单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统的制作方法

1.本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种单片硅基集成芯片及量子密钥分发系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随机数是一种广泛使用的基础资源，而随机数发生器就是用来产生随机数序列的一种器件。性能良好的随机数发生器在众多领域比如量子通信、密码学、博彩业、蒙特卡洛模拟、数值计算、随机抽样等都有广泛应用。现有的量子随机数发生器方案中，基于单光子路径选择的方案，其比特率达到1mbps量级；而基于光子到达时间的方案，其比特率达到了100mbps量级。对于下一代高速量子通信系统，需要的随机数应达到10gbps以上，这就需要新的技术方案来满足对比特率的需求。
4.为满足人们日益增长的带宽需求，在现代高速大容量的光传输技术中普遍采用多进制调制方式以提高光谱利用率。在多进制调制信号的处理方面相干光接收技术也成为光通信领域研究发展的热点。相干光通信系统的接收机灵敏度高，传输的中继距离长，更有利于充分利用光纤的带宽，提高通信质量。
5.现有量子密钥分发(qkd)系统工作原理如图1所示，激光器在脉冲驱动下输出较弱的脉冲光，此脉冲光输入诱骗态调制单元进行诱骗态调制，通常诱骗态调制单元为强度调制器，经过诱骗态调制后的光输入到编码单元中进行信息编码，编码单元通常是基于光子相位信息、光子偏振态信息或者光子(间)时间相位信息等进行信息编码，诱骗态调制单元和编码单元需在随机数源的驱动下分别进行随机诱骗态调制和随机信息编码，经过信息编码后的光经过光强衰减单元后衰减至单光子水平并输出。图1中的激光器、诱骗态调制单元、编码单元和光强衰减单元通过光纤连接，脉冲驱动输出电信号至激光器，随机数源输出数字信号至诱骗态调制单元和编码单元。其中，如图1所示的随机数源是通过fpga基于振荡环的非相干时间采样或基于fpga的热噪声产生并输出数字信号。
6.发明人发现，现有随机数源是物理随机数而非量子随机数源，这样使得量子密钥分发系统仍存在安全性问题；另外，现有的量子密钥分发系统均是由分立器件搭建而成，因此，存在体积庞大，成本高昂且功耗高的问题。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种单片硅基集成芯片，其集成量子密钥分发及量子随机数产生的功能，能够减少量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种单片硅基集成芯片，包括：
10.第一分束器，其用于接收激光信号并分成上光路信号和下光路信号；
11.诱骗态调制单元，其用于将上光路信号进行随机诱骗态调制；
12.编码单元，其用于将随机诱骗态调制后的信号进行随机信息编码；
13.第一光强衰减单元，其用于将随机信息编码后信号衰减至单光子量级并输出；
14.随机数产生单元，其用于接收下光路信号并处理得到差分电流；其中，差分电流经处理后产生量子随机数，进而由量子随机数对应的随机数字电压信号来驱动诱骗态调制单元和编码单元工作。
15.作为一种实施方式，所述随机数产生单元，包括：
16.第二分束器，其包括第一输入端口和第二输入端口；第二输入端口无光输入作为真空态输入端；第一输入端口用于接收下光路信号，并经第二分束器将光信号分成两路光信号；
17.第二光强衰减单元，其用于接收并衰减第二分束器分出的一路光信号；
18.第一光电探测器，其与第二光强衰减单元相连，用于将第二光强衰减单元衰减后的光信号转化成第一光电流信号；
19.第三光强衰减单元，其用于接收并衰减第二分束器分出的另一路光信号；
20.第二光电探测器，其与第三光强衰减单元相连，用于将第三光强衰减单元衰减后的光信号转化成第二光电流信号；其中，第一光电流信号与第二光电流信号作差，得到差分电流。
21.上述技术方案产生的优点在于，本实施例的随机数产生单元输出随机数为量子随机数，具备真正的安全性。
22.作为一种实施方式，所述第一光强衰减单元为掺杂结构为pin的硅基可调光衰减器。
23.作为一种实施方式，所述第二光强衰减单元和第三光强衰减单元均为掺杂结构为pin的硅基可调光衰减器。
24.作为一种实施方式，所述诱骗态调制单元为光强度调制器。
25.作为一种实施方式，所述第二分束器的一输出端、第二光强衰减单元和第一光电探测器依次通过硅波导相连，所述第二分束器的另一输出端、第三光强衰减单元和第二光电探测器依次通过硅波导相连。
26.作为一种实施方式，所述第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次通过硅波导相连。
