片上偏振变化被动补偿干涉仪和量子密钥分配系统的制作方法

本发明涉及量子通信技术领域，具体涉及一种片上偏振变化被动补偿干涉仪和量子密钥分配系统。

背景技术：

量子密码通信结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密码通信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。不等臂干涉仪作为相位编码的量子密钥分配系统的核心器件，一个设计优良的不等臂干涉仪可以保证量子密钥分配系统的稳定性以及高效性。

同时，光集成芯片是现今全世界非常重要的研究方向，利用该技术可以将原本基于各个独立光器件的各种光学系统集成在一块体积非常小的芯片中。利用这种技术可以将qkd系统集成，首先降低了成本，其次可以大大增加qkd技术的应用范围，是非常有意义的。

在芯片波导中，光脉冲会以相互垂直的两种偏振模式传输，这两种模式相互垂直，且被称为te模和tm模。这两种模式在波导中的折射率不同，导致光脉冲在波导中传输时，其偏振状态会随着芯片外部环境变化而发生变化，同时，光脉冲的脉冲宽度也会由于色散而展宽。而不等臂干涉仪，顾名思义，就是干涉仪两波导臂的长度不同，所以对于芯片集成的不等臂干涉仪来说，由于干涉仪两臂的脉冲经过的光波导长度不同，导致经过该两臂的光脉冲的偏振变化不同，最终会引起干涉可见度下降，从而增加qkd系统的误码。

对于基于光纤的不等臂干涉仪结构，在专利cn101571612b中公布了一种不等臂的光纤法拉第迈克尔逊干涉仪。该干涉仪利用法拉第镜对光纤内部偏振态引起90度旋转的性质，使得干涉仪免疫一般mz型干涉仪由于长短臂路径不同，造成的长短臂内偏振变化不同，最终导致干涉仪稳定性下降的情况。利用这种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。这种干涉仪结构的核心为引起偏振态旋转90度的法拉第旋镜，但对于集成光波导芯片来说，法拉第旋镜是很难集成在芯片中的。

综上所述，需要提出一种新型的片上偏振变化被动补偿不等臂干涉仪结构，利用该结构来被动补偿片上不等臂干涉仪中的偏振变化，从而更好的实现各种相位编码协议qkd系统，大大增加qkd技术的应用范围，与现有的基于光纤的不等臂干涉仪结构相比，系统制作容差大，成本大幅降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种片上偏振变化被动补偿干涉仪和量子密钥分配系统，本片上偏振变化被动补偿干涉和量子密钥分配系统可以被动补偿片上不等臂干涉仪中的偏振变化，从而可以非常好的实现各种相位编码协议qkd系统，系统制作容差大，成本大幅降低。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种片上偏振变化被动补偿干涉仪，包括光波导芯片，所述光波导芯片上设置有2*2波导耦合模块、时间延迟模块、1*2波导耦合模块一、偏振转换模块一、1*2波导耦合模块二和偏振转换模块二，所述2*2波导耦合模块分别与时间延迟模块和1*2波导耦合模块二连接，所述时间延迟模块与1*2波导耦合模块一连接，所述1*2波导耦合模块一与偏振转换模块一连接形成sagnec环形结构，所述1*2波导耦合模块二与偏振转换模块二连接形成sagnec环形结构；

所述2*2波导耦合模块用于接收入射的光脉冲，并将光脉冲分为两束光脉冲；其中一束光脉冲通过时间延迟模块输出至1*2波导耦合模块一的端口1；另一束光脉冲输出至1*2波导耦合模块二的端口1；

1*2波导耦合模块一将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块一的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的te模式能量和tm模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口3；同时，从1*2波导耦合模块一的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的te模式能量和tm模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口2；1*2波导耦合模块一的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块一的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块一的端口1将输出的光脉冲经过时间延迟模块传输至2*2波导耦合模块中；

1*2波导耦合模块二将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块二的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的te模式能量和tm模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口3；同时，从1*2波导耦合模块二的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的te模式能量和tm模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口2，1*2波导耦合模块二的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块二的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块二的端口1将输出的光脉冲传输至2*2波导耦合模块中。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述2*2波导耦合模块与1*2波导耦合模块一的端口1通过波导线连接且该波导线上设置有时间延迟模块从而使该波导线形成长臂，所述2*2波导耦合模块与1*2波导耦合模块二的端口1直接通过波导线连接从而使该波导线形成短臂，所述1*2波导耦合模块一的端口2与偏振转换模块一通过波导线连接且1*2波导耦合模块一的端口3与偏振转换模块一通过另一波导线连接，所述1*2波导耦合模块一的端口2和端口3距离偏振转换模块一的光程相同；所述1*2波导耦合模块二的端口2与偏振转换模块二通过波导线连接且1*2波导耦合模块二的端口3与偏振转换模块二通过另一波导线连接，所述1*2波导耦合模块二的端口2和端口3距离偏振转换模块二的光程相同。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述长臂的波导线上还设置有相位调制模块和/或短臂的波导线上还设置有相位调制模块。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述长臂的波导线上还设置有强度调制模块和/或短臂的波导线上还设置有强度调制模块。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述偏振转换模块一和偏振转换模块二均采用楔形波导。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述1*2波导耦合模块一和1*2波导耦合模块二均采用y分支分束器、mmi耦合器或dc耦合器，其中y分支分束器为y形状的波导分束器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述时间延迟模块为一段波导线。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述2*2波导耦合模块用于将光脉冲分束或合束，分束比为50:50，2*2波导耦合模块采用mmi耦合器或dc耦合器。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：

