[发明专利]基于直波导调制器的偏振控制系统、方法及量子密钥分发系统

说明书

本发明公开了一种偏振控制系统、方法及量子密钥分发系统。根据本发明的方法，要先后利用第一和第二电光晶体对信号光进行相位调制，其中信号光在第一电光晶体中分别作为o光和e光传播的水平偏振光分量和垂直偏振光分量在第二电光晶体中分别作为e光和o光传播，且第一和第二电光晶体中的调制电场均平行于相应电光晶体的o光或e光偏振方向，且大小相同，但关于相应电光晶体的o光或e光偏振方向所在直线的相对方向彼此相反，因此通过控制调制电场可以方便地控制最终信号光的偏振态。

技术领域

本发明涉及一种光学偏振控制技术，更具体涉及一种基于直波导调制器的偏振控制系统及方法，其尤其适用于量子密钥分发中的偏振编码。

背景技术

BB84协议作为国际上首个量子密钥分发协议，是由美国科学家CharlesH.Bennett和加拿大科学家Gilles Brassard在1984年提出的。时至今日，BB84协议已成为应用和研究范围最广、技术最成熟的量子密钥分发协议。BB84协议的核心思想是量子不确定性原理，通过随机发送2组非正交基矢下的量子态，能保证窃听者在量子力学的理论范围内不能对这个量子态进行有效窃听。

通常，利用偏振或相位的方式对信息进行编解码来实现基于BB84协议的密钥分发。其中，偏振编码方案具有成本低、插损小、成码距离高等优点，因而受到广泛关注。随着光纤通信的飞速发展和普及，基于光纤干涉仪结构的偏振编码方案也一直在不断更新。现有技术采用的偏振编码结构可大致分为两种：基于同一路径的光纤干涉仪结构和基于不同路径(双臂)的光纤干涉仪结构。具有代表性的，基于同一路径的光纤干涉仪结构包括Sagnac干涉环及其衍生结构。基于不同路径的干涉仪结构包括MZ干涉仪结构、FM干涉仪结构等。

基于同一路径的干涉仪通常由偏振分束器、光纤干涉环、偏离环中心的相位调制器构成。实现偏振编码的方式为：利用偏振分束器将入射光脉冲分为偏振方向正交的两路光脉冲Λ1和Λ2，两路脉冲在干涉环中沿相反方向传播，驱动相位调制器对其中一路光脉冲进行相位调制，使其产生相移，另一路光脉冲经过相位调制器时不产生相移，两路光脉冲同时返回偏振分束器时存在相位差，合束输出后偏振态发生变化。通过改变相移量的大小，即可调控输出光的偏振态。公开号为CN103969841A、CN103475425B、CN103618598B、CN104579564A的中国发明专利公开了这种基于Sagnac环及其衍生结构的偏振控制系统。但是，对于基于同一路径的干涉仪结构，随着编码速率的提高，必然会出现两路光脉冲Λ1和Λ2同时经过相位调制器的情况，影响对输出光偏振态的精确控制。因此，这类方案必然存在由结构导致的编码速率上限。

基于不同路径的干涉仪通常由输入端偏振分束器、由光纤构建的干涉仪上臂和下臂、相位调制器、输出端偏振合束器构成。实现偏振编码的方式为：利用偏振分束器将入射光脉冲分为偏振方向正交的两路光脉冲Λ1和Λ2，分别沿干涉仪上臂和下臂传输，相位调制器位于干涉仪上臂或下臂，对通过该条路径的光脉冲进行相位调制，另一条路径上的光脉冲不经历相位调制。两路光脉冲Λ1和Λ2到达偏振合束器时存在相位差，合束输出后，光的偏振态发生变化。通过改变相移量的大小，即可调控输出光的偏振态。通常，要求干涉仪上下臂严格等光程，即光脉冲Λ1和Λ2同时到达偏振合束器。现有公开号CN1477808A的中国发明专利公开了一种基于等臂MZ干涉仪结构的偏振编码方案。而现有公开号CN106850213A提出可以利用不等臂干涉仪实现基于BB84协议的量子密钥分发，但要求编码端和解码端的干涉仪长臂、短臂分别等光程。也就是说，基于不同路径的光纤干涉仪结构实现偏振编码，均要求对两条干涉臂光程的精确控制，然而在实际制作时，很难严格控制干涉仪臂长，工艺上存在较大困难。

另外，偏振编码要求实现高速且精确的光子偏振态控制，然而光子偏振态易受到光纤震动、形变等影响，导致偏振态编码准确度降低或不稳定。因此，基于光纤干涉仪结构的偏振编码方案还存在易受到光纤偏振扰动影响的劣势。

发明内容