一種外調制的高速誘騙態量子光源的制備方法及裝置制造方法

一種外調制的高速誘騙態量子光源的制備方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種外調制的高速誘騙態量子光源的制備方法及裝置，其方法：首先由超短脈沖激光器發出高重復頻率的線偏振光脈沖，然后進入高速光強度調制模塊，將原本強度相同的光脈沖信號隨機調制成三種不同光強度的光脈沖信號，分別為信號態和誘騙態，然后進入偏振態產生光路隨機產生四種偏振態，再經過光衰減器衰減后輸出三種光強、四種偏振態共九種量子態。裝置包括：超短脈沖激光器、高速光強度調制模塊、偏振態產生光路、高速光相位調制模塊、光衰減器和高速邏輯控制芯片。本發明采用外調制的方式調制光脈沖的強度，調制出的不同量子態的光脈沖具有很好的一致性，克服了內調制由于光脈沖形狀、幅值、脈寬不一致造成安全漏洞的問題。
【專利說明】一種外調制的高速誘騙態量子光源的制備方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及量子保密通信領域，用作其中高速量子密鑰分發系統中的量子態光源，具體地說是一種外調制的高速誘騙態量子光源的制備方法及裝置。

【背景技術】
[0002]量子力學自上世紀初建立，大大推動了物理學的發展，不僅如此，人們發現量子力學與信息學科進行結合，發展出的量子信息學科可以完成經典信息學科無法完成的任務，如量子密鑰分發(QKD)，其安全性是由物理學基本原理保證的，故這種通信方式具有無法被破解的絕對安全性。
[0003]目前在國際上獲得廣泛認可的量子密鑰分發方案包括相位編碼方案、偏振編碼方案、糾纏態方案等。基于糾纏光子對的QKD系統目前還停留在實驗室階段，離實用化還有一段距離。相位編碼方案核心是測量干涉儀中的單光子路徑，根據不同相位下的光子干涉情況篩選密鑰。但是相位編碼方案在實際系統中需要對光程進行精確控制以保持干涉可見度，并且單向系統中還需要保證偏振穩定，系統需主動控制的單元模塊較多。針對這一問題，由Gisin小組提出的雙向的“plug-play”系統利用法拉第反射鏡實現了自動的路徑和偏振補償，具有很強的抗干擾能力，無需主動控制就可以達到較高的單光子干涉穩定性，但此方案是一種雙向的相位編碼方式，量子態光源和單光子探測器在接收端，相位調制位于發送端，為克服相位調制器的偏振相關性，須對通過法拉第反射鏡前后的二個正交偏振方向實施調制，加載在相位調制器上的脈沖至少需覆蓋法拉第反射鏡和相位調制器之間的來回光程，導致信息加載時序的速度受限，另外，從接受端向發送端發送的強光脈沖在光纖回路中產生的回光散射覆蓋一定的時間寬度，對接受端的單光子探測產生不利影響，且單光子探測器也具有一定的時間抖動，故此種方案不適用于GHz以上的高速QKD系統。
[0004]偏振編碼的方案則是利用光子極性進行量子保密通信，歷史上第一次量子通信的實驗也是利用這種編碼方式。與相位系統相比，偏振編碼可以使用被動的調制和解調器件，無需主動控制，其器件的插入損耗也比較小。因偏振編碼的QKD方案中量子光源和單光子探測器位于信道兩端，故不存在“plug-play”方案中存在的問題，故適用于GHz以上的高速QKD系統。
[0005]現實中由于實驗設備的限制，無法產生嚴格的單光子源，所使用的量子光源一般為經過衰減之后的弱相干光，光源中由于無法避免的多光子脈沖導致竊聽者Eve可以采用光子數分離(PNS)進行攻擊，在通信雙方沒覺察的情況下攔截光子，這種缺陷導致了密鑰率和最大安全距離都受到影響。在通信過程中，如果雙方能夠獲知單光子脈沖的比率，通過協同進行保密放大，可以壓縮密鑰使Eve沒法得到任何信息。這樣，通過后續過程的操作就能保證系統的安全性。單光子比率估計的準確率直接影響保密放大的效率，所以對光源發出的脈沖中的單光子脈沖比率的準確估計是量子密鑰分配的關鍵。2003年，Hwang提出采用誘騙態方法來更好的估計脈沖中的單光子比率，這使得QKD系統的密鑰率和最大安全距離都有顯著提高。2005年，Wang和Lo分別提出了完整的誘騙態QKD方案，2007年，中國的研宄小組聯合試驗，完成誘騙態QKD方案的實驗驗證。隨后，眾多QKD方案和實驗有世界各地的研宄者完成，并已被證明是抵抗PNS攻擊的最有效方案。而在相位編碼方案中由于強度調制器的偏振相關性，即對不同偏振態光強度調制結果不同，故實現高速的誘騙態光源是很困難的。
