时间相位解码装置和包括其的量子密钥分发系统的制作方法

本发明涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种时间相位解码装置和量子密钥分发系统。

背景技术：

量子保密通信技术是量子物理与信息科学相结合的前沿热点领域。基于量子密钥分发技术和一次一密密码原理，量子保密通信可在公开信道实现信息的安全传输。量子密钥分发基于量子力学海森堡不确定关系、量子不可克隆定理等物理原理，能够实现在用户之间安全地共享密钥，并可以检测到潜在的窃听行为，可应用于国防、政务、金融、电力等高安全信息传输需求的领域。

地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输，因为相位编码采用前后光脉冲的相位差来编码信息，在长距离光纤信道传输过程中能够稳定保持，所以采用不等臂干涉仪进行相位编码或包含一组相位编码的时间相位编码方案是量子密钥分发应用的主要编码方案。然而，光纤制作存在截面非圆对称、纤芯折射率沿径向不均匀分布等非理想情况，并且光纤在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响，会产生随机双折射效应。因此，光脉冲经长距离光纤传输以及经不等臂干涉仪两臂光纤传输后，通过不等臂干涉仪进行相位解码干涉时存在偏振诱导衰落的问题，导致解码干涉不稳定，造成误码率升高。若使用纠偏设备，会增加系统复杂度和成本，且对于架空光缆、路桥光缆等强干扰情况难以实现稳定应用。此外，时间相位编码量子密钥分发系统的解码通常包含时间基解码光路和相位基解码光路以分别对时间基和相位基进行选基解码探测，这需要四个探测器，系统成本高，且由于四个探测器性能存在不一致从而存在潜在的攻击漏洞。

对于时间相位编码方案，如何稳定高效地进行干涉解码是基于现有光缆基础设施进行量子保密通信应用的热点和难题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提出一种时间相位解码装置和基于该解码装置的量子密钥分发系统，以解决时间相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落引起的相位解码干涉不稳定的难题。并且，本发明使得可以使用减少数量的探测器，由此消除或降低多探测器产生的安全性问题，并可观地降低制造成本和系统复杂度。

本发明提供至少以下技术方案：

1.一种时间相位解码装置，包括：分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置、单个单光子探测器，其中，

每个所述反射装置为偏振正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置包括具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的偏振分束器，并经所述偏振分束器的第一端口耦合至所述两个臂中的相应臂，所述偏振分束器的第二端口和第四端口通过第一传输光路光耦合，所述第一传输光路上设置有相位调制器，所述偏振分束器的第三端口通过第二传输光路耦合至四分之一波片反射镜，所述四分之一波片反射镜包括四分之一波片和在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成的反射镜，其中输入所述四分之一波片的光脉冲的极化方向与所述四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度；

所述单光子探测器耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的一个端口，用于在一个脉冲周期内对连续的第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号进行探测，其中所述一个脉冲周期包括所述第一时隙、第二时隙和第三时隙。

2.根据方案1所述的时间相位解码装置，还包括设置在所述单光子探测器与所述分束器的所述一个端口之间的光环形器，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光环形器经由其第二端口耦合至所述分束器的所述一个端口，所述光环形器经由其第三端口耦合至所述单光子探测器，其中所述光环形器的第一端口为所述时间相位解码装置的输入端口，从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，从所述分束器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲由所述光环形器的第三端口输出。

3.根据方案1所述的时间相位解码装置，其中所述相位调制器随机调制0度相位或180度相位。

4.一种时间相位解码装置，包括：分束器、分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置、第一单光子探测器、第二单光子探测器和光环形器，其中，

每个所述反射装置为偏振正交旋转反射装置，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置包括具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的偏振分束器，并经所述偏振分束器的第一端口耦合至所述两个臂中的相应臂，所述偏振分束器的第二端口和第四端口通过第一传输光路光耦合，所述偏振分束器的第三端口通过第二传输光路耦合至四分之一波片反射镜，所述四分之一波片反射镜包括四分之一波片和在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成的反射镜，其中输入所述四分之一波片的光脉冲的极化方向与所述四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度；

所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，并经由其第二端口耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的一个端口，所述光环形器的第一端口为所述时间相位解码装置的输入端口，由所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，由所述分束器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲由所述光环形器的第三端口输出；