一种量子密钥分配系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括片上偏振变化被动补偿干涉仪、脉冲光源、相位调制模块和衰减器，所述接收端包括片上偏振变化被动补偿干涉仪、环形器、相位调制模块、探测器一和探测器二；

发射端的脉冲光源通过光纤波导耦合器与发射端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2波导耦合模块的一端口连接，发射端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2波导耦合模块的另一端口通过光纤波导耦合器与发射端的相位调制模块连接，发射端的相位调制模块与衰减器连接；衰减器与接收端的相位调制模块通过量子信道连接；接收端的相位调制模块与环形器的端口1连接，环形器的端口2通过光纤波导耦合器与接收端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2波导耦合模块的一端口连接，接收端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2波导耦合模块的另一端口通过光纤波导耦合器与探测器一连接，环形器的端口3与探测器二连接。

本发明的有益效果为：本发明可以被动补偿片上不等臂干涉仪中的偏振变化，所以可以免疫光脉冲在光波导芯片中的双折射变化，从而可以非常好的实现各种相位编码协议qkd系统；大大增加qkd技术的应用范围。与现有的基于光纤的不等臂干涉仪结构相比，系统制作容差大(即可以包容的制作时的误差大)，成本大幅降低。

附图说明

图1为本发明的片上偏振变化被动补偿干涉仪的结构示意图一。

图2为本发明的片上偏振变化被动补偿干涉仪的结构示意图二。

图3为本发明的片上偏振变化被动补偿干涉仪的结构示意图三。

图4为本发明的片上偏振变化被动补偿干涉仪的结构示意图四。

图5为本发明的片上偏振变化被动补偿干涉仪的结构示意图五。

图6为本发明的片上偏振变化被动补偿干涉仪的结构示意图六。

图7为本发明的片上偏振变化被动补偿干涉仪的sagnec环形结构示意图。

图8为本发明的量子密钥分配系统结构示意图。

具体实施方式

下面根据图1至图8对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

本实施例提供了一种片上偏振变化被动补偿干涉仪，包括光波导芯片，参见图1，所述光波导芯片上设置有2*2波导耦合模块、时间延迟模块、1*2波导耦合模块一、偏振转换模块一、1*2波导耦合模块二和偏振转换模块二，所述2*2波导耦合模块分别与时间延迟模块和1*2波导耦合模块二连接，所述时间延迟模块与1*2波导耦合模块一连接，所述1*2波导耦合模块一与偏振转换模块一连接形成sagnec环形结构。所述1*2波导耦合模块二与偏振转换模块二连接形成sagnec环形结构。

所述2*2波导耦合模块用于接收入射的光脉冲，并将光脉冲分为两束光脉冲；其中一束光脉冲通过时间延迟模块输出至1*2波导耦合模块一的端口1；另一束光脉冲输出至1*2波导耦合模块二的端口1。1*2波导耦合模块一将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块一的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的te模式能量和tm模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口3；同时，从1*2波导耦合模块一的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块一中，偏振转换模块一将该束光脉冲的te模式能量和tm模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块一的端口2；1*2波导耦合模块一的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块一的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块一的端口1将输出的光脉冲经过时间延迟模块传输至2*2波导耦合模块中。1*2波导耦合模块二将其端口1接收的光脉冲分为两束光脉冲且两束光脉冲分别从其端口2和端口3输出；从1*2波导耦合模块二的端口2输出的一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的te模式能量和tm模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口3；同时，从1*2波导耦合模块二的端口3输出的另一束光脉冲进入偏振转换模块二中，偏振转换模块二将该束光脉冲的te模式能量和tm模式能量相互转换，然后输出至1*2波导耦合模块二的端口2，1*2波导耦合模块二的端口2接收的光脉冲和1*2波导耦合模块二的端口3接收的光脉冲合束后通过其端口1输出，1*2波导耦合模块二的端口1将输出的光脉冲传输至2*2波导耦合模块中。

