[发明专利]强度调制装置和方法及其在量子密钥分发系统中的应用

说明书

本发明提出了一种自稳定的强度调制装置及方法，以及它在量子密钥分发系统中的应用。该强度调制装置可以包括分束器和相位调制器，其中分束器的反射和透射输出端通过保偏光纤连接形成双向环光路，为分束器分出的两个分量提供完全一致的光路，以在两个分量上形成与外部环境无关的调制相位差，并利用两个分量的干涉结果作为强度调制输出，从而提供改善的对比度、稳定性和调制范围。

技术领域

本发明涉及光学强度调制技术领域，更具体地涉及用于诸如量子密钥分发系统的光学强度调制装置和方法，以及利用其进行诱骗态编码的方法和生成脉冲的方法。

背景技术

量子通信作为国际通信领域的新兴方向和研究热点之一，近年研究进展较快，实用范围较广，相对于传统的通信领域，有了质的提高。而量子通信的关键点之一，就是量子秘钥分发。量子秘钥分发利用量子力学的基本原理，将随机数比特序列用光子承载，通过传统信道建立起一套量子秘钥，由此实现量子秘钥分发。由于量子不可复制等量子力学特性，量子密钥分发在原理上是绝对保密的，无法被窃听。因此，量子密钥分发相对于传统通信，有着无可比拟的优势。

在量子密钥分发系统中，信号光在由激光器产生之后，需要通过强度调制，来适配整个系统对光强度的要求。这就需要有相应的光强度调制的方案和装置,来提供对光信号强度的调制。现有的诸多强度调制方案中，最常用、也是实用范围最广的方案就是基于等臂干涉仪的强度调制方案。图1示意性地给出了基于等臂干涉仪的强度调制器的等效光路。如图1所示，这种强度调制器包括一个等臂干涉仪及偏振分束器，其中在等臂干涉仪的一个臂上设有相位调制器。在干涉仪的入口处，入射信号光由分束器分成两束光，分别沿着等臂干涉仪的两臂传输，其中一臂上的相位调制器对该路的光加上附加的相位。由于臂长相同，两路光在干涉仪的出口处同时汇合并且发生干涉，其相位差(相位调制器附加)决定了这两路光的干涉强度，从而达到强度调制的效果。

然而现有的这种方案，由于引入了等臂干涉仪，使得干涉仪的两臂臂长必须严格一致，以此来保证干涉的效果。但是在实际应用过程中，干涉仪的两臂臂长很难确保严格一致，所以导致干涉对比度不佳，产生的效果就是调制的对比度不高，也即调制最大光强和最小光强的比例不高，一般商用强度调制器的对比度典型值为100:1。除此之外，干涉时两臂的相位差也不能保持长期的稳定性,例如干涉仪两臂的长度容易受到温度等外界环境的影响而发生变化，这种变换将会在最后复合的信号上引入一个不希望且未知的相位差Δθ，从而造成强度调制结果产生漂移，为此通常还需要额外增加相应的强度反馈装置来弥补这种未知的变化。这就使在实际中该方案的强度调制效果不佳，稳定性不好，结构复杂，且成本较高，不利于大规模集成化的推广与应用。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种基于萨格纳克效应的强度调制方法和装置。在本发明中，利用萨格纳克双向环结构为用于干涉的两个光分量提供了完全一致的光路，解决了现有技术中两个光路难以保持稳定一致的问题；同时，通过对两个光分量进行不同的相位调制以在两者之间形成调制相位差，从而产生不同的干涉结果，实现对输出光强的控制。

根据本发明的一个方面，公开了一种无需额外相位反馈、可自行消除外部干扰而自行保持稳定的强度调制装置。该强度调制装置可以包括保偏的分束器和保偏的相位调制器。

保偏的分束器可以包括第一端口至第四端口，第二端口和第三端口之间可以通过保偏光纤连接以形成一个双向环光路。其中，当第一端口为输入端时，第二和第三端口可以分别为反射和透射输出端；当第二端口为输入端时，第一和第四端口可以分别为反射和透射输出端。

保偏的分束器可以被配置成在第一端口处接收待调制的光，并将待调制的光分成第一分量和第二分量。其中，第一分量和第二分量可以分别在分束器的第二和第三端口输出进入双向环光路。

保偏的相位调制器可以被设置在双向环光路中，且被配置成对第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成一个调制相位差Δθ。