一种斯托克斯参量编码器及其参量编码方法与流程

本发明属于量子通信中的量子密码的相关，特别涉及采用斯托克斯参量编码的连续变量量子密钥分发系统。本发明还涉及该编码器及其的参量编码方法。

背景技术：

1、连续变量量子密钥分发技术比离散变量量子密钥分发相对落后，但是连续变量量子密钥分发技术在短距离上的成码优势吸引了本领域的高度关注。

2、自从gg02协议问世以来，连续变量量子密钥分发得到逐步发展，安全性也得到证明，光纤连续变量量子密钥分发系统最远距离突破200公里。

3、但是，自由空间连续变量量子密钥分发系统发展相对缓慢。直到2009年，d.elser等人验证了斯托克斯参量可以在自由空间传输的可行性，测量了斯托克斯参量在大气传输的噪声情况；虽然技术有所发展，但是，截止目前为止，在斯托克斯编码中还没有实现过完整gg02协议的连续变量量子密钥分发系统，主要原因如下：

4、第一，光纤中偏振旋转角度没有自由空间稳定，现有文献均选择自由空间调制，会导致器件造成的旋转角度偏差；

5、第二，搭建纯自由空间的光学编码器需要使用eom调制器，eom调制器半波电压很高，高达二三百伏；如此高的半波电压，频率达到mhz以上的话，驱动电路很难实现。

技术实现思路

1、本发明提供一种斯托克斯参量编码器，其目的是克服角度旋转误差，保证旋转角度的稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、本发明的斯托克斯参量编码器，包括光纤环形器及光路往返路径，在所述的光路往返路径上，设置保偏光纤法拉第旋转器，将光的偏振旋转45°。

4、所述的光纤环形器采用保偏光纤环形器。

5、所述的编码器设有光纤偏振分束器，所述的光纤偏振分束器采用保偏光纤偏振分束器，将h和v光进行合束和分束。

6、所述的编码器设有延时光纤，所述的延时光纤采用保偏延时光纤，将光信号进行延时。

7、所述的编码器设有光纤相位调制器，所述的光纤相位调制器采用保偏光纤相位调制器，将相位信息加载到光信号上。

8、具体地：

9、本发明的斯托克斯参量编码器，包括光纤环形器cir1、光纤环形器cir2、光纤偏振分束器pbs1、光纤偏振分束器pbs2、延时光纤dl1、延时光纤dl2、光纤相位调制器pm1、光纤相位调制器pm2及光路往返路径；在所述的光路往返路径上，设置保偏光纤法拉第旋转器fr，将光的偏振旋转45°；所述的光纤环形器cir1、光纤环形器cir2均采用保偏光纤环形器；所述的光纤偏振分束器pbs1、光纤偏振分束器pbs2均采用保偏光纤偏振分束器，将h和v光进行合束和分束；所述的延时光纤dl1、延时光纤dl2均采用保偏延时光纤，将光信号进行延时；所述的光纤相位调制器pm1、光纤相位调制器pm2均采用保偏光纤相位调制器，将相位信息加载到光信号上。

10、所述的参量编码器的内部连接关系为：

11、所述的光纤环形器cir1包括端口1、端口2和端口3；其中，端口1为编码器的输入信号端口；端口2与保偏光纤法拉第旋转器fr连接，端口3与光纤环形器cir2连接；

12、所述的保偏光纤法拉第旋转器fr包括端口4和端口5；其中，端口4为保偏光纤法拉第旋转器fr的输入输出端口，端口4与端口2连接；端口5为保偏光纤法拉第旋转器fr的输出输入端口，端口5与光纤偏振分束器pbs1连接；

13、所述的光纤偏振分束器pbs1包括端口6、端口7和端口8，其中，端口6为光纤偏振分束器pbs1的合束端口，端口6与端口5连接；端口7和端口8分别为pbs的两个分束端口；端口7与光纤相位调制器pm1连接；端口8与延时光纤dl1的一端连接；

14、所述的光纤相位调制器pm1包括端口9和端口10，其中，端口9为光纤相位调制器pm1的输入输出端口，端口9与端口7连接；端口10为光纤相位调制器pm1的输出输入端口，端口10与延时光纤dl1的另外一端连接。

15、所述的光纤环形器cir2包括端口11、端口12和端口13；其中，端口11与端口3连接；端口12与光纤偏振分束器pbs2连接；端口13为编码器的输出信号端口；

16、所述的光纤偏振分束器pbs2包括端口14、端口15和端口16；其中，端口14为光纤偏振分束器pbs2的合束端口，端口14与端口12连接；端口15和端口16分别为pbs的两个分束端口，端口15与光纤相位调制器pm2连接；端口16与延时光纤dl2的一端连接；

17、所述的光纤相位调制器pm2包括端口17和端口18；其中，端口17为光纤相位调制器pm1的输入输出端口，端口17与端口15连接；端口18为光纤相位调制器pm1的输出输入端口，端口18与光纤dl1的另外一端连接。

