一种硅基集成的量子诱骗态强度调制模块和方法
阅读说明：本技术 一种硅基集成的量子诱骗态强度调制模块和方法 (Silicon-based integrated quantum decoy state intensity modulation module and method ) 是由 韦克金 杜永强 赵震庚 张振荣 余宇 刘巍 石洋 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种硅基集成的量子诱骗态强度调制模块,将入射端可变光衰减器与所述第一级多模干涉耦合器连接,第二级多模干涉耦合器与光功率检测器连接,在第一级多模干涉耦合器和第二级多模干涉耦合器之间设有N条光臂,在第1条光臂上设有第一可变光衰减器,其余光臂上均依次串联有可变光衰减器、热调谐型相移器和载流子色散型相移器。本发明还公开了该量子诱骗态强度调制模块对诱骗态强度的调制方法。本发明的调制模块可集成在芯片上,芯片上的相移器工作在0电压或者半波电压就可以实现多种诱骗态强度的调制,拓展了强度的可调范围,增加了强度调节的灵活性、稳定性。(The invention discloses a silicon-based integrated quantum decoy state intensity modulation module, wherein an incident end variable optical attenuator is connected with a first-stage multimode interference coupler, a second-stage multimode interference coupler is connected with an optical power detector, N optical arms are arranged between the first-stage multimode interference coupler and the second-stage multimode interference coupler, a first variable optical attenuator is arranged on the 1 st optical arm, and a variable optical attenuator, a thermal tuning type phase shifter and a carrier dispersion type phase shifter are sequentially connected in series on the other optical arms. The invention also discloses a method for modulating the decoy state intensity by the quantum decoy state intensity modulation module. The modulation module can be integrated on a chip, and the phase shifter on the chip can realize the modulation of the intensity of various decoy states by working at 0 voltage or half-wave voltage, thereby expanding the adjustable range of the intensity and increasing the flexibility and the stability of intensity adjustment.)
技术领域
本发明属于光传输安全通信技术领域，涉及一种硅基集成的量子诱骗态强度调制模块和方法。
背景技术
随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。随着量子计算等新兴技术的发展，传统的通信体系将受到极大的考验，而基于量子不确定性原理和不可克隆原理的量子通信在理论上可以实现通信的无条件安全。目前量子通信的常用方法和思路是量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)技术，其主要部分包括信号编码、传输、解码等过程。
