具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前，现在的相位补偿方式主要有三类|，分别如下：

(1)改进干涉环的结构来以适应的补偿相位漂移，通过光路结构的补偿，或利用法拉第镜等光学仪器，使得光路来完成自补偿。该种补偿方案目前可以有效地补偿由于双折射效应所引发的相位漂移，且无需外加电子控制系统，但目前常用的“Plug-and-Play”系统容易遭受特洛伊木马攻击。

(2)被动补偿，通过良好的隔温措施和减震措施来降低温度变化造成的或者振动造成的应力导致的光纤相位漂移。然而，该种方法只能将相位漂移控制在一个较低值，从原理上不可能完全控制温度等物理量。

(3)主动补偿，通过外部电子控制系统主动捕捉搜索相位漂移的参数并利用相位调制器进行补偿。该种方法可以较为准确的将相位的漂移值进行补偿，但需要耗费一部分的通信码元进行相位捕捉。

为此，本申请实施例提供了一种光纤干涉环主动相位补偿方法、装置，可以以更少的成本带来相应的相位补偿效果等。下面通过实施例进行描述。

实施例1

请参照图1，本实施例中提供一种光纤干涉环主动相位补偿方法，应用于光纤干涉环主动相位补偿装置。

下面对该光纤干涉环主动相位补偿装置进行说明。

如图2所示，该光纤干涉环主动相位补偿装置包括干涉环、多个温度传感器、处理器。其中，干涉环包括通过光纤连接的分束器、耦合器和相位调制器，将分束器与耦合器之间的两条光纤光路分别作为第一臂和第二臂；相位调制器位于第一臂或第二臂上。上述处理器与多个温度传感器电性连接。

各个温度传感器设于第一臂和第二臂上，用于测量得到第一臂和第二臂上的预设测温点的实时温度。示范性地，上述各个温度传感器在第一臂和第二臂上按照一定的间隔分布，可选地，可以高密度地使用数字温度传感器以达到较高的空间分辨率，从而在温度场复杂的环境仍能实现高精度的测量。

可选地，该光纤干涉环主动相位补偿装置还包括减震平台，可将上述干涉环等装置安装于该减震平台上。

通常地，在相位编码的量子密钥分发过程中，温度变化对干涉环的影响远远大于机械振动，所引起的相位漂移占绝大部分，是导致通信系统中误码的主要因素，而振动引起的相位漂移可以通过较为简单的减震措施达到很好的控制。可以理解，通过良好的隔温措施和减震措施来降低温度变化造成的或者振动造成的应力导致的光纤相位漂移，在基于被动补偿的基础上再结合该主动相位补偿方法，可以使得相位补偿的效果更好。

基于上述的光纤干涉环主动相位补偿装置，下面对该光纤干涉环主动相位补偿方法进行说明。

待处理信号光经分束后分别进入第一臂和第二臂中。示范性地，待处理信号光经上述分束器后分为两个光路，分别进入干涉环的第一臂和第二臂。本实施例中的光纤干涉环主动相位补偿方法可以用于使用不同形式干涉环的通信方法中，可选地，上述干涉环可以采取马赫曾德(MZ，Mach-zehnder)干涉环或法拉第迈克尔逊(FM，Faraday-Michelson)干涉环的结构。例如，本实施例中的方法可以应用量子密钥分发系统中，上述待处理信号光可以是量子密钥分发系统中的待调制(Alice端)或待解调(Bob端)的信号光，进入干涉环部分后，待处理信号光分为两光路，分别进入上述干涉环的两臂。

步骤S110，基于温度传感器测量得到第一臂和第二臂上的预设测温点的实时温度。

示范性地，根据预设测温点在第一臂和第二臂上设置的位置不同，可以获得干涉环中不同位置的温度，即可以基于温度传感器测量得到光纤位置和温度的对应关系。如图3所示，实线为初始温度，虚线为实时温度，阴影区域为实时温度与初始温度的差值，其中，初始温度可以是在通信系统开始通信之前预先获得的干涉环中各预设测温点的温度，实时温度可以是开始通信后各个时刻测量得到的各预设测温点的温度。