27.作为一种实施方式，所述第一分束器和随机数产生单元之间通过硅波导相连。
28.上述技术方案产生的优点在于，硅波导具有优异的光学非线性特性和强的限光能力，能够与不同波段尤其在光通信“窗口”波段的光信号实现较好的相位匹配，提高光信号的传输效率。
29.为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种量子密钥分发系统，其包括集成量子密钥分发及量子随机数产生的功能的单片硅基集成芯片，能够减少量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。
30.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
31.一种量子密钥分发系统，包括：
32.激光器，其用于产生激光信号；
33.上述所述的单片硅基集成芯片，其用于接收激光器产生的激光信号，输出差分电流及输出经随机诱骗态调制、随机信息编码和衰减后的光信号；
34.随机数后处理模块，其用于接收差分电流，并将差分电流处理后产生量子随机数，进而由量子随机数对应发随机数字电压信号来驱动所述单片硅基集成芯片中的诱骗态调制单元和编码单元工作。
35.作为一种实施方式，所述随机数后处理模块包括依次串联连接的放大器、滤波器、adc以及fpga，差分电流依次经放大、滤波和模数转换后输入至fpga。
36.作为一种实施方式，所述激光器还与脉冲驱动电路相连。
37.本发明的有益效果是：
38.(1)本发明的单片硅基集成芯片中集成了随机数产生单元，其中，随机数产生单元的第二分束器的两个端口，其中一个无光输入作为真空态输入端，另一个将接收到的光信号分成两路，每路光信号经相应衰减处理后，再转化成相应光电流；两路光电流作差后得到差分电流，差分电流经处理模块处理后产生量子随机数，其基于真空涨落原理，输出随机数为量子随机数，具备真正的安全性。其中，在量子力学中，真空涨落原理是在空间任意位置对于能量的暂时变化。
39.(2)本发明的单片硅基集成芯片集成了量子密钥分发及量子随机数产生的功能，借助第一分束器实现量子密钥分发系统与量子随机数发生器复用同一激光器的同时，还将第一分束器、量子密钥分发系统中的光学单元(即诱骗态调制单元、编码单元、第一光强衰减单元)与量子随机数发生器中的光学单元(即随机数产生单元)进行光学集成，从而有效减少了量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。
附图说明
40.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
41.图1是本发明提供的现有量子密钥分发系统工作原理图；
42.图2是本发明实施例提供的单片硅基集成芯片结构示意图；
43.图3是本发明实施例提供的随机数产生单元结构示意图。
具体实施方式
44.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
45.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
46.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
47.在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发
明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
48.本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
49.实施例一
50.图2给出了本实施例的一种单片硅基集成芯片结构示意图。
51.下面结合附图来详细说明本实施例的单片硅基集成芯片的具体实施方案：
52.如图2所示，本实施例的单片硅基集成芯片，包括：
53.第一分束器，其用于接收激光信号并分成上光路信号和下光路信号；
54.诱骗态调制单元，其用于将上光路信号进行随机诱骗态调制；
55.编码单元，其用于将随机诱骗态调制后的信号进行随机信息编码；
56.第一光强衰减单元，其用于将随机信息编码后信号衰减至单光子量级并输出；
57.随机数产生单元，其用于接收下光路信号并处理得到差分电流；其中，差分电流经处理后产生量子随机数，进而由量子随机数对应的随机数字电压信号来驱动诱骗态调制单元和编码单元工作。
58.作为一种具体实施方式，所述第一光强衰减单元为掺杂结构为pin的硅基可调光衰减器。
59.作为一种实施方式，所述诱骗态调制单元为光强度调制器。
