集成波导偏振正交旋转反射装置和量子密钥分发系统的制作方法

本实用新型涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种集成波导偏振正交旋转反射装置、包括该集成波导偏振正交旋转反射装置的集成波导编解码装置以及相应的量子密钥分发系统。

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。

目前量子密钥分发设备光路模块大多采用分立光器件集成，易受振动、环境稳定变化影响，进而影响系统两端设备的稳定性和可靠性，且设备体积大。尤其是量子密钥分发编解码模块的光路，包含光器件多、盘纤设计难度大，受环境干扰编解码不稳定。此外，相位编码以及时间比特-相位编码量子密钥分发系统，因光纤制作存在非理想情况，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，进行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。

如何实现集成化的稳定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亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提出一种集成波导偏振正交旋转反射装置，基于该集成波导偏振正交旋转反射装置的集成波导编解码装置，以及基于该集成波导编解码装置的量子密钥分发系统，以解决相位编码以及时间比特-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以及编解码光路的集成化难题。

本实用新型提供至少以下技术方案：

1.一种集成波导偏振正交旋转反射装置，其特征在于，包括：集成波导偏振分束旋转装置和集成波导传输光路，其中，

所述集成波导偏振分束旋转装置包括第一端口、第二端口和第三端口，所述集成波导偏振分束旋转装置被配置用于将经由所述第一端口输入的一路输入光脉冲偏振分束为分别经所述第二端口和所述第三端口输出的第一路光脉冲和第二路光脉冲，并对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲之一的偏振态进行旋转，使得在旋转后所述第一路光脉冲和第二路光脉冲的偏振态相同；以及，

所述集成波导传输光路被设置在所述集成波导偏振分束旋转装置的第二端口和第三端口之间并且与所述第二端口和所述第三端口光耦合，所述集成波导传输光路被配置用于将分别从所述第二端口和第三端口中的任一个输出的光脉冲传输返回至所述第二端口和所述第三端口中的另一个，

其中，所述集成波导偏振分束旋转装置被进一步配置用于在接收到通过所述集成波导传输光路返回的第一路光脉冲和第二路光脉冲之后，将其合束并通过所述第一端口输出。

2.根据方案1所述的集成波导偏振正交旋转反射装置，其特征在于，所述集成波导偏振分束旋转装置为偏振分束旋转器。

3.根据方案1所述的集成波导偏振正交旋转反射装置，其特征在于，所述集成波导偏振分束旋转装置包括偏振分束器和与该偏振分束器的两个输出端口之一光耦合的偏振旋转器，其中所述偏振分束器的输入端口为所述集成波导偏振分束旋转装置的第一端口，所述偏振旋转器被设置位于所述偏振分束器的两个输出光路之一上以对通过其传输的光脉冲的偏振态进行旋转。

4.根据方案1至3中任一项所述的集成波导偏振正交旋转反射装置，其特征在于，所述集成波导偏振正交旋转反射装置还包括集成波导相位调制器，所述集成波导相位调制器位于所述集成波导传输光路上并且被配置用于对经过所述集成波导传输光路传输的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

5.一种集成波导编解码装置，其特征在于，所述集成波导编解码装置包括：分束器；以及分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置；

其中，所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置为根据方案1-4中任一项所述的集成波导偏振正交旋转反射装置，并且经所述集成波导偏振正交旋转反射装置的输入端口耦合至所述两个臂中的相应臂。

6.根据方案5所述的集成波导编解码装置，其特征在于，所述集成波导编解码装置还包括相位调制器，所述相位调制器被设置于所述分束器的输入端口前端或设置于所述两个臂中至少之一上。

7.根据方案5或6所述的集成波导编解码装置，其特征在于，所述分束器是保偏分束器；和/或所述两个臂分别为偏振保持光路。

8.根据方案5或6所述的集成波导编解码装置，其特征在于，所述装置还包括：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，所述光环形器的第一端口被设置在所述分束器的输入端口前端以接收入射的一路输入光脉冲，该输入光脉冲从所述光环形器的第二端口被输出至所述分束器，以及来自所述分束器的合束输出的光脉冲经所述光环形器的第二端口输入并从所述光环形器的第三端口输出。

9.一种相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，包括：

根据方案5-8中任一项所述的集成波导编解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于相位解码；和/或

根据方案5-8中任一项所述的集成波导编解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端，用于相位编码。

10.一种时间比特-相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，包括：

根据方案5-8中任一项所述的集成波导编解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的接收端，用于时间比特-相位解码；和/或

根据方案5-8中任一项所述的集成波导编解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端，用于时间比特-相位编码。

11.根据方案10所述的时间比特-相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，根据方案5-8中任一项所述的集成波导编解码装置设置在所述量子密钥分发系统的接收端用于时间比特-相位解码时，所述集成波导编解码装置被设置用于将每个脉冲周期内的输入光脉冲解码为第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号输出，所述每个脉冲周期包括所述第一时隙、所述第二时隙和所述第三时隙。