上述预设测温点在第一臂和第二臂上密集分布，即可以按照一定的间隔分布，通常地，预设测温点的间隔越小即温度传感器分布得越密集，可获得的光纤位置和温度的对应关系越接近实际情况、越精确，因此，在实际实验操作中，上述预设测温点的间隔可以根据实验所需的测温精度和温度传感器的大小及成本等来确定。

步骤S120，根据第一臂和第二臂的初始温度和实时温度计算第一臂和第二臂之间的相位差值。

示范性地，上述装置中的处理器可以根据温度传感器测量得到的第一臂和第二臂的初始温度和实时温度数据来计算第一臂和第二臂之间的相位差值。例如，温度传感器可以按照一定的时间频率采集实时温度数据发送至处理器，由处理器基于这些温度数据计算出两臂相较于初始温度的相位差值。其中，时间频率取决于系统的温度变化速率，以不进行被动补偿的通信系统为例，其温度稳定时间约为20ms，则采集频率不可低于50Hz。

示范性地，如图4所示，步骤S120可以包括：

步骤S121，根据第一臂和第二臂的初始温度和实时温度按照第一公式计算第一臂和第二臂的实时臂长。

在上述装置的基础上，通过减震措施控制机械振动的影响后，振动造成的相位变化远远小于温度因素的影响，因此下面主要分析如何补偿温度变化造成的相位漂移。通常地，环境温度变化会造成光纤长度变化，即影响干涉环的光程发生变化，进而产生相位漂移，因此可以通过光纤长度变化来求出相位漂移。可以理解，若已知光纤的热膨胀系数和光纤各位置的温度变化，根据热膨胀公式可以得出光纤长度的变化。示范性地，可以由第一公式计算出干涉环其中一臂的实时臂长，其中，实时臂长为某时刻温度变化后的臂长。例如，可以将某位置的温度差值乘上预设测温点的间隔和热膨胀系数来得到某位置的臂长变化，将各个位置的臂长变化积分可以得到总的臂长变化，此时，第一公式可以表述为：

其中，α为光纤的热膨胀系数，T_a1为第一臂的实时温度，T_a0为第一臂的初始温度；T_b1为第二臂的实时温度，T_b0为第二臂的初始温度；L_a0为第一臂的初始臂长，L_b0为第二臂的初始臂长，L_a1为第一臂的实时臂长，L_b1为第二臂的实时臂长。其中，初始臂长通过预先测量获得。

可以理解，基于光纤位置和温度的对应关系，可以根据获得的实时温度和初始温度按照上述公式计算得出实时臂长，从而得到臂长的变化。由上述预设测温点的设置可知，当按照上述第一公式进行积分计算时，当预设测温点的间隔足够小并满足实验精度的要求时，可以基于如图3所示的光纤位置和温度的对应关系，根据获得的各位置的温度变化及初始臂长来计算得出实时臂长。

步骤S122，根据第一臂和第二臂的实时臂长按照第二公式计算第一臂和第二臂之间的相位差值。

通常地，若干涉环两臂的臂长不相等，则因固有的不对称性干涉环有常量相位差，若干涉环两臂臂长相等，则常量相位差为零。这里将以臂长相等的情况为例，由于温度对两臂长度带来的改变可能不同，示范性地，可以由第二公式计算得出干涉环中发生干涉的两个信号光的相位差，第二公式为：

其中，n为光纤纤芯的折射率，λ为待处理信号光的波长，为第一臂的相位差，为第二臂的相位差，为第一臂和第二臂之间的相位差。

而对于第一臂的相位差，示范性地，第一臂由温度变化所引起的相位漂移值可以通过以下第三公式进行计算：

同理，第二臂由温度变化所引起的相位漂移值可以通过以下第四公式进行计算：

进一步地，由第四公式和第五公式可以得出，温度变化引起的两臂相位差也可以通过以下公式进行计算：

通常地，当信号光波长、光纤材料、干涉环臂长、通信未开始时标定的初始温度以及通信时某时刻干涉环各点温度即实时温度已知时，可通过上述公式求出任一时刻两臂由温度漂移引起的相位偏差。可以理解，除了某时刻的各点温度即实时温度以外，上述其他物理量在通信开始时均为确定值，可以将该计算得到的相位差值以电压的形式输入相位调制器后，即可完成对光纤相位漂移的补偿。