60.其中，集成在芯片中的光强度调制器既可以满足系统光强调制要求，又能极大减小目前商用分立强度调制器的体积(从10厘米量级缩小到毫米量级)。
61.作为一种实施方式，所述编码单元基于光子相位信息、光子偏振态信息或者光子时间相位信息满足bb84协议要求进行信息编码。作为集成在芯片中的光学单元，所述编码单元可采用现有的结构，本领域技术人员可以根据所采用的编码方式自行设置，在此不作详述。
62.其中，bb84协议是国际上首个量子密钥分发协议，1984年国际上首次提出。bb84协议和之后改进的bbm92，和2012年的mdi-qkd协议是国际上通用的量子密钥分发协议，从1984年国际上提出以来，增加安全通信距离、提高安全成码率和提高现实系统安全性，成为开发实用性量子密钥分发的三大目标。
63.作为一种实施方式，所述第一分束器、诱骗态调制单元、编码单元和第一光强衰减单元依次通过硅波导相连。
64.作为一种实施方式，所述第一分束器和随机数产生单元之间通过硅波导相连。
65.上述技术方案产生的优点在于，硅波导具有优异的光学非线性特性和强的限光能力，能够与不同波段尤其在光通信“窗口”波段的光信号实现较好的相位匹配，提高光信号的传输效率。
66.在具体实施中，如图3所示，本实施例的随机数产生单元，包括：
67.第二分束器，其包括第一输入端口port1和第二输入端口port2；第二输入端口port2无光输入作为真空态输入端；第一输入端口port1用于接收下光路信号，并经第二分
束器将光信号分成两路光信号；
68.第二光强衰减单元，其用于接收并衰减第二分束器分出的一路光信号；
69.第一光电探测器，其与第二光强衰减单元相连，用于将第二光强衰减单元衰减后的光信号转化成第一光电流信号；
70.第三光强衰减单元，其用于接收并衰减第二分束器分出的另一路光信号；
71.第二光电探测器，其与第三光强衰减单元相连，用于将第三光强衰减单元衰减后的光信号转化成第二光电流信号；其中，第一光电流信号与第二光电流信号作差，得到差分电流。
72.在本实施例中，所述第二光强衰减单元和第三光强衰减单元均为掺杂结构为pin的硅基可调光衰减器。
73.可以理解的，在其他的实施例中，第二光强衰减单元和第三光强衰减单元也可采用其他现有结构，本领域技术人员可以根据具体情况自行设置，在此不作详述。
74.作为一种实施方式，所述第二分束器的一输出端、第二光强衰减单元和第一光电探测器依次通过硅波导相连，所述第二分束器的另一输出端、第三光强衰减单元和第二光电探测器依次通过硅波导相连。
75.本实施例的单片硅基集成芯片中集成了随机数产生单元，其中，随机数产生单元的第二分束器的两个端口，其中一个无光输入作为真空态输入端，另一个将接收到的光信号分成两路，每路光信号经相应衰减处理后，再转化成相应光电流；两路光电流作差后得到差分电流，差分电流经处理模块处理后产生量子随机数，其基于真空涨落原理，输出随机数为量子随机数，具备真正的安全性。其中，在量子力学中，真空涨落原理是在空间任意位置对于能量的暂时变化。
76.本实施例的单片硅基集成芯片集成了量子密钥分发及量子随机数产生的功能，借助第一分束器实现量子密钥分发系统与量子随机数发生器复用同一激光器的同时，还将第一分束器、量子密钥分发系统中的光学单元(即诱骗态调制单元、编码单元、第一光强衰减单元)与量子随机数发生器中的光学单元(即随机数产生单元)进行光学集成，从而有效减少了量子密钥分发系统的体积、成本和功耗。
77.实施例二
78.本实施例提供了一种量子密钥分发系统，其包括：
79.激光器，其用于产生激光信号；
80.如图2所示的单片硅基集成芯片，其用于接收激光器产生的激光信号，输出差分电流及输出经随机诱骗态调制、随机信息编码和衰减后的光信号；
81.随机数后处理模块，其用于接收差分电流，并将差分电流处理后产生量子随机数，进而由量子随机数对应发随机数字电压信号来驱动所述单片硅基集成芯片中的诱骗态调制单元和编码单元工作。
82.作为一种实施方式，所述随机数后处理模块包括依次串联连接的放大器、滤波器、adc以及fpga，差分电流依次经放大、滤波和模数转换后输入至fpga。
83.在具体实施中，随机数后处理模块对差分电流进行信号放大、采集和量化等后处理并产生量子随机数。
84.需要说明的，随机数后处理模块也可采用现有的结构，本领域技术人员可以根据
具体情况自行设置，在此不作详述。
85.作为一种实施方式，所述激光器还与脉冲驱动电路相连。
86.其中，脉冲驱动电路的结构为现有结构，此处不再累述。
87.本实施例的量子密钥分发系统包括集成量子密钥分发及量子随机数产生的功能的单片硅基集成芯片，使得整个量子密钥分发系统的体积、成本和功耗均大大减少。
88.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。