[发明专利]用于时间相位编码的量子密钥分发光芯片及不等臂干涉仪光芯片

说明书

本发明提出了一种尤其适于时间相位编码方案的量子密钥分发光芯片及不等臂干涉仪光芯片，以精确且高效地实现光信号的时间相位编码方案及其变型，其中，通过在时间相位调制模块中采用等臂干涉仪和不等臂干涉仪相结合实现的强度转相位方案，并提出在光芯片上设置延时光路接口以将外设的延时光路接入不等臂干涉仪的光臂上，有效避开了芯片制造中难以蚀刻长的臂长差的困难，使得能够简单且精确地实现不等臂干涉仪中的长的臂长差并允许臂长差的调节，极大提高了光芯片的工作稳定性、性能精确性及配置灵活性。

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，特别涉及一种用于时间相位编码的量子密钥分发光芯片，以及可用于该量子密钥分发光芯片的不等臂干涉仪光芯片。

背景技术

基于量子不确定性原理的量子密钥分发是一种已被理论证明无条件安全的实用化量子通信技术，是当前日益严重的信息安全问题的终极解决方案。随着量子通信向工程化、规模化、高性能深入发展，对投入实际应用的产品要求日益提高，包括设备自身的稳定性、可靠性、可制造性、可测试性、购置成本、运营维护成本等。现有实际器件具有各种性能缺陷和不完美因素，这将日益成为阻碍量子通信产业化飞速发展进程的因素。当代主流通信设备发展、演进方向，无外乎三个方面：1)更小尺寸、更低成本；2)更低功耗，绿色通信；3)更好的稳定性、可靠性和广泛的环境适应性。要解决以上问题，普遍适用的解决方案是持续提高产品的集成度，通过集成电子学、光电和光学单元，降低内部互连复杂度，缩减尺寸，降低功耗，通过封装技术改进机械、气候环境适应能力。因此，对于量子通信产品中光学、光电、电子学功能以及数据处理等综合集成的需求已日益迫切，受到国内外研究机构和产业主流公司的关注与重视。

然而，现有的量子密钥分发方案通常都是基于非光芯片实现方式设计的，直接将其以光芯片方式实现可能存在一些问题。例如，在图1示出的一种传统的用于时间相位编码的量子密钥分发系统中，采用了等臂干涉仪与不等臂干涉仪相结合的方案。然而，在将此方案直接用于实现光芯片时，由于在芯片上刻蚀较长的臂长差存在很大的技术难度，在小型芯片上进行长臂长差的刻蚀工艺难，难以布局，刻蚀一致性差，衰减大，且一旦刻蚀了不能大幅度调整臂长差的设置值等，因此，难以获得满意的用于时间相位编码的量子密钥分发系统的光芯片。

发明内容

针对这一问题，本发明提出了一种用于实现不等臂干涉仪的光芯片，并进一步设计了一种尤其适于时间相位编码方案的量子密钥分发光芯片，以精确且高效地实现光信号的时间相位编码方案及其变型，同时还提供了调试和实验功能，有利于光芯片的工作稳定性及功能扩展。更特别地是，通过在时间相位调制模块中采用等臂干涉仪和不等臂干涉仪相结合实现的强度转相位方案，并提出在光芯片上设置延时光路接口以将外设的延时光路接入不等臂干涉仪的臂上，有效避开了芯片制造中难以蚀刻长臂长差的困难，使得能够简单且精确地实现不等臂干涉仪中的长臂长差并允许臂长差的调节，极大提高了光芯片的工作稳定性、性能精确性及配置灵活性。

具体而言，本发明的用于时间相位编码的量子密钥分发光芯片可以包括用于对光信号进行时间相位编码的时间相位调制模块，所述时间相位调制模块包括级联的第一等臂干涉仪和不等臂干涉仪，其中：

所述第一等臂干涉仪被设置用于通过调制两臂之间的相位差，仅在第一或第二输出端输出光信号，或者同时在所述第一和第二输出端输出光信号且所述光信号之间具有特定相位差；

所述不等臂干涉仪被设置成使由所述第一等臂干涉仪的不同输出端输出的光信号在一个时间周期内出现的时间位置不同；并且，

所述量子密钥分发光芯片上设有延时光路接口，以允许外接延时光路，使其接入所述不等臂干涉仪的两个臂中的至少一个，作为所述臂的一部分。

进一步地，所述第一等臂干涉仪包括第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、形成于所述第一和第二多模干涉耦合器之间的第一和第二臂、以及设置于所述第一和/或第二臂上的第一相位调制器；