[0006]誘騙態方案的基本想法是:Alice用強度不同的誘騙態脈沖代替一部分信號態脈沖。誘騙態和信號態在物理本質上是完全相同的，它們都是由光源發出的弱相干態，只是強度不同而已，即具有不同的平均光子數。Eve無法區分誘騙態和信號態，在進行PNS攻擊時對兩種信號一視同仁。然而由于誘騙態和信號態強度不同，故通過率和錯誤率會不同。
[0007]目前在大多數偏振編碼QKD方案中，要用四個半導體激光器通過偏振控制器來手動調節出四種偏振態，即一對線偏基(45°線偏光和135°線偏光)和一對圓偏基(左旋圓偏振光和右旋圓偏振光)共四種偏振態。若要實現誘騙態光源，還需將每個激光器輸出的光通過分束來分別實現誘騙態和信號態，這無疑增加了系統的冗余和成本，不利于系統的集成；而且由于不同激光二極管的中心波長和線寬等都存在一定差異，會給整個系統帶來漏洞。
[0008]也可以使用內調制方法制備誘騙態中三種不同每脈沖平均光子數的量子態，即通過控制驅動激光二極管的電脈沖信號幅值來控制輸出激光脈沖的幅值大小，此種方法驅動激光二極管的電脈沖信號為超短電脈沖，并且為交流信號，存在一定的負向偏置電壓，在中低頻段時可以使用，但在高頻，特別是頻率達到GHz以上時，這種存在負向偏置的電脈沖信號會造成輸出激光脈沖的形狀、幅值、脈寬等一系列的不一致性問題，會造成通信過程中的安全漏洞。


【發明內容】

[0009]本發明的目的是針對現有技術存在的問題而提供的一種外調制的方法產生偏振編碼誘騙態量子光源的方法及裝置，該方法采用外調制的方式調制光脈沖的強度，調制出的不同量子態的光脈沖具有很好的一致性，克服了內調制由于光脈沖形狀、幅值、脈寬不一致造成安全漏洞的問題。
[0010]本發明的目的是這樣實現的:
[0011]一種外調制的高速誘騙態量子光源的制備方法，該方法包括以下具體步驟:
[0012]首先由超短脈沖激光器發出高重復頻率的線偏振光脈沖，然后進入高速光強度調制模塊，將原本強度相同的光脈沖信號隨機調制成三種不同光強度的光脈沖信號，光強分別為0、I1, I2，其中I1 = I2= 3:1,即分別為信號態和誘騙態，然后進入偏振態產生光路隨機產生四種偏振態:45°線偏光、135°線偏光、左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，然后經過光衰減器衰減后輸出三種光強、四種偏振態共九種量子態。其中超短脈沖激光器的觸發信號、相位調制模塊和強度調制模塊的隨機數均由高速邏輯控制芯片輸出并同步。
[0013]一種外調制的高速誘騙態量子光源的裝置，特點是該裝置由超短脈沖激光器、高速光強度調制模塊、偏振態產生光路、高速光相位調制模塊、光衰減器和高速邏輯控制芯片組成；其中，超短脈沖激光器連接高速光強度調制模塊，高速光強度調制模塊連接偏振態產生光路，偏振態產生光路一端連接高速光相位調制模塊，一端連接光衰減器，高速邏輯控制芯片分別連接超短脈沖激光器、高速光強度調制模塊及高速光相位調制模塊。
[0014]所述的超短脈沖激光器為電脈沖驅動的半導體激光二極管，發出的激光脈沖的重復頻率可達GHz，光脈沖寬度為皮秒量級。
[0015]所述的高速光強度調制模塊，由高速光強度調制器和其驅動電路組成，通過光纖與所述超短脈沖激光器相連，對其產生的超短光脈沖進行強度調制，所述的高速光強度調制器為基于電光效應的光強度調制器，消光比要求較高；所述的驅動電路由兩路構成，每個時鐘周期由高速邏輯控制芯片選擇隨機驅動一路或兩路均不觸發，分別產生Ip I2.0三種光強，其中I1 = I2= 3:1，分別對應信號態和誘騙態。