本实施例的2*2波导耦合模块与1*2波导耦合模块一的端口1通过波导线连接且该波导线上设置有时间延迟模块从而使该波导线形成长臂，2*2波导耦合模块与1*2波导耦合模块二的端口1直接通过波导线连接从而使该波导线形成短臂，所述1*2波导耦合模块一的端口2与偏振转换模块一通过波导线连接且1*2波导耦合模块一的端口3与偏振转换模块一通过另一波导线连接，所述1*2波导耦合模块一的端口2和端口3距离偏振转换模块一的光程相同。所述1*2波导耦合模块二的端口2与偏振转换模块二通过波导线连接且1*2波导耦合模块二的端口3与偏振转换模块二通过另一波导线连接，所述1*2波导耦合模块二的端口2和端口3距离偏振转换模块二的光程相同。

图1的结构中，可以应用在包括相位编码的bb84协议，mdi协议在内的多种qkd系统发射端和接收端中。在该结构中，各个组成部分含义以及其目的分别是：

(1)偏振转换模块一和偏振转换模块二的作用是：在光波导中将te模式转换为tm模式，tm模式转换为te模式，一般采用一段楔形波导或者经过特殊设计的波导耦合器。

(2)1*2波导耦合模块一和1*2波导耦合模块二的作用是：将光脉冲分束或合束，分束比为50:50，其典型结构包括多模干涉仪(mmi耦合器)，y分支分束器(y形状的波导分束器)，dc耦合器等。

(3)时间延迟模块：用于将光脉冲在芯片中进行延时，延时长度根据当前系统重复频率确定，典型结构为一串波导线。

(4)2*2波导耦合模块：用于将光脉冲分束或合束，分束比为50:50，其典型结构采用mmi耦合器或dc耦合器等。

上述所有器件均位于光波导芯片上，器件与器件之间由光波导连接。

除了上述基本干涉仪结构外，对应于干涉仪所应用于的不同qkd系统，可将图1中的不等臂干涉仪做一些改变，这些实例均包含在本专利的保护范围内，如图2至图6等所示。图2是在图1中的长臂和短臂上均设置了相位调制模块。图3是在图1的短臂上设置了相位调制模块。图4是在图1的长臂上设置了相位调制模块。图5是在图2的长臂和短臂上均设置了强度调制模块。图6是在图3的长臂上和短臂上均设置有强度调制模块。当然，本实施例不限于图2至图6，也有其他变换方式，所有变换方式包括：本实施例可以在图1的长臂的波导线上设置有相位调制模块和/或短臂的波导线上设置有相位调制模块；在图1的长臂的波导线上设置有强度调制模块和/或短臂的波导线上设置有强度调制模块；在图2的长臂的波导线上设置有强度调制模块和/或短臂的波导线上设置有强度调制模块；在图3的长臂的波导线上设置有强度调制模块和/或短臂的波导线上设置有强度调制模块；在图4的长臂的波导线上设置有强度调制模块和/或短臂的波导线上设置有强度调制模块。

下面说明这种干涉仪的偏振被动补偿原理。本实施例提出的干涉仪的核心结构如图7所示，是一种基于sagnec环结构的片上偏振旋转结构。图7为其中一个sagnec环结构的片上偏振旋转结构，另一个sagnec环结构的片上偏振旋转结构(即1*2波导耦合模块二和偏振旋转模块二构成的sagnec环结构)与图7中的工作原理相同。

如图7所示，其工作原理为：

1、光脉冲一由端口1进入1*2波导耦合模块一，随后被均分为两束光脉冲，分别由端口2和端口3出射，这两束光脉冲此时的相位差为0。

2、经过端口2出射的光脉冲(脉冲二)通过光波导进入偏振转换模块一中，使其te模式能量和tm模式能量相互转换，换句话说，光脉冲偏振旋转了90度。同样端口3出射的光脉冲(脉冲三)也通过光波导进入偏振旋转模块一中，也使其te模式能量和tm模式能量相互转换，其光脉冲偏振旋转了90度。

3、随后脉冲二经过偏振转换模块一后进入1*2波导耦合模块的端口3，同时脉冲三经过偏振转换模块一后进入1*2波导耦合模块的端口2。

4、在该结构制作中保证端口2和端口3距离偏振转换模块一的光程相同，所以脉冲二和脉冲三在重新在1*2波导耦合模块一相遇时其相位差保持为0，干涉后所有能量由端口1再次输出。

