[發明專利]用于量子密鑰分發的片上高速偏振控制編碼器

有效

• 申請號: 201710252393.9
• 申請日: 2017-04-18
• 公開（公告）號: CN107135068B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 楊林;賈浩;張磊;丁建峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

一種用于量子密鑰分發的硅基片上高速偏振控制編碼器，包括：一偏振分束旋轉器，其輸入端與一輸入波導連接；一第一1×4光分束，其輸入端與偏振分束旋轉器的輸出端口1連接；一第一相位延遲器、一第二相位延遲器、一第三相位延遲器和一第四相位延遲器，其四路相位延遲器的一端與第一1×4光分束的輸出端連接，另一端分別連接有一第一可調光衰減器；一第二1×4合束器，其輸入端與第一1×4光分束之后的第一可調光衰減器的另一端連接；一偏振合束器，其輸入端口1與第二1×4合束器的輸出端連接，其輸入端口2通過一第二可調光衰減器與偏振分束旋轉器的輸出端口2連接。

技術領域

本發明涉及量子通信與集成光學技術領域，尤其涉及一種量子密鑰分發所需要的片上高速偏振控制編碼器。

背景技術

現在的互聯網信息安全的加密方式稱為“公開密鑰”密碼體系，其原理是通過加密算法，生成網絡上傳播的公開密鑰，以及留在計算機內部的私人密鑰，兩個密鑰必須配合使用才能實現完整的加密和解密過程。現代密碼學使用的加密標準是20世紀70年代誕生的RSA算法，即利用大數的質因子分解難以計算來保證密鑰的安全性。隨著計算能力的不斷提升，特別是量子計算機概念的提出，RSA的安全性受到了挑戰。量子密碼是量子力學和密碼學相結合的產物，它解決了經典密碼體制的密鑰分配的難題。量子密碼的安全性由量子力學基本原理——測不準原理和單量子態不可克隆定理保證，所以在密鑰分配過程中，公開信道中的數據不必擔心被竊聽。它是目前科學界公認唯一能實現絕對安全的通信方式，從而各國相繼開展了研究并取得了巨大成功。1984年，物理學家Bennett和密碼學家Brassard提出了基于量子力學測量原理的“量子密鑰分配”BB84協議，被廣泛的研究和實際實現，但仍有許多問題在探索階段，尚未實現大規模實用化，離商業化應用則有更大的距離。

目前公認的量子密鑰分發裝置主要是基于傳統的分立光學棱鏡或光纖器件，體積大，難以集成，成本高，不利于大規模的商業化。

隨著硅基光子學的發展，分立光學器件的功能逐漸可在片上實現，從而方便集成，同時利用成熟的硅器件加工平臺，可以實現大規模低成本的量產。于是人們開始嘗試將量子密鑰分發裝置所需的器件和子系統集成在片上。其中核心的偏振控制編碼器需要制備不同光的偏振態，然而因為硅材料沒有線性電光效應，調制折射率來實現相位延遲主要是依靠熱光效應和等離子色散效應，熱光效應速度慢，難以實現高速的調制，等離子色散效應相對弱的多，實現較大的相位延遲困難，且會同時引入額外的損耗，因而很難實現高速的片上偏振控制編碼器。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的在于，提供一種用于量子密鑰分發的片上高速偏振控制編碼器，其是利用硅的熱光效應較大，可以實現大的相位變化來設計相位延遲器和硅材料的等離子色散效應可實現快速的調制的特性實現高速的光衰減器，通過其他器件的結合從而可實現一種片上的硅基高速偏振控制編碼器。

為達到上述目的，本發明提供一種用于量子密鑰分發的硅基片上高速偏振控制編碼器，包括：

一偏振分束旋轉器，其輸入端與一輸入波導連接；

一第一1×4光分束，其輸入端與偏振分束旋轉器的輸出端口1連接；

一第一相位延遲器、一第二相位延遲器、一第三相位延遲器和一第四相位延遲器，其四路相位延遲器的一端與第一1×4光分束的輸出端連接，另一端分別連接有一第一可調光衰減器；

一第二1×4合束器，其輸入端與第一1×4光分束之后的第一可調光衰減器的另一端連接，用于將輸入的單路光分成等光強的四束或將四束輸入合成為一束；

一偏振合束器，其輸入端口1與第二1×4合束器的輸出端連接，其輸入端口2通過一第二可調光衰減器與偏振分束旋轉器的輸出端口2連接，用于將兩路偏振方向正交的光合成為一束輸出，該偏振合束器的輸出端與一輸出波導連接。