备小型化的问题。

量子密钥分配系统基于其物理上绝对安全的特性，是目前密钥分配的最可靠的一种方式。目前实用的量子密钥分配系统多数是基于bb84协议或者其改进协议（b92等），以及必要的补充协议（诱骗态协议等）。按照bb84协议，量子密钥分配的过程是，在发射端（alice）随机发射一个经过编码的光子，单光子经过（光纤、自由空间等）传输到达接收端，在接收端（bob）进行解码探测，积累足够的探测结果后按照bb84协议以及诱骗态协议的要求进行处理，生成安全的量子密钥。

发射端的光源发出的光经过光强度调制模块（可以用等臂马赫-曾得尔干涉仪加上调相器构成）控制输出光的强度，达到量子密钥分配所需要近似单光子光脉冲的弱脉冲光，光脉冲中的平均光子数小于1（一般为0.1），并按照诱骗态协议的要求插入不同强度的诱骗态光脉冲。

在相位编码的量子密钥分配系统中可以用干涉仪实现单光子的相位的编解码。发射端（alice）和接收端（bob）各使用一个“不等臂马赫-曾得尔干涉仪（amzi）”，amzi的一臂或者两臂上设置有相位调制器。发射端（alice）和接收端（bob）的amzi的两臂光程差相同。光子进入发射端（alice）的amzi后随机走干涉仪的“短臂”（s）或者“长臂”（l）两条路径，分别为s光子和l光子。l光子和s光子进入接收端（bob）的amzi后，会各自被再次随机分成走“长臂”（l）和“短臂”（s）的两个光子，分别为ll光子和ls光子，以及sl光子和ss光子。因此，到达接收端的amzi的输出端时可能有四种光子：ll光子、ls光子、sl光子、和ss光子。由于发射端（alice）和接收端（bob）的amzi的两臂光程差相同，因此ls光子和sl光子的到达输出端的时间相同，形成叠加干涉。在发射端（alice）使用amzi中的调相器将走长臂的l光子与走短臂的s光子之间的相位差随机调制为{0、π}、{π/2、3π/2}这两组基的各两种状态，共四种状态之一。在接收端（bob）也使用amzi中的调相器，随机选取{0、π}、{π/2、3π/2}两组基中的一组，将所述l光子走接收端amzi的长臂的ll光子或者走短臂的ls光子，以及所述s光子走接收端amzi的短臂的ls光子或者走短臂ss光子之间的相位差随机调制为{0、π}或者{π/2、3π/2}两组各两个相位状态，共四种状态之一，在接收端amzi的两个输出端进行单光子测量。在按照bb84协议对测量结果进行处理时，双方基的选择一致时得到的测量结果也是确定的，予以保留，并按照约定分别将发射端发射的量子态（相位）和接收端通过测量确定的量子态（相位）按照协议的约定分别转换为二进制（0，1）码，这样发射端和接收端可以得到相同的密钥。基的选择不一致的测量结果则弃之不用。由此可完成依据相位编码bb84协议的量子密钥分配过程。发射端按照诱骗态协议的要求插入不同强度的诱骗态光脉冲，根据诱骗态协议处理得到安全的量子密钥。

现有的相位编码bb84协议的量子密钥分配系统中的发射端和接收端中的光路部分一般采用分立光学元件组成，或者使用光纤和光学器件组成，也有部分采用集成光路的发射端和接收端。

现有的部分采用集成光路的发射端和接收端中，使用集成光路的是主要是“不等臂马赫-曾得尔干涉仪（amzi）”部分。集成光路的amzi大多采用二氧化硅材料（sio2）或者硅材料（si）制作。由于sio2/si的材料的特性的限制，无法将光源、光强度调制器与不等臂马赫-曾得尔干涉仪（amzi）等实现相位编码的量子密钥分配系统的必要器件集成在同一芯片上，不利于量子密钥分配系统发射端的小型化、集成化，系统的稳定性较差。