18、为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的斯托克斯编码器的参量编码方法，其技术方案是：

19、线偏振光h输入到光纤环形器cir1的端口1，经过端口2到达光纤法拉第旋转器fr；经过旋转后，线偏振光变成h+v；

20、再通过光纤偏振分束器pbs1，将h和v分别沿顺时针和逆时针方向传播；光纤相位调制器pm1加载的相位差，即是对其中一个分量进行了相位调制，调制服从瑞丽分布；

21、调制完成的信号再经过光纤法拉第旋转器fr，则出射光为斯托克斯参量s1和s3；s1为连续变量量子密钥分发系统所需的本振光，旋转后的光束到达后面第二个环调制，主要的目的是进行相位的遍历，调制服从均匀分布；

22、调制完成的光束则包含了s1、s2、s3三个分量，其中s1为系统所需的斯托克斯参量编码本振光，s2和s3为斯托克斯参量编码信号光，服从二维高斯调制；

23、这样即完成了整个斯托克斯参量的编码，最后经过光纤环形器cir2的端口13可以准直到自由空间传输。

24、本发明采用上述技术方案，可以完美抵消器件造成的旋转角度偏差问题，不管器件角度偏差多少，均可以保证旋转角度的稳定性；驱动电路很容易实现；采用纯光纤结构，更易于集成和小型化设计；可以基于斯托克斯编码器实现完整gg02协议的连续变量量子密钥分发。

技术特征：

1.一种斯托克斯参量编码器，包括光纤环形器(cir1、cir2)及光路往返路径，其特征在于：在所述的光路往返路径上，设置保偏光纤法拉第旋转器(fr)，将光的偏振旋转45°。

2.按照权利要求1所述的斯托克斯参量编码器，其特征在于：所述的光纤环形器(cir1、cir2)采用保偏光纤环形器。

3.按照权利要求1所述的斯托克斯参量编码器，其特征在于：所述的编码器设有光纤偏振分束器(pbs1、pbs2)，所述的光纤偏振分束器(pbs1、pbs2)采用保偏光纤偏振分束器，将h和v光进行合束和分束。

4.按照权利要求1所述的斯托克斯参量编码器，其特征在于：所述的编码器设有延时光纤(dl1、dl2)，所述的延时光纤(dl1、dl2)采用保偏延时光纤，将光信号进行延时。

5.按照权利要求1所述的斯托克斯参量编码器，其特征在于：所述的编码器设有光纤相位调制器(pm1、pm2)，所述的光纤相位调制器(pm1、pm2)采用保偏光纤相位调制器，将相位信息加载到光信号上。

6.一种斯托克斯参量编码器，包括光纤环形器cir1、光纤环形器cir2、光纤偏振分束器pbs1、光纤偏振分束器pbs2、延时光纤dl1、延时光纤dl2、光纤相位调制器pm1、光纤相位调制器pm2及光路往返路径，其特征在于：在所述的光路往返路径上，设置保偏光纤法拉第旋转器fr，将光的偏振旋转45°；所述的光纤环形器cir1、光纤环形器cir2均采用保偏光纤环形器；所述的光纤偏振分束器pbs1、光纤偏振分束器pbs2均采用保偏光纤偏振分束器，将h和v光进行合束和分束；所述的延时光纤dl1、延时光纤dl2均采用保偏延时光纤，将光信号进行延时；所述的光纤相位调制器pm1、光纤相位调制器pm2均采用保偏光纤相位调制器，将相位信息加载到光信号上。

7.按照权利要求6所述的斯托克斯参量编码器，其特征在于：所述的参量编码器的内部连接关系为：

8.按照权利要求7所述的斯托克斯参量编码器，其特征在于：

9.按照权利要求1至8中任意一项所述的斯托克斯参量编码器的参量编码方法，其特征在于：所述的斯托克斯编码器的参量编码方法是：

技术总结
本发明公开了一种斯托克斯参量编码器，包括光纤环形器及光路往返路径；在所述的光路往返路径上，设置保偏光纤法拉第旋转器，将光的偏振旋转45°；光纤环形器采用保偏光纤环形器；光纤偏振分束器采用保偏光纤偏振分束器；延时光纤采用保偏延时光纤，光纤相位调制器采用保偏光纤相位调制器。本发明还公开了该编码器的参量编码方法。采用上述技术方案，可以完美抵消器件造成的旋转角度偏差问题，不管器件角度偏差多少，均可以保证旋转角度的稳定性；驱动电路很容易实现；采用纯光纤结构，更易于集成和小型化设计；可以基于斯托克斯编码器实现完整GG02协议的连续变量量子密钥分发。

技术研发人员：张启发,郑学涛,韩正甫,鲁健,韩竞宇,李雷,朱丹,凌杰,黄敦锋,刘云,张军峰,夏敏
受保护的技术使用者：安徽问天量子科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13