[0016]所述的偏振態產生光路由光纖器件組成，可以為薩格奈克(Sagnac)干涉環或基于“plug-play”等的光路，該光路可以將入射光分為兩束線偏振光進行相互干涉，其中一路線偏振光通過相位調制器，與另一線偏振光產生相位差，兩束光通過干涉后調制出線偏基(45°線偏光和135°線偏光)和圓偏基(左旋圓偏振光和右旋圓偏振光)共四種偏振態。
[0017]所述的高速光相位調制模塊由高速相位調制器和其驅動電路組成，所述的相位調制器為基于電光效應的調制器，調制器所用的晶體可以為KDP晶體或鈮酸鋰晶體等，當外加在晶體上的電場改變時，晶體介質折射率隨之線性變化，從而實現對光的調制；所述的驅動電路由四路構成(分別對應0、31 /2、31 ,3 31/2的相移)，由高速邏輯控制芯片隨機驅動任意一路。
[0018]所述的高速邏輯控制芯片可以為現場可編程門陣列(Field Programmable GateArray,FPGA)或集成電路 ASIC(Applicat1n Specific Integrated Circuits，ASIC)等邏輯單元，所述的ASIC芯片為按系統要求加工制作的集成電路，因其可以量身定制故比同等工藝的FPGA執行速度塊，由于可以節省在FPGA中的一些沒有使用的邏輯資源故大規模生產時成本很低。
[0019]所述的光衰減器為一種衰減可調的光纖器件，通過保偏光纖與偏振態產生光路連接，將調制后的光脈沖信號衰減到量子態水平，產生共九種量子態:三種強度光脈沖，平均每脈沖光子數分別為μ = O、μ = 0.2、μ = 0.6，即零光子態、誘騙態和信號態(數量比為1:1:3);其中平均每脈沖光子數為μ =0.2、μ =0.6的兩種光脈沖信號又分別包含四種偏振態(45°線偏光、135°線偏光、左旋圓偏振光和右旋圓偏振光)。
[0020]本發明的有益效果:
[0021]⑴、本發明采用一個激光二極管調制出九種量子態，有利于工程的集成化。
[0022]⑵、本發明采用外調制的方法調制光脈沖的強度，調制出的不同量子態的光脈沖具有很好的一致性，克服了內調制由于光脈沖形狀、幅值、脈寬不一致造成安全漏洞的問題。
[0023]⑶、本發明采用的量子態產生方案易于控制和同步，在高頻段如GHz甚至超高頻同樣適用。
[0024]⑷、本發明采用高速邏輯控制芯片作為主控制器使系統具有高度的可靠性和穩定性。
[0025](5)、本發明采用先對光脈沖進行強度調制再經過偏振態產生光路產生四種偏振態的方法，避免了強度調制器的偏振相關性，即避免了不同光偏振態進入強度調制器時出現不同的強度調制結果，進一步增加了系統的安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發明裝置結構示意圖；
[0027]圖2為本發明實施例中的FPGA同步示意圖；
[0028]圖3為本發明實施例中的ASIC芯片同步示意圖；
[0029]圖4為本發明實施例結構示意圖；
[0030]圖5為本發明實施例的超短激光脈沖時序圖；
[0031]圖6為本發明實施例的尚速光強度調制I旲塊不意圖；
[0032]圖7為本發明實施例的高速光強度調制模塊光脈沖強度調制時序圖；
[0033]圖8為本發明實施例的高速光相位調制模塊中光脈沖相位調制時序圖；
[0034]圖9為本發明實施例的偏振態產生光路不意圖。

【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細描述，但不僅限于以下實施例。
[0036]參閱圖4，本實施例激光源為中心波長1550nm、重復頻率為1.25GHz的超短脈沖激光器，脈寬在30ps左右，依次通過高速光強度調制器模塊和偏振態產生光路以及光衰減器后產生包括九種量子態的誘騙態光源。
[0037]參閱圖2及圖3，本實施例中要使用到1.25GHz的隨機數信號，由邏輯芯片輸出并和超短脈沖激光器的觸發信號同步，由隨機數芯片產生基于白噪聲的真隨機數，送入邏輯芯片進行處理后將隨機數信號送給光強度調制模塊和光相位調制模塊使用，同時邏輯芯片輸出1.25GHz觸發信號給超短脈沖激光器，并與隨機數信號進行同步。