所述第一单光子探测器耦合至所述分束器的未耦合至所述两个臂的端口中的另一个端口，用于对从所述另一个端口输出的光脉冲进行探测；

所述第二单光子探测器耦合至所述光环形器的第三端口，用于对从所述光环形器的第三端口输出的光脉冲进行探测，

其中，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器中的一个在一个脉冲周期内至少对连续的第一时隙和第二时隙的信号进行探测，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器中的另一个在一个脉冲周期内至少对连续的第二时隙和第三时隙的信号进行探测，其中所述一个脉冲周期包括所述第一时隙、第二时隙和第三时隙。

5.根据方案4所述的时间相位解码装置，还包括：

设置于所述两个臂中至少之一上的直流相位调制器；或者

设置于至少一个包括偏振分束器的反射装置的第一传输光路或第二传输光路上的直流相位调制器。

6.根据方案1或4所述的时间相位解码装置，其中，所述分束器是保偏耦合器。

7.根据方案1～6中任一项所述的时间相位解码装置，其中，所述第一传输光路和/或所述第二传输光路为偏振保持光路。

8.根据方案1～6中任一项所述的时间相位解码装置，其中，所述两个臂各为偏振保持光路，所述两个臂上的光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

9.根据方案7或8所述的时间相位解码装置，其中，所述偏振保持光路为保偏光纤光路。

10.一种量子密钥分发系统，包括：

根据方案1～9中任一项所述的时间相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于解码。

本发明通过创造性的构造，使得能够对任意偏振态的输入光脉冲稳定地进行编解码干涉，由此实现了意想不到的有益效果。利用本发明的方案，对于任意偏振态的输入光脉冲可以实现在时间相位编码量子密钥分发系统中相位基解码干涉仪处的稳定干涉输出，解决了时间相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落造成系统无法稳定工作的问题。并且，本发明使得可以采用减少数量的探测器(一个或两个单光子探测器)，由此消除或降低多探测器产生的安全性问题，并可观地降低制造成本和系统复杂度。本发明提供了一种易于实现和应用的抗偏振诱导衰落的时间相位编码量子密钥分发解码方案。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的时间相位解码装置的组成结构示意图；

图2为可用于本发明的时间相位解码装置的一种具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图3为可用于本发明的时间相位解码装置的另一种具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图4为可用于本发明的时间相位解码装置的另一种具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图5为可用于本发明的时间相位解码装置的另一种具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图6为本发明另一优选实施例的时间相位解码装置的组成结构示意图；

图7为本发明另一优选实施例的时间相位解码装置的组成结构示意图；

图8为示意性示出一个脉冲周期内的第一时隙、第二时隙和第三时隙的图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。

本发明一优选实施例的时间相位解码装置如图1所示，包括以下组成部分：分束器101、两个反射装置102和103、单光子探测器104。

两个反射装置102和103分别经两个臂(图1中的上臂和下臂)与分束器101光耦合。

根据本发明，两个反射装置102和103均为偏振正交旋转反射装置，并且这两个反射装置中的至少一个包括相位调制器。

这里，偏振正交旋转反射装置是指一种能够对所反射的光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射、即在反射入射的光脉冲时将该光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态的反射装置。举例而言，假设这两个正交偏振态分别为x偏振态和y偏振态，沿光路传输到一个偏振正交旋转反射装置的x偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即y偏振态，沿光路传输到该反射装置的y偏振态在反射装置处经偏振正交旋转反射后变换成与其正交的偏振态即x偏振态。

分束器101用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲以分别沿两个臂传输。

两个臂用于分别传输所述两路光脉冲。

每个相位调制器用于对通过其的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。相位调制器进行的相位调制由量子密钥分发协议确定，取决于具体的应用。例如，在一种可能的应用中，相位调制器可随机调制0度相位或180度相位。在两个反射装置102和103中的每个均包括相位调制器的情况下，这两个相位调制器所调制的相位之差由量子密钥分发协议确定，取决于具体的应用。

相位调制器可以为单偏振相位调制器或者双折射相位调制器。单偏振相位调制器对一个偏振态施加相位调制、对另一个偏振态截止。双折射相位调制器适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。例如，双折射相位调制器可以为铌酸锂相位调制器，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，可以对通过该铌酸锂相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。

时间相位解码装置可以只包含一个单光子探测器，如图1所示的单光子探测器104。单光子探测器104耦合至分束器101的一个输出端口，用于在一个脉冲周期内对第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号进行探测。此时，所述相位调制器可随机调制0度相位或180度相位。