12.根据方案10所述的时间比特-相位编码量子密钥分发系统，其特征在于，根据方案5-8中任一项所述的集成波导编解码装置设置在所述量子密钥分发系统的接收端用于时间比特-相位解码时，所述时间比特-相位编码量子密钥分发系统还包括前置分束器，所述前置分束器的两个输出端口之一光耦合至所述集成波导编解码装置。

本实用新型采用集成波导设计偏振正交旋转反射装置，并基于此提出集成波导编解码装置和量子密钥分发系统方案，对于任意偏振态的输入光脉冲可以实现相位编码以及时间比特-相位编码量子密钥分发系统中相位基的稳定解码干涉输出，解决了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。此外，采用集成波导设计，解码光路体积大大减小，增加了终端设备的可靠性和稳定性。本实用新型提供了一种集成化应用的抗偏振诱导衰落的量子密钥分发解码方案。

附图说明

图1为本实用新型一优选实施例的集成波导偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图2为本实用新型另一优选实施例的集成波导偏振正交旋转反射装置的组成结构示意图；

图3为本实用新型一优选实施例的集成波导编解码装置的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本实用新型的主题模糊不清时，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。

本实用新型一优选实施例的集成波导偏振正交旋转反射装置如图1所示，包括以下组成部分：集成波导偏振分束旋转装置102和集成波导传输光路103。

具体地，所述集成波导偏振分束旋转装置102包括第一端口a(也即，端口101)、第二端口b和第三端口c。所述第一端口a可以作为所述集成波导偏振正交旋转反射装置的输入端口和输出端口。所述集成波导偏振分束旋转装置102被配置用于将经由所述第一端口a输入的一路输入光脉冲偏振分束为分别经所述第二端口b和所述第三端口c输出的第一路光脉冲和第二路光脉冲，并对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲之一的偏振态进行旋转，使得在旋转后所述第一路光脉冲和第二路光脉冲的偏振态相同。

所述集成波导传输光路103被设置在所述集成波导偏振分束旋转装置102的第二端口b和第三端口c之间并且与所述第二端口b和所述第三端口c光耦合，使得集成波导偏振分束旋转装置102的这两个输出端口b和c实现光路互连。所述集成波导传输光路103被配置用于将分别从所述第二端口b和第三端口c中的任一个输出的光脉冲传输返回至所述第二端口b和所述第三端口c中的另一个。

所述集成波导偏振分束旋转装置102被进一步配置用于在接收到通过所述集成波导传输光路103返回的第一路光脉冲和第二路光脉冲之后，将返回的第一路光脉冲和第二路光脉冲合束并通过所述集成波导偏振分束旋转装置102的第一端口a输出。

在一个实施例中，所述集成波导偏振分束旋转装置102可以为偏振分束旋转器。

在另一个实施例中，所述集成波导偏振分束旋转装置102也可以为由偏振分束器和偏振旋转器构造成的器件。例如，所述集成波导偏振分束旋转装置包括偏振分束器和与该偏振分束器的两个输出端口之一光耦合的偏振旋转器，其中所述偏振分束器的输入端口为所述集成波导偏振分束旋转装置的第一端口，所述偏振旋转器被设置位于所述偏振分束器的两个输出光路之一上以对通过其传输的光脉冲的偏振态进行旋转。在这种情况下，所述偏振分束器的输入端口可以为集成波导偏振分束旋转装置102的输入端口，所述偏振旋转器可以位于所述偏振分束器的两个输出光路中的一个输出光路上。

在一种可能的实施例中，集成波导偏振正交旋转反射装置还包括集成波导相位调制器，所述集成波导相位调制器可以位于所述集成波导传输光路103上并且被配置用于对经过所述集成波导传输光路传输的光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

本实用新型另一优选实施例的集成波导偏振正交旋转反射装置如图2所示，包括以下组成部分：偏振分束旋转器202、集成波导传输光路203和集成波导相位调制器204。

偏振分束旋转器202具有一个输入端口f(即端口201，也可以称为第一端口)、两个输出端口g和h(也可分别称为第二端口和第三端口)。所述偏振分束旋转器202的输入端口f为集成波导偏振正交旋转反射装置的输入端口和输出端口。偏振分束旋转器202的两个输出端口g和h分别与集成波导传输光路203两端的端口光耦合。集成波导相位调制器204被设置位于集成波导传输光路203上。有利地，图1或图2中的传输光路或耦合光路均为集成波导。

工作时，光脉冲经偏振分束旋转器202的输入端口201进入偏振分束旋转器202并由偏振分束旋转器202分成两路光脉冲，该两路光脉冲分别由偏振分束旋转器202的端口g和端口h输出。偏振分束旋转器202的端口g输出的一路光脉冲经集成波导传输光路203传输至集成波导相位调制器204的端口d，然后经集成波导相位调制器204进行相位调制后由集成波导相位调制器204的端口e输出至偏振分束旋转器202的端口h。相应的，偏振分束旋转器202的端口h输出的另一路光脉冲经集成波导传输光路203传输至集成波导相位调制器204的端口e，然后经集成波导相位调制器204进行相位调制后由集成波导相位调制器204的端口d输出至偏振分束旋转器202的端口g。偏振分束旋转器202将从集成波导传输光路203返回至端口g和端口h的光脉冲合束后，经由该偏振分束旋转器202的端口f输出。优选的，集成波导相位调制器204位于集成波导传输光路203的中间。