[0038]參閱圖5，超短脈沖激光器所發出的光脈沖為線偏振光，間隔為800ps，然后進入光強度調制模塊，進行三種光強度的隨機調制。使用的強度調制器要求有很高的消光比和很寬的帶寬，此處使用消光比為30dB帶寬為12GHz的鈮酸鋰強度調制器；強度調制器和其外圍驅動電路如圖6所示，該強度調制器的半波電壓為6.5V，即所加的直流偏置電壓的大小。整個強度調制模塊通過邏輯芯片控制和同步，邏輯芯片每個時鐘周期產生三種兩位隨機數00、01、10，并且控制這三種隨機數的比例為1:3:1，脈沖整形放大模塊I和2分別對應1:和I2 (其中I1 = I2= 3:1)，分別由隨機數01和10觸發，產生00隨機數時兩路均不觸發，此時無光輸出，對應零光子態，故此時I1U2A三種光強光脈沖數量的比例為3:1:1 ;其中脈沖整形放大模塊I和2輸出的調制電壓信號通過寬帶功率合成器耦合后驅動強度調制器。信號的調制時序如圖7所示，由邏輯芯片產生的隨機數隨機觸發的三種調制電壓脈沖經過同步后分別調制每個光脈沖信號，然后隨機輸出I1、I2、0三種光強(其中I1:12= 3:1且三種光強脈沖數量比為3:1:1)。
[0039]然后包含三種不同光強的光脈沖經過光環行器后進入四口 PBS，如圖9所示，每個光脈沖分為偏振方向互相垂直的A光和B光，A光依次通過相位調制模塊、PBS和法拉第反射鏡FM后再次到達PBS，此時由于A光通過法拉第轉鏡后偏振態旋轉了 90°，故再次進入PBS時會透射出光的路徑則相反，依次經過FM、PBS、相位調制模塊后再次到達PBS。因為兩光傳輸路徑完全相同，故此時A光和B光重新在PBS處匯聚發生干涉。其中只對A光進行相位調制，時序如圖8所示，調制脈沖在每周期內分別與A光的脈沖序列對齊，并確保與A光同時射入的B光通過相位調制器之前將調制脈沖關斷，即調整光纖的長度使A光和B光在到達相位調制器時所通過的路程差為L，光在光纖中傳播速度為2X 108m/s，使B脈沖正好在兩個A脈沖中間通過調制器，即使A和B兩脈沖通過調制器的時延為400ps，則
[0040]L = 2 X 108m/s X 400ps = 8cm
[0041]而調制電脈沖的寬度控制在300ps左右，可以確保只調制A光。該光路中除連接FM和PBS的光纖為單模光纖外其余光纖均為保偏光纖。
[0042]相位調制電脈沖信號的電路共有四路，如圖9所示，分別對應相位調制器調制產生0、31 /2、31,3 31/2相移所需電壓，然后通過寬帶功率合成器將每個時鐘周期的調制電壓合成一路后驅動相位調制器(與強度調制器驅動電路類似)，使A光相對B光分別產生0、31/2、、3 /2的相位差，然后在PBS重新匯聚時進行干涉，分別產生45°線偏光、左旋圓偏振光、135°線偏振光和右旋圓偏振光共四種偏振態。其中由邏輯芯片輸出1.25GHz的隨機數，在每個時鐘周期隨機觸發一路驅動電路，即通過該光路可以產生四種偏振態。
[0043]然后光脈沖信號通過光環行器后到達衰減可調的光衰減器衰減到單光子水平，共三種強度光脈沖，平均每脈沖光子數分別為μ =0、μ =0.2、μ = 0.6，即零光子態、誘騙態和信號態(數量比為1:1:3);其中平均每脈沖光子數為μ =0.2、μ =0.6的兩種光脈沖信號又分別包含四種偏振態(45°線偏光、135°線偏光、左旋圓偏振光和右旋圓偏振光)，故此時得到包含九種量子態的誘騙態光源。
【權利要求】
1.一種外調制的高速誘騙態量子光源的制備方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟: 首先由超短脈沖激光器發出高重復頻率的線偏振光脈沖，然后進入高速光強度調制模塊，將原本強度相同的光脈沖信號隨機調制成三種不同光強度的光脈沖信號，光強分別為O、I1, I2，其中I1 = I2= 3:1,即分別為信號態和誘騙態，然后進入偏振態產生光路隨機產生四種偏振態:45°線偏光、135°線偏光、左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，再經過光衰減器衰減后輸出三種光強、四種偏振態共九種量子態；其中，超短脈沖激光器的觸發信號、相位調制模塊和強度調制模塊的隨機數均由高速邏輯控制芯片輸出并同步。