可能的是，时间相位解码装置包含两个单光子探测器，此时装置还包括光环形器。借助于图1进行说明，两个单光子探测器中的一个(例如图1所示的单光子探测器104)耦合至分束器101一侧的一个端口，用于对从该端口输出的光脉冲进行探测。所述光环形器可位于分束器101前端，耦合至分束器101该侧的另一个端口。所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口。从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲由其第二端口输出至分束器101，从所述光环形器的第二端口输入的光脉冲由其第三端口输出。两个单光子探测器中的另一个耦合至所述光环形器的第三端口，用于对所述光环形器的第三端口输出的光脉冲进行探测。两个单光子探测器中的任一个在一个脉冲周期内至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，两个单光子探测器中的另一个在一个脉冲周期内至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测。此时，所述相位调制器为直流相位调制器。

时间相位编码光脉冲包括四种编码光脉冲状态，分别是两个时间比特编码光脉冲状态和两个相位编码光脉冲状态。如图8所示，两个时间比特编码光脉冲状态分别对应第一时隙光脉冲和第二时隙光脉冲；两个相位编码光脉冲状态分别对应第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为0度以及第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为180度的状态。时间相位编码的四种编码光脉冲解码后对应的状态为：时间比特编码第一时隙光脉冲解码后变为第一时隙和第二时隙前后两个子光脉冲；时间比特编码第二时隙光脉冲解码后变为第二时隙和第三时隙前后两个子光脉冲；相位编码对应第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为0度的状态解码后变为第一时隙、第二时隙和第三时隙三个子光脉冲，其中第二时隙为两个光脉冲干涉形成的子光脉冲，从分束器两个端口中的一个端口干涉相干相长输出；相位编码对应第一时隙光脉冲与第二时隙光脉冲相位差为180度的状态解码后变为第一时隙、第二时隙和第三时隙三个子光脉冲，其中第二时隙为两个光脉冲干涉形成的子光脉冲，从分束器两个端口中的另一个端口干涉相干相长输出。

在一种可能的应用中，装置只包含一个单光子探测器，该单光子探测器对一个脉冲周期内的三个时隙的信号进行探测。当发射端采用时间基编码时，若单光子探测器仅在第一时隙有响应或仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果和相位调制器调制的相位生成密钥；若单光子探测器仅在第一时隙或仅在第三时隙有响应，或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。

在另一种可能的应用中，装置包含两个单光子探测器，分别为第一单光子探测器和第二单光子探测器；第一单光子探测器对一个脉冲周期内的第一时隙和第二时隙的信号进行探测，第二单光子探测器对一个脉冲周期内的第二时隙和第三时隙的信号进行探测。当发射端采用时间基编码时，若第一单光子探测器仅在第一时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用时间基编码时，若第二单光子探测器仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第一时隙或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第三时隙或在两个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。

在又一种可能的应用中，装置包含两个单光子探测器，分别为第一个单光子探测器和第二单光子探测器；第一单光子探测器和第二单光子探测器中的每个均对一个脉冲周期内的三个时隙的信号进行探测。当发射端采用时间基编码时，若第一单光子探测器仅在第一时隙有响应或仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用时间基编码时，若第二单光子探测器仅在第一时隙有响应或仅在第三时隙有响应，则根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第一单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；第一单光子探测器仅在第一时隙或仅在第三时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。当发射端采用相位基编码时，若第二单光子探测器仅在第二时隙有响应，根据探测结果生成密钥；若第二单光子探测器仅在第一时隙或仅在第三时隙有响应或在两个或三个时隙有响应，则探测结果舍弃或根据量子密钥分发后处理算法生成解码结果。

反射装置102和103分别用于将来自分束器101的经所述两个臂传输来的所述两路光脉冲反射回分束器101以由分束器101合束输出。

由于两个反射装置102和103均为偏振正交旋转反射装置，对于所述两路光脉冲中的每一路光脉冲：该路光脉冲经所述两个反射装置中的相应反射装置反射时该路光脉冲的两个正交偏振态作偏振正交旋转反射，使得经由所述相应反射装置的反射后，该路光脉冲的每个正交偏振态变换成与其正交的偏振态。如此，对于图1的时间相位解码装置，利用偏振正交旋转反射装置处的偏振正交旋转反射，输入光脉冲的x偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两个臂传输的相位差恰好等于该光脉冲的y偏振态在分束器分束至分束器合束的过程中经所述两个臂传输的相位差。

