[发明专利]极化编码量子通信终端芯片及其应用

说明书

一种极化编码量子通信终端芯片及其应用，包括：设置于基底内相连的极化无关分束器、极化分束器以及片上集成探测器，其中：极化无关分束器的一端在所述量子通信终端芯片的一个端面设有用于接收任意极化编码的光量子比特的开口，另一端分别与极化分束器的输入臂衔接，极化分束器的输出臂分别与各个片上集成探测器衔接，以测量光量子信号。本发明可以较低误码率直接对任意极化编码的量子密钥进行投影测量，具有体积小、重量轻、能耗低、精度高、稳定性强、可扩展空间大的优点，同时大大降低了制造成本和周期、增加接收端的操作便捷度，是发展长期稳定的远距离实用化量子通信系统最具有竞争力的实施方案之一，适用于大范围推广应用。

技术领域

本发明涉及的是一种飞秒激光加工与量子通信领域的技术，具体涉及一种可利用光子极化自由度直接进行编码的量子通信终端芯片及其制造方法。

背景技术

现有量子光学手段实现的量子保密通信实验中，以光子极化自由度编码的方式以其天然的稳定性和功率均衡性等特征被广泛运用，诸多实用化远距离实施的量子通信如诱骗态量子密钥分发等均可采用极化编码。然而宏观光学器件搭建的光量子系统由于尺寸较大、插入损耗大、且易受环境如温度、气流和振动的影响，限制了光量子信息处理的进一步扩展。此外，目前已有的基于硅基芯片的量子通信系列实验由于受限于材料引起的偏振模色散等技术问题，无法实现直接对量子比特的极化自由度进行编码和解码且需要主动调制。

发明内容

本发明针对现有量子通信实施系统宏观光路中的连接误差、接入损耗、接口噪声大以及现有基于硅基芯片中波导由双折射引起的系列问题，提出一种极化编码量子通信终端芯片及其应用，该量子通信终端芯片具有全芯片集成的光学极化无关分束比例可控、极化分束功能的无源结构和片上探测结构，可以较低误码率直接对任意极化编码的量子密钥进行投影测量，具有体积小、重量轻、能耗低、精度高、稳定性强、可扩展空间大的优点，同时大大降低了制造成本和周期、增加接收端的操作便捷度，是发展长期稳定的远距离实用化量子通信系统最具有竞争力的实施方案之一，适用于大范围推广应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种极化编码量子通信终端芯片，包括：设置于基底内相连的极化无关分束器、极化分束器以及片上集成探测器，其中：极化无关分束器的一端在所述量子通信终端芯片的一个端面设有用于接收任意极化编码的光量子比特的开口，另一端分别与极化分束器的输入臂衔接，极化分束器的输出臂分别与各个片上集成探测器衔接，以测量光量子信号。

所述的极化编码量子通信终端芯片包括以下任意一种结构：

i.一个极化无关分束器、两个水平极化分束器以及四个片上集成探测器；

ii.一个极化无关分束器、一个水平的极化分束器、一个光轴倾斜的极化分束器以及四个片上集成探测器；

iii.一个极化无关分束器、一个半波片、两个水平的极化分束器以及四个片上集成探测器；

iv.一个极化无关分束器、两个光轴倾斜的极化分束器以及四个片上集成探测器；

v.一个极化无关分束器、两个波片、两个水平的极化分束器以及四个片上集成探测器。

所述的极化无关分束器的结构采用以下任意一种方式实现：

①一个或两个串联的X型耦合器；

②一个耦合区域呈倾角且不相交的定向耦合器，即定向倾斜耦合器；

③一个光轴重合于芯片法线的平面不相交定向耦合器，即定向水平耦合器。

所述的极化分束器包括：两条带有双折射性质且在耦合区域不相交的波导构成的定向耦合器，其中：定向耦合器的一根输入臂直接与极化无关分束器的一根输出臂相连并接收任意极化编码的光量子比特。