根据本实用新型的另一方面，还要求保护一种集成波导编解码装置。本实用新型一优选实施例的集成波导编解码装置如图3所示，包括以下组成部分：分束器303以及分别经两个臂与所述分束器光耦合的两个反射装置304和305。所述两个反射装置中之一或每个所述反射装置可以为上述的集成波导偏振正交旋转反射装置，并且经所述集成波导偏振正交旋转反射装置的输入端口耦合至所述两个臂中的相应臂。

优选地，所述分束器303是保偏分束器；和/或所述两个臂分别为偏振保持光路。另外，所述集成波导编解码装置还可以包括设置于所述分束器的输入端口前端或设置于所述两个臂中至少之一上的相位调制器。

优选地，在一个实施例中，两个反射装置304和305均为上述集成波导偏振正交旋转反射装置。两个反射装置可以为相同构造的偏振正交旋转反射装置，或者为不同构造的偏振正交旋转反射装置。例如，反射装置304和305其中之一(例如反射装置304)包含偏振分束旋转器、集成波导相位调制器和集成波导传输光路，反射装置304和305中的另一个(例如反射装置305)可以包含偏振分束旋转器和集成波导传输光路。

保偏分束器303的左边可以设置有两个端口，右边设置有两个端口，如图3所示。或者，保偏分束器的左边可以仅设置一个端口(如仅设置端口301)，右边设置两个端口。保偏分束器303右边的两个端口分别和两个反射装置相连。在保偏分束器左边的一个端口可以作为编解码装置的输入端口和输出端口(此时还需要设置光环形器)。

结合图3的示例，在一个实施例中，集成波导编解码装置只设置一个输出端口，例如在保偏分束器左边的两个端口301和302之一作为集成波导编解码装置的输入端口，两个端口301和302中的另一个作为集成波导编解码装置的输出端口。在另一个实施例中，集成波导编解码装置只设置一个输出端口，例如在保偏分束器左边的两个端口301和302之一既是集成波导编解码装置的输入端口也是集成波导编解码装置的输出端口，在这种情况下需要光环形器。在又一个实施例中，集成波导编解码装置设置两个输出端口，例如两个端口301和302均为集成波导编解码装置的输出端口，在这种情况下有一个端口既是输入端口也是输出端口，需要光环形器。

因此，在保偏分束器303的输入端口和其中一个输出端口为同一端口的情况下，集成波导编解码装置还可以包括设置位于保偏分束器303的前端的光环形器(未示出)。所述光环形器可以包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光环形器的第一端口被设置在所述分束器的输入端口前端以接收入射的任意一路输入光脉冲，该输入光脉冲从所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，以及来自所述分束器的合束输出的光脉冲经所述光环形器的第二端口输入，并从所述光环形器的第三端口输出。

保偏分束器303与反射装置304和305构成不等臂迈克尔逊干涉仪，其间的两个臂优选为偏振保持光路。反射装置304和305其中之一(例如反射装置304)可以包含集成波导相位调制器。保偏分束器303的端口301或302可作为集成波导编解码装置的输出端口。

工作时，光脉冲经保偏分束器303的端口301或302进入保偏分束器303并由保偏分束器303分成两路光脉冲。来自保偏分束器303的一路光脉冲经偏振保持光路传输至反射装置304并由反射装置304反射回来，另一路光脉冲经偏振保持光路传输至反射装置305并由反射装置305反射回来。经相对延时的反射回来的两路光脉冲经保偏分束器303合束后由端口301或302输出。通过反射装置304和305其中之一(例如反射装置304)包含的集成波导相位调制器对经其传输的光脉冲进行相位调制。

根据本实用新型的另一方面，还提供一种相位编码量子密钥分发系统，其包括：设置在所述量子密钥分发系统的接收端的上述集成波导编解码装置，用于相位解码；和/或设置在所述量子密钥分发系统的发射端的上述集成波导编解码装置，用于相位编码。

根据本实用新型的再一方面，还提供一种时间比特-相位编码量子密钥分发系统，包括：设置在所述量子密钥分发系统的接收端的上述集成波导编解码装置，用于时间比特-相位解码；和/或设置在所述量子密钥分发系统的发射端的上述集成波导编解码装置，用于时间比特-相位编码。

在一个实施例中，在上述的集成波导编解码装置设置在所述量子密钥分发系统的接收端用于时间比特-相位解码时，所述集成波导编解码装置被设置用于将每个脉冲周期内的输入光脉冲解码为第一时隙、第二时隙和第三时隙的信号输出，所述每个脉冲周期包括所述第一时隙、所述第二时隙和所述第三时隙。

在一个实施例中，在上述的集成波导编解码装置设置在所述量子密钥分发系统的接收端用于时间比特-相位解码时，所述时间比特-相位编码量子密钥分发系统还包括前置分束器，所述前置分束器的两个输出端口之一光耦合至所述集成波导编解码装置。

通过具体实施方式的说明，应当可对本实用新型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，并非用来对本实用新型加以限制。