本发明提出了四种创造性的偏振正交旋转反射装置构造，即下文所述的构造1、构造2、构造3和构造4。

根据构造1，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，该传输光路上设置有半波片，输入该半波片的光脉冲的极化方向与该半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。所述传输光路可由保偏光纤形成；在此情况下，光脉冲经所述偏振分束器分束后沿所述保偏光纤传输，形成所述传输光路的保偏光纤的慢轴与该半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。具有构造1的偏振正交旋转反射装置在用于本发明的时间相位解码装置时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至时间相位解码装置的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

根据构造2，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，所述传输光路由保偏光纤形成，所述保偏光纤的慢轴和快轴分别保持输入该保偏光纤的光脉冲的两个正交偏振态稳定传输——即偏振态不变，且该偏振分束器的两个输出端口和该保偏光纤构造成使得，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输。这里，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输可通过保偏光纤扭转90度或者扭转(90+n*180)度实现，其中n为整数。无论保偏光纤扭转或者不扭转，从保偏光纤的慢轴输入的光脉冲始终沿着慢轴传输(沿着慢轴稳定传输)，从保偏光纤的快轴输入的光脉冲始终沿着快轴传输(沿着快轴稳定传输)。具有构造2的偏振正交旋转反射装置在用于本发明的时间相位解码装置时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至时间相位解码装置的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

根据构造3，偏振正交旋转反射装置包括偏振分束器，该偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，该偏振分束器的两个输出端口经一条传输光路彼此光耦合，所述传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。具有构造3的偏振正交旋转反射装置在用于本发明的时间相位解码装置时，可通过将其偏振分束器的输入端口耦合至时间相位解码装置的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

根据构造4，偏振正交旋转反射装置包括：具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的偏振分束器；与所述偏振分束器的第三端口光耦合的反射装置；以及相位调制器，所述偏振分束器的第二端口和第四端口通过第一传输光路光耦合，所述偏振分束器的第三端口通过第二传输光路耦合至所述反射装置，所述相位调制器设置在所述第一传输光路上，所述反射装置为四分之一波片反射镜。“四分之一波片反射镜”包括反射镜和四分之一波片，所述反射镜在所述四分之一波片后端与所述四分之一波片一体地形成，其中输入该四分之一波片的光脉冲的极化方向与该四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。四分之一波片反射镜可以通过在四分之一波片晶体表面镀反射镜实现，亦可通过在快慢轴传输相位相差90度的保偏光纤端面镀反射镜实现。第一传输光路可以为保偏光纤光路；第二传输光路可以为保偏光纤光路，且形成第二传输光路的保偏光纤的慢轴与所述四分之一波片的慢轴或快轴的夹角为45度。具有构造4的偏振正交旋转反射装置在用于本发明的时间相位解码装置时，可通过将其偏振分束器的第一端口耦合至时间相位解码装置的一个臂来将该反射装置耦合至所述臂。

对于上述构造1、构造2和构造3中任一构造的偏振正交旋转反射装置，偏振正交旋转反射装置中偏振分束器的两个输出端口之间的传输光路上可以插入有一个相位调制器。

这里，包括相位调制器的偏振正交旋转反射装置可以称为“具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置”。

回到图1的时间相位解码装置，反射装置102和103中至少之一可以为采用上述构造1、构造2、构造3和构造4中之一的偏振正交旋转反射装置。在反射装置102和103中的一个反射装置为采用上述构造1、构造2、构造3和构造4中之一的偏振正交旋转反射装置时，另一个反射装置可以为采用上述构造1、构造2、构造3和构造4中之一的偏振正交旋转反射装置，也可以为其他构造的偏振正交旋转反射装置。所述其他构造的偏振正交旋转反射装置可以是例如四分之一波片反射镜，其中输入该四分之一波片的光脉冲的两个正交偏振态之一的极化方向与该四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。在反射装置102和/或103采用该四分之一波片反射镜的情况下，若反射装置102和/或103所耦合的相应臂为保偏光纤光路，形成该保偏光纤光路的保偏光纤的慢轴与所述四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45度。

反射装置102和103中的一个或两个可以包含相位调制器。例如，在反射装置102和103中的仅一个反射装置为采用上述构造4的偏振正交旋转反射装置时，反射装置102和103中的另一个反射装置可以为采用上述构造1、构造2和构造3中之一的偏振正交旋转反射装置，且该另一个反射装置可以包含或不包含相位调制器，或者反射装置102和103中的另一个反射装置可以为采用其他构造的偏振正交旋转反射装置例如四分之一波片反射镜。再如，反射装置102和103中的两个反射装置可以均为采用上述构造4的偏振正交旋转反射装置。又如，在反射装置102和103中的两个反射装置各采用上述构造1、构造2和构造3中任一的偏振正交旋转反射装置时，这两个反射装置中的一个或两个可以包含相位调制器。

