一种薄膜铌酸锂相位解码光子芯片及量子密钥分发系统的制作方法

本发明涉及光通信，特别涉及一种薄膜铌酸锂相位解码光子芯片及量子密钥分发系统。

背景技术：

1、量子密钥分发（qkd）作为安全性极高且产业化程度较高的量子保密通信设备，应用越来越广泛。量子密钥分发技术的前提是制备量子比特。一个量子比特利用的编码空间为 2维希尔伯特空间，其常用的编码方式主要有偏振编码以及相位编码。量子密钥分发常用的编码方式主要为偏振编码和相位编码，现在常用的相位编码的量子密钥分发方案，多采用传统分立的光纤器件通过光纤熔接等技术搭建而成，其中相位编解码模块为不等臂马赫曾德尔干涉仪（amzi），有光纤耦合器、相位调制器、光纤延时线熔接而成，如图1所示，但是该系统量子信号在通信光纤中容易因环境干扰而发生双折射效应等作用，到达接收端时其偏振态会有较大变化及波动，最终影响信号的干涉效果，从而造成整体密钥的丢失；因此提出了在发射端加入消偏器（dop），在接收端加入偏振分束器（pbs）进行偏振控制的方案，如图2所示，这种方案虽然可以有效消除偏振影响，但由于其接收端pbs的加入，使得一半的量子信号损失，接收端损耗大，影响系统性能；因此又提出了在接收端使用萨格纳克-马赫曾德不等臂干涉环（smzi）的方案，smzi由两个偏振分束器、和与发射端相同的amzi干涉仪组成，从而使得系统在抗偏振扰动的基础上全部偏振态的光均被利用，有效地保证了成码率，如图3所示，发射端（alice）的相位编码模块和接收端（bob）的相位解码模块理论要求具有完全一致的臂长延时差。因此在实际生产中，通常要求光纤切割的工艺精度达到百微米级甚至更低，对于smzi方案，由于收端干涉环制作过程中需要更多次的熔接，所以对光纤切割和熔接的精度要求更严格，这一点往往很难保证，从而制约qkd的成码率；而且分立光纤器件体积大，且光纤延时线往往需要几米的长度，导致相位编解码模块体积大，不利于集成化小型化。

2、在此之前已提出可用硅基或者plc波导制作相位编解码模块。但是，硅基或plc波导制作的不等臂马赫曾德干涉仪，若使用热光调制，无法实现高速的相位调制，在qkd系统中相位编码需要进行被动调制，大大增加了系统复杂度，若使用电光调制，虽然可以解决高速调制的问题，但是qkd接收端的相位解码模块衰减依旧过大，会大大降低系统的成码率。

技术实现思路

1、针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种薄膜铌酸锂相位解码光子芯片及量子密钥分发系统。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种薄膜铌酸锂相位解码光子芯片，包括由薄膜铌酸锂波导制成第一多模干涉器mmi、波导延迟线、高速相位调制器、第二多模干涉器mmi、第一偏振分束旋转器psr、第二偏振分束旋转器psr，所述第一多模干涉器mmi的两输出端分别连接高速相位调制器的两输入端，高速相位调制器的输出端通过波导延时线连接第二多模干涉器mmi的一输入端，高速相位调制器的另一输出端连接第二多模干涉器mmi的另一输入端，第一偏振分束旋转器psr的两个输出端分别连接第一多模干涉器mmi和第二多模干涉器的一个输入端，第二偏振分束旋转器psr的两个输入端分别连接第一多模干涉器mmi和第二多模干涉器的另一个输入端，所述第一偏振分束旋转器psr用于使te模和tm模发生模式耦合实现te/tm模的分离，并在一端将tm模转换为te模，所述第二偏振分束旋转器psr用于将te模转换为tm模并实现te/tm模的耦合。

4、优选地，所述第一偏振分束旋转器psr为在薄膜铌酸锂波导上刻蚀的上支波导以及下支波导，所述上支波导的分支脊波导的宽度通过线性变化从w4=1um逐渐增大到w5=2.2um；所述下支波导的分支脊波导的宽度通过线性变化从w1=1.6um逐渐增大到w2=3.5um再逐渐缩小到w3=2.4um。

5、优选地，所述薄膜铌酸锂波导采用半刻蚀的铌酸锂脊形波导结构，外包层为二氧化硅材料，其中铌酸锂层为在x切，铌酸锂波导有x切和z切两种形式，z切之后xy平面是各向同性的，x切yz平面各向异性，厚度为500nm，脊高hrib为250 nm。