5、所以综上所述，利用这种结构可以保证，在极低损耗情况下将端口1入射的光脉冲在偏振旋转90度后再由端口1反射输出。

将这种偏振旋转结构用到不等臂干涉仪中，以图1为例：

1、假设一束光脉冲(脉冲四)由2*2波导耦合模块的端口1进入，此时其偏振态的琼斯矩阵保证为这里ete和etm均为复数，表示脉冲四的偏振态在te模以及tm模式的偏振分量。

2、脉冲四随后分为两束光脉冲分别通过端口2(脉冲五)和端口3(脉冲六)输出，这两束光的偏振状态和脉冲四相同，即e2＝e1，e3＝e1。

3，考虑脉冲五，经过波导线以及时间延迟模块时，设其偏振变化矩阵为m，m为一个两行两列的酉矩阵，偏振变为e2′＝me2。

4，随后脉冲五进入图7所示的偏振旋转结构，该结构对偏振态的操作可以写为所以经过偏振旋转结构后的脉冲五的偏振态可以表示为e2″＝pme2。

5，随后脉冲五又反向经过相同的波导线以及时间延迟模块，此时其偏振变化矩阵为m′，这里当脉冲五又一次到达2*2波导耦合模块时，其偏振态为e″′2＝m′pme2。这里根据偏振琼斯矩阵来计算，可以得到这里略去了光脉冲传输中的整体相位变化。所以这也就表示脉冲五从端口2出射到再次回到端口2的过程中不论经过了怎样的双折射现象引起的偏振变换，最终回到端口2时的偏振态都与从端口2出射时的偏振态垂直。

6，同脉冲五相同，脉冲六经过传输后也会回到端口3，此时其偏振状态也是与其出射时垂直，所以当到了脉冲五和脉冲六在回到2*2波导耦合模块时其偏振完全相同，被动补偿了干涉仪内部的双折射引起的偏振变化。

7，其它图2至图6等干涉仪的偏振被动补偿原理同图1相同。

本实施例还提供一种量子密钥分配系统，包括发射端和接收端，如图8所示，所述发射端包括图1中的片上偏振变化被动补偿干涉仪、脉冲光源、相位调制模块和衰减器，所述接收端包括图1中的片上偏振变化被动补偿干涉仪、环形器、相位调制模块、探测器一和探测器二。

其中发射端的脉冲光源通过光纤波导耦合器与发射端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2波导耦合模块的一端口(如端口1)连接，发射端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2波导耦合模块的另一端口(如端口4)通过光纤波导耦合器与发射端的相位调制模块连接，发射端的相位调制模块与衰减器连接；衰减器与接收端的相位调制模块通过量子信道连接；接收端的相位调制模块与环形器的端口1连接，环形器的端口2通过光纤波导耦合器与接收端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2波导耦合模块的一端口(如端口1)连接，接收端的片上偏振变化被动补偿干涉仪的2*2波导耦合模块的另一端口(如端口4)通过光纤波导耦合器与探测器一连接，环形器的端口3与探测器二连接。

以图1为例，结合如图8中相位编码bb84系统来说明片上偏振被动补偿干涉仪的工作原理。

(1)在alice端脉冲光源发射光脉冲经过光纤波导耦合器(未在图中画出)进入光波导芯片中，不妨设此时光脉冲由2*2波导耦合模块的端口1进入干涉仪。

(2)根据上文中的描述，随后会有两束光脉冲由2*2波导耦合模块的端口4输出，这两束光脉冲之间的时间间隔由干涉仪中的时间延迟模块决定，并且这两束光脉冲的偏振相同。

(3)由干涉仪出射的两个脉冲随后经过相位调制模块，相位调制模块对其中一个脉冲按照bb84协议进行相位调制，之后它们经过衰减器，衰减为单光子量级后进入信道。

(4)在bob端接收到光脉冲后，也利用相位调制模块按照bb84协议对其中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alice端拥有相同臂长差的干涉仪中。不妨假设光脉冲入口为2*2波导耦合模块的端口1，那么这两个脉冲在bob端干涉仪中，分别又分为两束光脉冲，其中，经过alice端长臂和bob端短臂的脉冲和经过alice端短臂和bob端长臂的脉冲会在bob端干涉仪中2*2波导耦合模块处发生干涉，随后利用探测器一和探测器二对干涉结果进行测量。

(5)将测量结果进行记录，随后alice和bob端经过对基，纠错和保密放大等步骤完成量子密钥的分发。

其他图2至图6等设计的使用方法与图1相同或类似，此外，本实施例提出的这类干涉仪可以应用在各类包含干涉仪的量子密钥分配系统中。

综上所述，本实施例提出了一种片上偏振变化被动补偿不等臂干涉仪结构，利用该结构可以被动补偿片上不等臂干涉仪中的偏振变化，所以可以免疫光脉冲在波导芯片中的双折射变化，从而可以非常好的实现各种相位编码协议qkd系统。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。