对于图1的时间相位解码装置，可以通过调节两个臂的长度和/或调节两个反射装置102和103中采用选自构造1、构造2、构造3和构造4的构造的一个或两个反射装置中的传输光路，实现上述两路光脉冲的相对延时。

在反射装置采用选自构造1、构造2、构造3和构造4的构造的情况下，可以将时间相位解码装置的两个臂配置为偏振保持光路，且将所述两个臂上的光器件配置为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。如此，对于分束得到的两路光脉冲中的每一路光脉冲：可以保持该路光脉冲的两个正交偏振态在分束器分束至相应反射装置反射期间保持不变，且在所述相应反射装置反射至所述分束器合束期间保持不变。通常，偏振保持光路可以是自由空间光路或保偏光纤光路。本文中，“非双折射光器件”是指对于不同的偏振态(例如，两个正交偏振态)具有相同折射率的光器件。另外，偏振保持光器件也可称为保偏光器件。

此外，分束器101可以为保偏分束器，例如2×2保偏耦合器。

图2示出了可用于本发明的时间相位解码装置的一种具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图。

图2所示的具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置包括以下组成部分：偏振分束器202、四分之一波片反射镜203、相位调制器204。

偏振分束器202包括端口a、端口b、端口c和端口d，端口a、端口b、端口c和端口d可分别称为第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。偏振分束器202一侧的端口201，也即端口a，为装置的输入端和输出端。偏振分束器202的端口b与相位调制器204一侧的端口e相连，偏振分束器202的端口d与相位调制器204另一侧的端口f相连；即，相位调制器204位于连接偏振分束器202的端口b和端口d的传输光路上。偏振分束器202的端口c与四分之一波片反射镜203相连。四分之一波片反射镜203可以通过在四分之一波片晶体表面镀反射镜实现，亦可通过在快慢轴传输相位相差90度的保偏光纤端面镀反射镜实现。相位调制器204为单偏振相位调制器或双折射相位调制器。将偏振分束器202的端口b与相位调制器204的端口e连接的传输光路、将偏振分束器202的端口d与相位调制器204的端口f连接的传输光路、将偏振分束器202的端口c与四分之一波片反射镜203连接的传输光路为偏振保持光路例如保偏光纤，保持经其传输的光脉冲的偏振态(与偏振分束器的两个正交本征偏振态一致)不变。

工作时，输入光脉冲由端口201经偏振分束器202的端口a输入，并由偏振分束器202偏振分束为偏振态相互正交的第一路光脉冲和第二路光脉冲。第一路光脉冲由偏振分束器202的端口b输出并经相位调制器204的端口e输入相位调制器204进行相位调制后由相位调制器204的端口f输出。从相位调制器204的端口f输出的第一路光脉冲由偏振分束器202的端口d输入偏振分束器202，并由偏振分束器202的端口c输出至四分之一波片反射镜203。四分之一波片反射镜203将输入其的第一路光脉冲反射回偏振分束器202并由偏振分束器202的端口a输出。第二路光脉冲由偏振分束器202的端口c输出至四分之一波片反射镜203，四分之一波片反射镜203将输入其的第二路光脉冲反射回偏振分束器202并由偏振分束器202的端口d输出。从偏振分束器202的端口d输出的第二路光脉冲经相位调制器204的端口f输入相位调制器204进行相位调制后由相位调制器204的端口e输出。从相位调制器204的端口e输出的第二路光脉冲由偏振分束器202的端口b输入偏振分束器202并由偏振分束器202的端口a输出。第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每个经四分之一波片反射镜203反射后偏振态变换为与其正交的偏振态。相位调制器204对第一路光脉冲和第二路光脉冲进行相同的相位调制。有利地，由偏振分束器202偏振分束得到的第一路光脉冲从偏振分束器202传输至相位调制器204的时间与由偏振分束器202偏振分束得到的第二路脉冲从偏振分束器202传输至相位调制器204的时间相同，即由偏振分束器202偏振分束得到的第一路光脉冲和第二路光脉冲同时到达相位调制器204——在这种情况下，相位调制器204调制一次就能够对第一路光脉冲和第二路光脉冲完成相同的相位调制。由偏振分束器202偏振分束得到的第一路光脉冲和第二路光脉冲不同时到达相位调制器204也是可能的，只是在这种情况下，相位调制器204需要分别对第一路光脉冲和第二路光脉冲进行调制且对它们调制的相位需保持相同。