单光子源对QKD系统而言是理想的光源，但现有的单光子源的单光子效率低且制造难度大成本高。所以目前普遍使用的光源是有一定概率发送多光子的弱相干光源，这就为窃听者进行光子数分离攻击提供了可能，很大程度上影响了QKD系统的性能。为了克服光子数分离攻击，科学家提出了诱骗态QKD协议，大幅提高了QKD系统的性能和实用性，为QKD系统商业化提供了可能。所以目前几乎所有的QKD系统都采用诱骗态的协议。完成诱骗态QKD协议的关键之一是对诱骗态强度的调制，现有的强度调制方法主要有基于马赫曾德干涉仪的强度调制器和基于萨格纳克环干涉仪强度调制器。存在易受环境影响、强度输出稳定性差、容易引起模式效应等缺点。例如，基于马赫曾德干涉仪的强度调制器对电信号干扰非常敏感，系统的输出信号无法稳定，同时由于相位调制器工作在多个电压，会带来较大的模式效应，影响QKD系统的安全，为了弥补这些缺点，解决方法是主动丢失部分量子比特以增加通信安全性，这样将会导致密钥率降低；萨格纳克环干涉仪强度调制器虽然可以保证信号传输的安全性，但是它可调谐范围小，只可以进行两种强度的调制，无法满足多诱骗态强度调制的要求。因此，现有的强度调制方法都不利于高性能、快速量子密钥分发系统的实现。
同时，现有的量子密钥分发系统主要基于自由空间和光纤器件进行搭建，在这种方式下系统体积大，成本高，很难大规模部署和应用。近年来随着集成光学的发展，使得集成光学元器件可以应用到量子密钥分发系统中，因此为了实现QKD系统大规模部署，集成化是不可缺少的技术攻关。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种硅基集成的量子诱骗态强度调制模块和方法，该调制模块可集成在芯片上，芯片上的相移器工作在0电压或者半波电压就可以实现多种诱骗态强度的调制。
本发明提供的硅基集成的量子诱骗态强度调制模块，包括第一级多模干涉耦合器和第二级多模干涉耦合器、入射端可变光衰减器和光功率检测器，所述入射端可变光衰减器与所述第一级多模干涉耦合器通过硅基光波导连接，所述第二级多模干涉耦合器与所述光功率检测器通过硅基光波导连接，在所述第一级多模干涉耦合器和所述第二级多模干涉耦合器之间设有N条光臂，N≥2；所述入射端可变光衰减器和所述光功率检测器都集成在芯片上，所述光功率检测器处的分光比例为主光路的1/10；
在第1条光臂上设有第一可变光衰减器，所述第一可变光衰减器分别与所述第一级多模干涉耦合器和所述第二级多模干涉耦合器通过硅基光波导连接；其余光臂上均依次串联有可变光衰减器、热调谐型相移器和载流子色散型相移器，所述可变光衰减器与所述第一级多模干涉耦合器通过硅基光波导连接，所述载流子色散型相移器与所述第二级多模干涉耦合器通过硅基光波导连接。本发明还提供了利用上述量子诱骗态强度调制模块进行强度调制方法，包括以下步骤：
(1)信号光通过入射端可变光衰减器进入第一级多模干涉耦合器进行分光；
(2)根据要调制的光强度数量来确定光臂的数量N，将要调制的光强度数量设为n，则光臂的数量N取满足n≤2N-1的最小的N值，并确定这n种信号光的当前调制光强Ij与实验需要的光强度输出集μj；
(3)计算并调节N条光臂上的每个可变光衰减器的衰减比；
(4)调节每条光臂上的热调谐型相移器，补偿由于波导、可变光衰减器等器件引起的初始相位差，使每条光臂上的信号光相位相同；
(5)调节入射端可变光衰减器使得输出最大光强为μ1，此时检测当前调制光强I1，如果I1＝μ1，说明各光路上的光强度已满足实验要求；如果I1＜μ1，说明入射端可变光衰减器对光信号的衰减过多，应调节入射端可变光衰减器，使输入的信号光光强增大，直至I1＝μ1；
(6)根据实验需要的光强度调节各光路上的载流子色散型相移器为0或π，经过第二级多模干涉耦合器进行合束输出，得到n种信号光强度。
其中，在步骤(2)中，令Ij表示当前调制光强，与之对应的μj为实验需要的光强，由于在使用的过程中，N-1个载流子色散型相移器只能允许工作在0电压或者半波电压下，所以将所有可以调节的组合充分利用时，输出强度有
其中，步骤(3)中，计算并调节N条光臂上的每个可变光衰减器的衰减比的方法如下：
将当前调制光强Ij和实验需要的光强度μj其顺序按照强度降序排列；Ij与μj具有如下关系式：
其中表示各光臂未经过可变光衰减器衰减时的输入光强，ηk表示每一条光臂上可变光衰减器的衰减比率，下角标表示从上到下的光臂序号，αk表示每一条光臂上载流子色散型相移器调节的相位差，αk∈{0,π}，下角标同样表示从上到下的光臂序号；
同时，每一种信号光强度应同时满足如下的比例关系式：
根据上述三个方程式确定满足上式关系的N路径分光比ηk，其中k∈(1,2...N)，并对相应的可变光衰减器做出调节。
本发明的有益效果
(1)本发明利用多路径马赫曾德干涉仪，可以通过改变不同路径上的相位来改变系统输出的信号光强度，N条路径最多可以调制出2N-1种强度，实现了调制强度数的指数级增长；
(2)本发明在多路径马赫曾德干涉仪的不同路径上加入了可变光衰减器，以此来灵活地调节多模干涉耦合器的分光比，因此可以根据具体的使用情况调制出不同的信号光强度，同样拓展了强度的可调范围，增加了强度调节的灵活性；
(3)本发明在调制相位时采用热光调制、电光调制的综合方法，先利用热光调制补偿了由于波导等器件带来的相位差，增加了系统输出光强的精确度。再通过电光调制进行高速调节，使器件工作在0电压或者半波电压下，利用了信号极值点处稳定、不易被干扰等性质，极大得提高了系统输出的稳定性；