步骤S130，根据相位差值对第一臂或第二臂中的信号光进行相位补偿。

示范性地，处理器按上述方法完成两臂相位差值的计算后，可以根据计算得到的两臂相位差值，产生相对应的电压控制信号，并将该电压控制信号传输至相位调制器，由相位调制器完成对该通信系统中温度变化所引起的相位漂移值的补偿。其中，上述装置中的相位调制器可以位于第一臂或第二臂上，可以理解，根据线性电光效应，相位调制器的有效折射率与外部加载的电压成线性变化，即可以通过改变施加在相位调制器上的驱动电压来改变通过相位调制器的光的折射率从而实现光的相位调制。此外，当相位调制器设置的位置不同时，处理器的控制算法可以根据需求相对应地进行修改。

步骤S140，将经过补偿的两路信号光耦合输出，以得到相位补偿后的信号光。

示范性地，待处理信号光经分束器后分为两路光信号光，分别进入第一臂和第二臂，然后两路信号光经上述装置中的耦合器输出，当通信后相位补偿装置开始工作后，可以由耦合器输出得到相位补偿后的信号光。

通常地，制作干涉环时的环境温度时和通信时可能不同，因而会导致光纤干涉环在通信开始前的相位差并不是预设标准相位差，因此通信前需要对干涉环的相位差进行校准。

在一种实施方式中，如图5所示，步骤S110之前还包括：

步骤S111，调整第一臂和第二臂的臂长以使两臂的相位差达到预设相位差标准值，及测量得到第一臂和第二臂各自的初始臂长。

步骤S112，测量得到第一臂和第二臂在预设测温点的初始温度。

在实际实验环境中，通过调节臂长较难精确地使相位差达到预设相位差标准值，示范性地，可以通过臂长进行粗调，每调节一次臂长都记录一段温度数据和相位差数据，直至出现预设相位差标准值，此时可以固定臂长即得到初始臂长。与初始臂长对应的温度数据作为初始温度，用于求出通信后的环境温度变化。

本申请实施例提供的光纤干涉环主动相位补偿方法基于温度的测量，通过测得的温度由处理器计算出相应需要补偿的相位，从而向相位调制器发送对应补偿电压完成相位补偿的方法，由温度所引起的相位漂移参数是间接得到的，可以在不消耗更多码元进行监测的情况下完成对温度相位漂移的补偿；并且在不进行中断或时分复用的情况下完成补偿，有更高的成码率。此外，本实施例中的方法所需电子设备均较为小型，便于集成为仪器进行使用。

实施例2

请参照图2，本申请提供一种光纤干涉环主动相位补偿装置，包括干涉环、多个温度传感器、处理器。其中，干涉环包括第一臂和第二臂，用于对待处理信号光进行分束以得到两路信号光，两路信号光分别进入第一臂和第二臂中。

各个温度传感器设于第一臂和第二臂上，测量得到第一臂和第二臂上的预设测温点的实时温度。

处理器与多个温度传感器电性连接，用于根据第一臂和第二臂的初始温度和实时温度计算第一臂和第二臂之间的相位差值。

干涉环还用于根据相位差值对第一臂或第二臂中的信号光进行相位补偿，并将经过补偿的两路信号光耦合输出以得到相位补偿后的信号光。

在一种实施方式中，干涉环包括通过光纤连接的分束器、耦合器和相位调制器，分束器用于对待处理信号光进行分束，耦合器用于将经过补偿的两路信号光耦合输出；相位调制器用于对干涉环中的信号光进行相位补偿。其中，分束器与耦合器之间的两条光纤光路分别作为第一臂和第二臂；相位调制器位于第一臂或第二臂上。

可选地，上述相位补偿装置还包括减震平台，干涉环安装于减震平台上。可以理解，本实施例的装置对应于上述实施例1的方法，上述实施例1中的可选项同样适用于本实施例，故在此不再重复描述。

本申请还提供了一种量子密钥分发系统，包括根据前述实施方式中任一项的光纤干涉环主动相位补偿装置。

本申请实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的系统、装置的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。