图3示出了可用于本发明的时间相位解码装置的另一种具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图。

图3所示的具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置包括以下组成部分：偏振分束器302、保偏光纤303、相位调制器304。

偏振分束器302包括端口a、端口b、端口c三个端口。端口a、端口b、端口c可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器302的一个端口301，也即端口a，作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器302的端口b和端口c通过保偏光纤303连接。由偏振分束器302的端口b和端口c输出的光脉冲均耦合至保偏光纤303的慢轴传输或均耦合至该保偏光纤的快轴传输。相位调制器304插入连接偏振分束器302的端口b和端口c的保偏光纤303的光路上。

工作时，输入光脉冲经端口301也即偏振分束器302的端口a输入偏振分束器302。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器302将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器302的端口b和端口c输出。由偏振分束器302的端口b输出的x偏振态的第一路光脉冲耦合至保偏光纤303的慢轴传输，并由相位调制器304的端口d输入相位调制器304进行相位调制。经相位调制后的第一路光脉冲由相位调制器304的端口e输出并沿保偏光纤303的慢轴传输至偏振分束器302的端口c，在端口c处第一路光脉冲由保偏光纤303的慢轴耦合至偏振分束器302，耦合至偏振分束器302的端口c的第一路光脉冲的偏振态为y偏振态；y偏振态的第一路光脉冲由偏振分束器302的端口a输出。也即实现由端口a输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由反射装置反射后由端口a输出时变换为y偏振态。由偏振分束器302的端口c输出的y偏振态的第二路光脉冲耦合至保偏光纤303的慢轴传输，并由相位调制器304的端口e输入相位调制器304进行相位调制。经相位调制后的第二路光脉冲由相位调制器304的端口d输出并沿保偏光纤303的慢轴传输至偏振分束器302的端口b，在端口b处第二路光脉冲由保偏光纤303的慢轴耦合至偏振分束器302，耦合至偏振分束器302的端口b的第二路光脉冲的偏振态为x偏振态；x偏振态的第二路光脉冲由偏振分束器302的端口a输出。也即实现由端口a输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由反射装置反射后由端口a输出时变换为x偏振态。由端口d输入相位调制器304的第一路光脉冲和由端口e输入相位调制器304的第二路光脉冲以相同的偏振态输入相位调制器304并经受相同的相位调制，实现偏振无关相位调制。并且输入光脉冲的两个正交偏振态由反射装置反射输出时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态。利用上述的保偏光纤303对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

相位调制器304可以为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。

偏振分束器302的端口b和端口c可均耦合至保偏光纤303的快轴，此时上述结果不受影响。

图4示出了可用于本发明的时间相位解码装置的另一种具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图。

图4所示的具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置包括以下组成部分：偏振分束器402、保偏光纤403、相位调制器404，以及90度熔接点405。

偏振分束器402包括端口a、端口b、端口c三个端口。端口a、端口b、端口c可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器402的一个端口401，也即端口a，作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器402的端口b和端口c通过保偏光纤403连接。由偏振分束器402的端口b输出的光脉冲耦合至保偏光纤403的慢轴且由偏振分束器402的端口c输出的光脉冲耦合至保偏光纤403的快轴，或者由偏振分束器402的端口b输出的光脉冲耦合至保偏光纤403的快轴且由偏振分束器402的端口c输出的光脉冲耦合至保偏光纤403的慢轴。保偏光纤403包含90度熔接点405，90度熔接点405由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。相位调制器404插入连接偏振分束器402的端口b和端口c的保偏光纤403的光路上。

工作时，输入光脉冲经端口401也即偏振分束器402的端口a输入偏振分束器402。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器402将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器402的端口b和端口c输出。由偏振分束器402的端口b输出的x偏振态的第一路光脉冲耦合至保偏光纤403的慢轴传输，并由相位调制器404的端口d输入相位调制器404进行相位调制。经相位调制后的第一路光脉冲由相位调制器404的端口e输出并沿保偏光纤403的慢轴传输至90度熔接点405，经90度熔接点405后沿保偏光纤403的快轴传输至偏振分束器402的端口c，在端口c处第一路光脉冲由保偏光纤403的快轴耦合至偏振分束器402；耦合至偏振分束器402的端口c的第一路光脉冲的偏振态为y偏振态，y偏振态的第一路光脉冲由偏振分束器402的端口a输出。也即实现由端口a输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口a输出时变换为y偏振态。由偏振分束器402的端口c输出的y偏振态的第二路光脉冲耦合至保偏光纤403的快轴传输，并沿保偏光纤403的快轴传输至90度熔接点405，经90度熔接点405后沿保偏光纤403的慢轴传输至相位调制器404的端口e，并由相位调制器404的端口e输入相位调制器404进行相位调制。经相位调制后的第二路光脉冲由相位调制器404的端口d输出并沿保偏光纤403的慢轴传输至偏振分束器402的端口b，在端口b处第二路光脉冲由保偏光纤403的慢轴耦合至偏振分束器402；耦合至偏振分束器402的端口b的第二路光脉冲的偏振态为x偏振态，x偏振态的第二路光脉冲由偏振分束器402的端口a输出。也即实现由端口a输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口a输出时变换为x偏振态。