技术实现要素：

为了使装置的稳定性满足长时间运行的需求，除进行复杂的主动补偿外，还需要使用多层隔温、避震。装置的尺寸体积也过于庞大难以用在实用化系统中。量子密钥分配系统的发射端（完成光量子编码发射功能）和接收端（完成光量子探测解码功能）成为制约量子密钥分配系统实用化的关键部件。为解决上述问题，发明了量子密钥分配系统中的关键器件（发射端和接收端）集成光路的解决方案。但是现有的基于硅材料和二氧化硅材料的集成光路方案不能将光源和调制器等功能模块集成进发射端集成光路芯片。为克服上述缺上述缺点，本发明的发射端集成光路芯片上集成了光源、调制器和干涉仪等量子密钥分配系统发射端完成光量子编码发射的全部功能模块。

本发明公开了一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件，包括衬底及设置于所述衬底表面上的缓冲层，所述缓冲层表面上依次设置有初级光源模块、次级光源模块、光强度调制器模块、不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块及光输出耦合模块，所述初级光源模块外接电源发出短波长光经过光波导输送到所述次级光源模块的一端，所述短波长光激发次级光源模块产生长波长光，所述长波长光从该次级光源模块的另一端通过光波导输送到所述光强度调制器模块的输入端，经过所述光强度调制器模块调制后输出长波长强度调制脉冲光信号，所述长波长强度调制脉冲光信号通过光波导输送到所述不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块的输入端，经该不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块从其输出端输出长波长强度调制和相位调制的光脉冲对信号，所述光脉冲对信号通过该光输出耦合模块向外发射。

进一步地，所述初级光源模块是发出短波长光（336-530nm）的gan-led或者gan-ld，两者任意之一。

进一步地，所述次级光源模块包括掺铒gan光波导，以及设于掺铒gan光波导两端的光学谐振腔，所述掺铒gan光波导掺有铒离子，所述初级光源模块发出的短波长光激发所述掺铒离子波导产生适当的增益，并在所述光学谐振腔的作用下发出长波长（1.5微米）激光。

进一步地，所述光学谐振腔包括平行解理面反射镜结构、布拉格反射镜结构、分布布拉格反馈结构其中任一种。

进一步地，所述光强度调制器模块采用等臂马赫-曾德尔干涉仪结构，在所述等臂马赫-曾德尔干涉仪的其中一臂或者两臂的两侧设置有第一调制电极，所述第一调制电极连接外部驱动电路用于控制所述等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂之间的位相差，使得所述次级光源模块发出的长波长光经过所述等臂马赫-曾德尔干涉仪后，从其中一个输出端获得按照量子密钥分配协议要求的强度调制光脉冲输出。为了获得足够弱的光脉冲信号可以串联使用多个光强度调制器模块。

进一步地，在所述不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块其中一臂或者两臂的两侧设置有第二调制电极，所述第二调制电极连接外部驱动电路用于控制所述强度调制光脉冲经过所述不等臂马赫-曾德尔干涉仪从一个输出端输出形成的光脉冲对的相位差，输出强度和相位差调制的光脉冲对。

进一步地，所述光输出耦合模块包括耦合光波导段，以及与之耦合的光纤或者空间光路其中任意一种，所述耦合光波导段为锥形光波导、条形光波导、周期结构光波导，其中一种光波导或其中几种光波导的组合。

进一步地，所述衬底为蓝宝石（al2o3）衬底、或为碳化硅（sic）衬底、或者硅衬底或为gan衬底。

进一步地，所述蓝宝石（al2o3）的缓冲层为alxga1-xn（0<x≤1）层。

进一步地，所述光波导，初级光源模块中的光波导，次级光源中的光波导，光强度调制器模块中的光波导，不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块中的光波导，耦合光波导，均为gan光波导。

实施本发明的一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件，具有以下有益的技术效果：

区别于现有技术中在实现量子密钥分配功能时，器件集成度不高，没有将光源和光强度调制器集成在光学发射芯片上，本技术方案提出的在衬底上依次设置初级光源模块、次级光源模块、光强度调制器模块、不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块及用于光波导输出的光输出耦合模块，可以在一片光学芯片上完整地实现量子密钥分配系统发射端功能，本集成光学发射器件的集成度高，简化系统结构，优化系统性能，提高器件的稳定性和可靠性，降低了成本，因此具有极高的经济价值。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实施例用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件的模块组成方框图；

图2是本发明的实施例用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件的光路结构示意图；

图3是本发明的实施例用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件中光源器件模块的结构示意图。

具体实施方式

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作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。

