[發(fā)明專利]兩級偏振編碼裝置、編碼方法及量子密鑰分發(fā)光源

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010460025.5
• 申請日: 2020-05-26
• 公開（公告）號: CN111526019A
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設計）人: 李楊;李宇懷;印娟;廖勝凱;彭承志;潘建偉
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 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: 孫蕾

一種偏振編碼裝置，包括兩級Sagnac環(huán)，具體包括環(huán)形器1、偏振分束器PBS1、相位調制器PM1、環(huán)形器2、偏振分束器PBS2、相位調制器PM2幾個部分，其中，環(huán)形器1和環(huán)形器2均包括第一端口a，第二端口b和第三端口c；PBS1和PBS2均包括第一端口1，第二端口2和第三端口3；PBS1和PBS2的第二端口2和第三端口3之間通過基于Sagnac環(huán)的保偏光纖連接以形成雙向環(huán)光路；輸入光通過輸入光纖連接到環(huán)形器1的第一端口a，輸入光纖為保偏光纖；輸出光通過輸出光纖連接到環(huán)形器2的第三端口c，輸出光纖為單模光纖。本發(fā)明使用兩通道、單幅值的脈沖信號驅動，滿足了偏振編碼QKD實驗制備4種偏振態(tài)的需求，避免了單通道、多幅值的脈沖信號產(chǎn)生的技術難題，實現(xiàn)難度小、可靠性高。

技術領域

本發(fā)明涉及光偏振編碼領域，特別涉及用于諸如量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的偏振編碼裝置，以及利用其進行偏振態(tài)編碼的方法。

背景技術

量子通信作為當今物理學的前沿領域之一，其基于量子力學的基本物理原理保證了信息傳輸?shù)臒o條件安全性，是量子信息學最先走向實用化的一個發(fā)展方向。量子通信的核心就是量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution，QKD)，量子密鑰分發(fā)可以實現(xiàn)相距遙遠的通信雙方共享無條件安全的量子密鑰，再結合“一次一密”的加密方法，可以實現(xiàn)經(jīng)過信息論嚴格數(shù)學證明的安全通信。BB84協(xié)議是Bennett等人于1984提出的第一個QKD協(xié)議，也是迄今為止使用最廣泛的QKD之一。在自由空間和星地的QKD實驗中，由于大氣對偏振態(tài)的保真度較好，因此多采用基于偏振態(tài)進行編碼，對應的就需要進行QKD光源的偏振態(tài)調制，來實現(xiàn)對兩個正交基矢的四種偏振態(tài)的隨機編碼。

常用的偏振編碼方法主要有兩種。一種是基于基于伲酸鋰晶體或砷化鎵材料的偏振調制器使用外部的線偏振光經(jīng)過45度轉軸后輸入，H、V兩個偏振分量分別沿著調制器晶體的兩個軸向傳輸，通過在調制器上施加電壓信號，造成在H、V兩個偏振分量之間引入額外的相位差，并在調制器晶體的輸出端口處發(fā)生干涉，產(chǎn)生不同的偏振態(tài)。另一種是基于環(huán)形器+Sagnac環(huán)的偏振調制方法，通過構建Sagnacx結構的干涉環(huán)，通過相位調制器在順時針和逆時針兩個分量之間引入額外的相位差，最終干涉產(chǎn)生不同的偏振態(tài)。

對于目前已經(jīng)報道的這些偏振編碼方法，均采用了單級偏振編碼的方案。為了產(chǎn)生偏振編碼QKD實驗所需的4種偏振態(tài)，需要產(chǎn)生幅度分別為0、1/2V_π、V_π、3/2V_π等四種電壓值的脈沖信號，其中V_π為偏振調制器或相位調制器的半波電壓。考慮到調制器的典型半波電壓約5V，則分別要產(chǎn)生幅度分別為0、2.5V、5V、7.5V等四種電壓值的脈沖信號，用于驅動調制器實現(xiàn)對目標偏振態(tài)的制備，同時為了保證所制備偏振態(tài)的保真度，也對脈沖信號提出了低抖動的要求。隨著重復頻率從MHz逐漸提高到GHz以上，這種多幅值、低抖動、大電壓的脈沖信號產(chǎn)生，對驅動電子學提出了極高的需求，技術復雜、實現(xiàn)難度大、可靠性低，這在一定程度上限制了單級偏振編碼裝置的應用前景。

發(fā)明內容

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種兩級偏振編碼裝置、編碼方法及量子密鑰分發(fā)光源，以期部分地解決上述技術問題中的至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一方面，提供了一種偏振編碼裝置，包括兩級Sagnac環(huán)，具體包括環(huán)形器1、偏振分束器PBS1、相位調制器PM1、環(huán)形器2、偏振分束器PBS2、相位調制器PM2幾個部分，其中，

環(huán)形器1和環(huán)形器2均包括第一端口a，第二端口b和第三端口c；

PBS1和PBS2均包括第一端口1，第二端口2和第三端口3；

PBS1和PBS2的第二端口2和第三端口3之間通過基于Sagnac環(huán)的保偏光纖連接以形成雙向環(huán)光路，通過調整PM1和PM2到第二端口2和第三端口3的保偏光纖的長度，使得Sagnac環(huán)順時針方向和逆時針方向到達PM1和PM2的延遲不同；