由端口d输入相位调制器404的第一路光脉冲和由端口e输入相位调制器404的第二路光脉冲以相同的偏振态输入相位调制器404并经受相同的相位调制，实现偏振无关相位调制。输入光脉冲的两个正交偏振态由反射装置反射输出时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态。

尽管图4中示出了仅一个90度熔接点405，但这只是示例性的，保偏光纤403可以包含任意的奇数个90度熔接点。每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。在保偏光纤403包含多于1个的奇数个90度熔接点的情况下，上述结果不受影响，只是由偏振分束器402的端口b和端口c输出的第一路光脉冲和第二路光脉冲各自沿保偏光纤403传输时更多次在沿保偏光纤慢轴传输与沿保偏光纤快轴传输之间变换，变换的次数等于90度熔接点的数目。

采用上述的包含奇数个90度熔接点的保偏光纤403对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

相位调制器404可以为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。

偏振分束器402的端口b耦合至保偏光纤403的快轴且偏振分束器402的端口c耦合至保偏光纤403的慢轴时，上述结果不受影响。

相位调制器404和90度熔接点405的位置和连接顺序改变，上述结果不受影响。

图5示出了可用于本发明的时间相位解码装置的另一种具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图。

图5所示的具有相位调制功能的偏振正交旋转反射装置包括以下组成部分：偏振分束器502、相位调制器503、半波片504。

偏振分束器502包括端口a、端口b、端口c三个端口。端口a、端口b、端口c可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器502的一个端口501，也即端口a，作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器502的端口b和端口c通过传输光路连接；更具体地，偏振分束器502的端口b通过传输光路与相位调制器503的端口d连接，相位调制器503的端口e通过传输光路与半波片504连接，半波片504通过传输光路与偏振分束器502的端口c连接。偏振分束器502的端口b与相位调制器503的端口d之间的传输光路、相位调制器503的端口e与半波片504之间的传输光路、半波片504与偏振分束器502的端口c之间的传输光路均为偏振保持光路，例如保偏光纤光路。由半波片504两侧的端口输入半波片504的光脉冲的偏振态的极化方向与半波片504的慢轴或快轴的夹角为45度。

工作时，输入光脉冲经端口501也即偏振分束器502的端口a输入偏振分束器502。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器502将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器502的端口b和端口c输出。由偏振分束器502的端口b输出的x偏振态的第一路光脉冲传输至相位调制器503，由相位调制器503的端口d输入相位调制器503并经受相位调制。经相位调制后的第一路光脉冲由相位调制器503的端口e输出至半波片504。第一路光脉冲经半波片504进行偏振正交旋转后，其偏振态由x偏振态变换为y偏振态。由半波片504输出的y偏振态的第一路光脉冲传输至偏振分束器502的端口c，由偏振分束器502的端口c输入偏振分束器502，并由偏振分束器502的端口a输出。如此，实现由端口a输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口a输出时变换为y偏振态。由偏振分束器502的端口c输出的y偏振态的第二路光脉冲传输至半波片504，经半波片504作偏振正交旋转后的第二路光脉冲偏振态变换为x偏振态。由半波片504输出的x偏振态的第二路光脉冲传输至相位调制器503的端口e，由相位调制器503的端口e输入相位调制器503并经受相位调制。经相位调制后的第二路光脉冲由相位调制器503的端口d输出至偏振分束器502的端口b，由偏振分束器502的端口b输入偏振分束器502，并由偏振分束器502的端口a输出。如此，实现由端口a输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口a输出时变换为x偏振态。采用半波片504对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

由端口d输入相位调制器503的第一路光脉冲和由端口e输入相位调制器503的第二路光脉冲以相同的偏振态输入相位调制器503并经受相同的相位调制，实现偏振无关相位调制。输入光脉冲的两个正交偏振态由反射装置反射输出时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态。