参见图1、图2及图3，本发明提出的实施例，一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件100，采用蓝宝石作为衬底1，在蓝宝石的衬底1表面上设有alxga1-xn（0<x≤1）缓冲层2，alxga1-xn（0<x≤1）缓冲层2表面上依次设置有初级光源模块3、次级光源模块4、光强度调制器模块5、不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块6及光输出耦合模块7，初级光源模块3外接电源发出短波长光（波长为336-530nm)，经过光波导8输送到次级光源模块4的一端，短波长光激发次级光源模块4产生长波长光(波长为1.5微米），长波长光从该次级光源模块4的另一端通过光波导8输送到光强度调制器模块5的输入端，经过光强度调制器模块5调制后输出长波长强度调制脉冲光信号，长波长强度调制脉冲光信号通过光波导8输送到不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块6的输入端，经该不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块6从其输出端输出长波长强度调制和相位调制的光脉冲对信号，光脉冲对信号通过该光输出耦合模块7向外发射，上述光波导8、以及构成等臂马赫-曾德尔干涉仪、不等臂马赫-曾德尔干涉仪的波导、耦合光波导段，均为gan光波导。

其中，不等臂马赫-曾德干涉仪（amzi）的其中一路光路较另一光路具有较大的光程差，因此称之为“不等臂马赫-曾德尔干涉仪”，在本发明中使用的amzi的光程差应足以分离一个光脉冲，使得光脉冲输入amzi后输出amzi的为光脉冲对，如果对于其中一路光路较另一光路具有相等或者基本相等长度的光程，则称之为“等臂马赫-曾德尔干涉仪”。

初级光源模块3是发出短波长光（336-530nm）的gan-led或者gan-ld两者之一。

次级光源模块4由掺铒gan光波导41及设于该掺铒gan光波导41两侧的光学谐振腔42组成，掺铒gan光波导41掺有铒离子，所述初级光模块发出的336-530nm短波长光激发掺杂铒离子gan光波导，获得长波长光（1.5微米）的适当的增益，并通过光学谐振腔42的作用发出长波长（1.5微米）激光。光学谐振腔42可以是平行解理面反射镜、或布拉格反射镜结构、或为分布布拉格反馈结构，其作用是将初级光源模块输送的336-530nm短波长光激发掺铒gan光波导41中的铒离子，获得适当的增益，通过光学谐振腔42振荡并发出1.5微米长波长激光。次级光源模块4可以仅包括掺铒gan光波导41在336-530nm短波长光激发下发出1.5微米长波长光，也可以再加光学谐振腔42形成长波长激光输出。

其中，布拉格反射体结构，或者分布布拉格反射结构是一种波长选择反射结构，对满足布拉格条件的波长的光具有反射作用。

光强度调制器模块5采用等臂马赫-曾德尔干涉仪，在等臂马赫-曾德尔干涉仪的其中一臂或者两臂的两侧设置有第一调制电极51，第一调制电极51连接外部驱动电路用于控制强度调制光脉冲输出，上述等臂马赫-曾德尔干涉仪结构中的耦合器9为3db耦合器。

在不等臂马赫-曾德尔干涉仪（amzi）模块6其中一臂或者两臂的两侧设置有第二调制电极61，第二调制电极61连接外部驱动电路用于控制输入amzi的强度调制光脉冲到达amzi的一个输出端的一对光脉冲的相位差，输出强度和相位差调制光脉冲对，上述不等臂马赫-曾德尔干涉仪结构中的耦合器9为3db耦合器。

光输出耦合模块7包括耦合光波导，所述耦合光波导段为锥形光波导、条形光波导、周期结构光波导，其中一种光波导或其中几种光波导的组合。

衬底1为蓝宝石衬底、或为碳化硅衬底、或者硅衬底。

进一步说明：

gan是一种宽带隙化合物半导体材料，具有短波长发光特性，是继锗、硅和砷化镓之后最重要的半导体材料之一。使得它在蓝光和紫外光光电子学技术领域占有重要地位。用于制作高亮度紫外与蓝光gan发光二极管和gan激光二极管。也是制作高温、大功率半导体器件的理想材料。