(4)本发明还增加了功率检测装置，可以用于检测诱骗态强度调制模块在工作过程中光功率输出，同时方便芯片的测试。
附图说明
图1示出本发明提供的量子诱骗态强度调制模块的结构图；
图2示出本发明实施例一提供具有4条光臂的量子诱骗态强度调制模块的结构图。
图中，1-第一级多模干涉耦合器1，2-第二级多模干涉耦合器，3-入射端可变光衰减器，4-光功率检测器，5-第一可变光衰减器，6-第2～N条光臂上的可变光衰减器，7-第2～N条光臂上的热调谐型相移器，8-第2～N条光臂上的载流子色散型相移器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
实施例一具有4条路径的硅基集成的量子诱骗态强度调制模块和方法
图1示出本发明的硅基集成的量子诱骗态强度调制模块，图2示出本发明实施例一提供的具有4条路径的硅基集成的量子诱骗态强度调制模块；
如图2所示，本发明的硅基集成的量子诱骗态强度调制模块包括第一级多模干涉耦合器1和第二级多模干涉耦合器2、入射端可变光衰减器3和光功率检测器4，入射端可变光衰减器3与第一级多模干涉耦合器1连接，第二级多模干涉耦合器2与光功率检测器4连接，在第一级多模干涉耦合器1和第二级多模干涉耦合器2之间设有4条光臂；
在第1条光臂上设有第一可变光衰减器5，第一可变光衰减器5分别与第一级多模干涉耦合器1和第二级多模干涉耦合器2连接；其余光臂上均依次串联有可变光衰减器6、热调谐型相移器7和载流子色散型相移器8，每条光臂上的可变光衰减器6都与第一级多模干涉耦合器1连接，每条光臂上的载流子色散型相移器都与第二级多模干涉耦合器2连接。
使用上述量子诱骗态强度调制模块进行量子诱骗态强度调制的方法，包括以下步骤：
(1)信号光通过入射端可变光衰减器3进入第一级多模干涉耦合器1被分为4条光路；
(2)根据要调制的光强度数量来确定要使用多少路径的马赫曾德干涉仪(即要设多少条光臂)，假设要调节n种光强度，采用N路径的马赫曾德干涉仪。此时在N-1条光臂上有载流子色散型相移器，每一个载流子色散型相移器可以工作在0电压或者半波电压两种状态，也就是说每个载流子色散型相移器的相位α∈{0,π}，因此总的可调节的光强度有2N-1种。同时，路径数N应在满足可实现n种光强模式的同时使N最小，这样可以节省系统功耗，在实际使用时，可以根据实际要调节的诱骗态强度数目n来选择采用几条路径的马赫曾德干涉仪，路径数N取满足n≤2N-1的最小的N值；
在本实施例中，因为有三个光臂上有载流子色散型相移器可以进行相位调节，所以可以调出的信号光强度最多有：I1(0,0,0)、I2(0,0,π)、I3(0,π,0)、I4(π,0,0)、I5(0,π,π)、I6(π,0,π)、I7(π,π,0)、I8(π,π,π)这8种，8种强度已经可以满足目前大多数基于诱骗态协议QKD的要求，N＝4时可以调制出n≤2N-1＝8种强度；
令Ij表示当前调制光强，与之对应的μj为实验需要的光强，在将第一级多模干涉耦合器所有可能的模式充分利用时，
确定这8种信号光强度各自对应的实验需要的强度μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6、μ7、μ8
(3)计算4条光臂上的每个可变光衰减器的衰减比，具体做法如下，
将当前调制光强Ij和实验需要的光强度μj其顺序按照强度降序排列；Ij与μj具有如下关系式：
其中表示各光臂未经过可变光衰减器衰减时的输入光强，ηk表示每一条光臂上可变光衰减器的衰减比率，下角标表示从上到下的光臂序号，αk表示每一条光臂上载流子色散型相移器调节的相位差，αk∈{0,π}，下角标同样表示从上到下的光臂序号；
同时，每一种信号光强度应同时满足如下的比例关系式：
根据上述三个方程式确定满足上式关系的N路径分光比ηk，其中k∈(1,2...N)，并对相应的可变光衰减器做出调节。
(4)调节每条光臂上的热调谐型相移器，补偿由于波导、可变光衰减器等器件引起的初始相位差，使每条光臂上的信号光相位相同；如果光功率检测器检测出功率的最大值，说明此时各光臂上的光信号干涉相长、相位相同，这时所有载流子色散型相移器都在0电压下；
(5)经过(1)～(4)的步骤后，所有的载流子色散型相移器都工作在0电压下，调节入射端可变光衰减器使得输出最大光强为μ1，光强μ1指的是光在第二级多模干涉耦合器处合束后的光强，由于这时已经衰减到了单光子级别，所以应该经过光纤耦合器耦合到光纤中使用芯片外的单光子探测器看当前调制光强I1是否达到μ1，如果I1＝μ1，说明各光路上的光强度已满足实验要求；如果I1＜μ1，说明入射端可变光衰减器对光信号的衰减过多，应调节入射端可变光衰减器，使输入的信号光光强增大，直至I1＝μ1；
(6)最后，根据实验需要的光强度调节各光路上的载流子色散型相移器为0或π，经过第二级多模干涉耦合器2进行合束，输出8种信号光强度。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：面向可编校区块链协议的PCH可撤销方法及系统