6、优选地，所述高速相位调制器包括行波电极、波导和低速bias电极，通过行波电极改变薄膜铌酸锂波导的折射率，用于相位的高速调制，通过低速bias电极改变薄膜铌酸锂波导的折射率，用于相位的补偿。

7、本发明还公开了一种量子密钥分发系统，包括发射端与接收端，所述发射端包括光功率监控模块以及依次连接的脉冲光激光器、强度调制器、薄膜铌酸锂相位编码光子芯片、可调衰减器，所述光功率监控模块连接薄膜铌酸锂相位编码光子芯片；所述接收端包括环形器、薄膜铌酸锂相位解码光子芯片以及两路单光子探测器，所述环形器一端口通过量子信道连接发射端，二端口通过薄膜铌酸锂相位解码光子芯片连接一路单光子探测器，三端口连接另一路单光子探测器。

8、优选地，所述薄膜铌酸锂相位编码光子芯片包括集成在绝缘体薄膜铌酸锂基上的第一模斑转换器、第二模斑转换器、第三模斑转换器、第四模斑转换器、第三多模干涉器、第四多模干涉器、电调高速相移器以及延时环，所述第一模斑转换器、第二模斑转换器分别通过不同的s波导连接第三多模干涉器输入端口，所述第三多模干涉器分别通过长臂以及短臂连接第四多模干涉器，所述长臂上连接有延时环，所述长臂以及短臂上均通过电调高速相移器并与其上行波电极连接，所述第四多模干涉器分别通过不同的s波导连接第三模斑转换器、第四模斑转换器。

9、优选地，所述行波电极包括连接在长臂上的第一行波电极组以及连接短臂上的第二行波电极组，所述第一行波电极组包括第一电极、第二电极、第三电极，三个电极设置在包含有两条平行脊线的薄膜铌酸锂脊波导上，所述第一电极、第三电极为接地电极且分别设置在两条脊线的外侧，所述第二电极为阳极电极且设置在两条脊线的内侧，三个电极高度h相等，且水平方向上距离相邻脊线的距离g也相等，两条所述脊线的宽度w相同，且两条所述脊线的高度h也相同，所述w=1.6um，h=0.5un，h=0.25um，g为1.7 um。

10、优选地，所述延时环的波导长度通过公式l=c/neff*t得到，其中l为延时环波导长度，neff为薄膜铌酸锂有效折射率，c为光速，t为延时时间，所述neff=2.2，c=3*10^8 m/s，t取390ps，得l设计长度为5.318 cm。

11、优选地，所述电调高速相移器的电光响应 3 db 带宽在 12 ghz 以上。

12、优选地，所述第三多模干涉器、第四多模干涉器均采用多模干涉器mmi2*2，所述第三多模干涉器、第四多模干涉器与延时环通过波导构成一个不等臂的马赫曾德尔调制器，其中第三多模干涉器与延时环之间设有外部金属制成的高速调制行波电极。

13、优选地，所述延时环中的弯道绕制采用90°欧拉曲线。

14、优选地，所述90°欧拉曲线的有效半径大于150um。

15、与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

16、1、本发明的量子密钥分发系统解决传统相位编码qkd光纤系统中相位编解码模块工艺一致性差，致使qkd系统成码率低的技术问题，且实现产品的小型化；同时解决硅基/plc波导相位编码qkd系统复杂度过高、衰减过大的问题；

17、2、本发明的编码光子芯片，将3db耦合器与相位调制器利用光波导器件设计并集成在同一片光子芯片上，系统具有成本低、体积小、集成度高、稳定性好等优点，另外，利用多模干涉器mmi、波导+行波电极构成的高速相位调制器、波导延时线实现的amzi干涉环，实现了qkd系统的相位编码，具有系统简单，编码速度高、可靠性高等优点；

18、3、本发明提供的一种编码光子芯片，利用半导体工艺保证了amzi臂长差的一致性，解决了传统相位编码qkd系统光纤切割精度难以保证的问题。

19、4、本发明提供的一种编码光子芯片，可作为量子密钥分发（qkd）发射端器件，其发射端alice，只需要1个单光子源，相比plc波导的被动调制相位编码qkd系统的4或8个单光子源及4个amzi干涉环；大大降低了成本和系统复杂度。

20、5、本发明提供的一种编码光子芯片，其编码amzi的高速相位调制器可以通过数字调制的方式组合实现0，π/2，π，3π/2，4种相位编码，实现高速的相位编码。