相位调制器503可以为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。

相位调制器503和半波片504的位置和连接顺序改变，上述结果不受影响。

本发明一优选实施例的时间相位解码装置如图6所示，包括以下组成部分：保偏分束器602、偏振正交旋转反射装置603和偏振正交旋转反射装置604(下文亦分别称为反射装置603和反射装置604)、单光子探测器605。

保偏分束器602一侧的一个端口601作为时间相位解码装置的输入端口。保偏分束器602与反射装置603和604构成不等臂迈克尔逊干涉仪，其间的两个臂为保偏光纤光路。反射装置603和反射装置604中至少之一包含相位调制器。保偏分束器602一侧的另一个端口与单光子探测器605光耦合。单光子探测器605用于接收不等臂迈克尔逊干涉仪输出的光脉冲信号。一个脉冲周期内输出至单光子探测器605的信号包含三个时隙，这三个时隙分别为第一时隙、第二时隙和第三时隙。单光子探测器605在一个脉冲周期内对第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号进行探测。

工作时，光脉冲经保偏分束器602的端口601进入保偏分束器602并由保偏分束器602分束成两路光脉冲。来自保偏分束器602的一路光脉冲经保偏光纤传输至反射装置603并由反射装置603反射回来，来自保偏分束器602的另一路光脉冲经保偏光纤传输至反射装置604并由反射装置604反射回来，其间反射装置603和/或604中的相位调制器对通过其的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经保偏分束器602合束后由另一端口输出至单光子探测器605，单光子探测器605在一个脉冲周期内对三个时隙的信号进行探测。

本发明另一优选实施例的时间相位解码装置如图7所示，包括以下组成部分：光环形器702、保偏分束器703、偏振正交旋转反射装置704和偏振正交旋转反射装置705(下文亦分别称为反射装置704和反射装置705)，以及单光子探测器706和707。

光环形器702包含三个端口，这三个端口分别为端口a、端口b和端口c。由光环形器702的端口a输入的光脉冲由其端口b输出，由光环形器702的端口b输入的光脉冲由其端口c输出。光环形器702的端口a也即端口701为装置的输入端口。保偏分束器703与反射装置704和705构成不等臂迈克尔逊干涉仪，其间的两个臂为保偏光纤光路。保偏分束器703一侧的一个端口直接耦合至光环形器702的端口b，光环形器702的端口c耦合至单光子探测器707。保偏分束器703一侧的另一个端口耦合至单光子探测器706。反射装置704和反射装置705中至少之一包含直流相位调制器。单光子探测器706接收由保偏分束器703的上述另一端口输出的光脉冲信号，单光子探测器707接收由保偏分束器703的上述一个端口输出至光环形器702并由光环形器702输出至单光子探测器707的光脉冲信号。一个脉冲周期内不等臂迈克尔逊干涉仪输出的信号包含三个时隙，这三个时隙分别为第一时隙、第二时隙和第三时隙。单光子探测器706和707中的一个在一个脉冲周期内至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，单光子探测器706和707中的另一个在一个脉冲周期内至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测。

工作时，光脉冲经光环形器702的端口a也即端口701输入至光环形器702。由光环形器702的端口a输入至光环形器702的光脉冲经光环形器702的端口b输出至保偏分束器703，并由保偏分束器703分束成两路光脉冲。来自保偏分束器703的一路光脉冲经保偏光纤传输至反射装置704并由反射装置704反射回来，来自保偏分束器703的另一路光脉冲经保偏光纤传输至反射装置705并由反射装置705反射回来，其间反射装置704和/或705中的直流相位调制器对通过其的光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经保偏分束器703合束后由保偏分束器703的上述另一个端口输出至单光子探测器706，或者由保偏分束器703的上述一个端口输出至光环形器702的端口b并经光环形器702的端口c输出至单光子探测器707。单光子探测器706至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测，单光子探测器707至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测；或者，单光子探测器706至少对第二时隙和第三时隙的信号进行探测，单光子探测器707至少对第一时隙和第二时隙的信号进行探测。

本文中，术语“分束器”和“合束器”可互换使用，分束器亦可称为和用作合束器，反之亦然。本文中，“保偏光纤光路”是指采用保偏光纤传输光脉冲的光路或保偏光纤连接形成的光路。

可以在量子密钥分发系统的接收端配置如上文所述的本发明的时间相位解码装置，用于解码。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。