2.—種外調制的高速誘騙態量子光源的裝置，其特征在于該裝置包括超短脈沖激光器、高速光強度調制模塊、偏振態產生光路、高速光相位調制模塊、光衰減器和高速邏輯控制芯片，其中，超短脈沖激光器連接高速光強度調制模塊，高速光強度調制模塊連接偏振態產生光路，偏振態產生光路分別連接高速光相位調制模塊及連接光衰減器，高速邏輯控制芯片分別連接超短脈沖激光器、高速光強度調制模塊及高速光相位調制模塊。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于所述超短脈沖激光器為電脈沖驅動的半導體激光二極管，發出的激光脈沖的重復頻率達GHz，光脈沖寬度為皮秒量級。
4.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于所述高速光強度調制模塊，由高速光強度調制器和外圍驅動電路組成，通過光纖與所述超短脈沖激光器相連，對其產生的超短光脈沖進行強度調制，所述高速光強度調制器為基于電光效應的光強度調制器，消光比要求較高；所述的驅動電路由兩路構成，每個時鐘周期由高速邏輯控制芯片選擇隨機驅動一路或兩路均不觸發，分別產生I” 12、0三種光強，其中I1 = I2= 3:1，分別對應信號態和誘騙態。
5.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于所述偏振態產生光路由光纖器件組成，為薩格奈克(Sagnac)干涉環或基于“plug-play”的光路，該光路能夠將入射光分為兩束線偏振光進行相互干涉，其中一路線偏振光通過相位調制器，與另一線偏振光產生相位差，兩束光通過干涉后調制出線偏基和圓偏基，共四種偏振態；其中，線偏基為45°線偏光和135°線偏光，圓偏基為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。
6.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于所述高速光相位調制模塊由高速相位調制器和外圍驅動電路組成，所述的相位調制器為基于電光效應的調制器，調制器所用的晶體為KDP晶體或鈮酸鋰晶體，當外加在晶體上的電場改變時，晶體介質折射率隨之線性變化，從而實現對光的調制；所述外圍驅動電路由四路構成，分別對應O、31 /2、31,3 31/2的相移；由高速邏輯控制芯片隨機驅動任意一路。
7.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于所述的高速邏輯控制芯片為現場可編程門陣列FPGA或集成電路ASIC邏輯單元。
8.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于所述光衰減器為一種衰減可調的光纖器件，通過保偏光纖與偏振態產生光路連接，將調制后的光脈沖信號衰減到量子態水平，產生共九種量子態:三種強度光脈沖，平均每脈沖光子數分別為μ = O、μ = 0.2、μ = 0.6，即零光子態、誘騙態和信號態，數量比為1:1:3 ;其中平均每脈沖光子數為μ =0.2、μ =0.6的兩種光脈沖信號又分別包含四種偏振態即45°線偏光、135°線偏光、左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。
【文檔編號】H04L9/08GK104506308SQ201410829114
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月23日 優先權日:2014年12月23日
【發明者】曾和平, 趙林, 陳杰, 梁焰 申請人:上海朗研光電科技有限公司