更进一步说明：

在量子密钥分配系统中可以用干涉仪实现光子相位的编解码。发射端（alice）和接收端（bob）各使用一个“不等臂马赫-曾得尔干涉仪（amzi）”，amzi的一臂上放置有调相器。光子进入alice的amzi后被随机分为走长臂（l）和短臂（s）两条路径的l光子和s光子。l光子和s光子进入bob的amzi后，会各自被再次随机分成走长臂（l）和短臂（s）的两个光子ll光子和ls光子，以及sl光子和ss光子一对光脉冲。因此，到达分束器4时可能有四个光子：ll、ls、sl、和ss，由于发射端（alice）和接收端（bob）的amzi的两臂光程差相等，其中ls和sl同时到达bob的amzi的输出端形成干涉。alice用调相器将光脉冲对的相位差随机调制为{0、π}、{π/2、3π/2}四种状态之一，bob则随机选取{0、π}、{π/2、3π/2}两组相位中的一组进行相位调制，并在amzi的两个输出端进行单光子测量。当双方基的选择一致时可以得到确定的测量结果，并进一步根据量子密钥分配协议，得到双方共享的相同的密钥。基的选择不一致的测量结果则予以抛弃。由此可完成bb84协议的相位编码和解码的量子密钥分配过程。发射端按照诱骗态协议的要求插入不同强度的诱骗态光脉冲，根据诱骗态协议处理得到安全的量子密钥。

量子密钥分配技术是量子保密光通信的核心技术，量子密钥分配（qkd）通过光子的量子态的调制发射与解调接收实现保密通信所需的密钥的分发。量子密钥分配系统中收发双方通过光传输信道对调制后的单光子进行调制发射和解调探测，然后按照协议对探测结果进行处理以实现密钥的安全分配。量子密钥分配的安全性是由量子力学的基本原理保证的。量子密钥分配获得的密钥，在“一次一密”的特定的使用条件下（量子密钥分配获得的真随机密钥、密钥与明文等长、明文与密钥进行“异或”逻辑运算获得密文、一次一密使用），可以实现无条件安全的保密通信。

量子密钥分配中相位编码是一种主流的编码方式，由编解码装置完成对光子相位的调制和解调。基于集成光路技术的量子密钥分配编码/解码芯片，将量子态信号的产生、编码/解码、测量过程的各功能部件集成在一片集成光路芯片上，以实现相位编码bb84协议和诱骗态协议的量子密钥分配。

影响密钥分配误码率（差错率）的因素有很多，如接收端和发射端光学器件的不理想引起的量子态调制误差，信道的背景光噪声，探测器噪声等。因此，在调制光子量子态的发射和解调检测过程中，所使用的光器件性能对整个系统的特性有重要的影响。影响主要体现在三个方面：稳定性差、光学功能单元可扩展性差、集成度难以满足设备小型化的要求。为了使装置的稳定性满足长时间运行的需求，除进行复杂的主动补偿外，还需要使用多层隔温、避震。装置的尺寸体积也过于庞大难以满足实用化系统的小型化要求。量子编码/解码器成为制约量子密钥分配系统实用化和规模化应用的关键器件。为解决上述问题，量子密钥分配系统中发射端和接收端的关键器件方面，发展出了集成光路的解决方案。

但是现有的基于硅材料和二氧化硅材料的集成光路方案中将光源和调制器集成进发射端集成光路芯片有极大的困难。为克服上述缺上述缺点，本发明的量子密钥分配系统中发射端芯片上集成了光源、调制器和干涉仪等全部功能模块。

实施本发明的一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件，具有以下有益的技术效果：

区别于现有技术中在实现量子密钥分配发射端功能时，器件集成度不高，没有将光源和光强度调制器集成在光学发射芯片上的不足，本技术方案提出的在衬底上依次设置有gan-led或者gan-ld光源模块、掺杂er离子gan光波导激光器模块、光强度调制器模块、不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块及用于光波导输出的光输出耦合模块，可以在一片光学芯片上完整地实现量子密钥分配系统发射端的全部功能。本发明的量子密钥分配集成光学发射端芯片器件的集成度高，简化了系统结构，优化了系统性能，提高器件的稳定性和可靠性，降低了成本，因此极高的经济价值。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。