一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件制造技术

本实用新型专利技术提出了一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件，包括衬底及缓冲层，缓冲层表面上依次设置有初级光源模块、次级光源模块、光强度调制器模块、不等臂马赫‑曾德尔干涉仪模块及光输出耦合模块，初级光源模块外接电源发出短波长光并激发次级光源模块产生长波长光，其通过光波导输送到光强度调制器模块调制后输出长波长强度调制脉冲光信号并通过光波导输送到不等臂马赫‑曾德尔干涉仪模块，经该不等臂马赫‑曾德尔干涉仪模块输出长波长强度调制和相位调制的光脉冲对信号，并通过该光输出耦合模块向外发射。实施本实用新型专利技术的用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件将光源、调制器及干涉仪集成于一体，更有利小型化，其结构更合理，运行更稳定。

An Integrated Optical Emitter for Quantum Key Distribution

【技术实现步骤摘要】
一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件
本技术涉及量子密钥分配（QKD）系统中的发射装置
，特别涉及一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件。
技术介绍
量子密钥分配（QKD）技术是量子保密光通信的核心技术。量子密钥分配通过光子的量子态的调制发射与解调接收实现保密通信所需密钥分发。量子密钥分配系统中收发双方通过光传输信道对调制后的单光子进行发射和探测，然后按照协议对探测结果进行处理以实现密钥的安全分配。量子密钥分配的安全性是由量子力学的基本原理保证的。量子密钥分配获得的密钥，在一次一密的特定的使用条件下（量子密钥分配获得的真随机密钥、密钥与明文等长、明文与密钥进行“异或”逻辑运算获得密文、一次一密使用），可以实现无条件安全的保密通信。量子密钥分配中相位编码是一种主流的编码方式，由编解码装置完成对光子相位的调制和解调。基于集成光路技术的量子密钥分配编码/解码芯片，将量子态信号的产生、编码/解码、测量过程的各功能部件集成在一片集成光路芯片上，以实现相位编码BB84协议和诱骗态协议的量子密钥分配。影响密钥分配误码率（差错率）的因素有很多，如接收端和发射端光学器件的不理想引起的量子态调制误差，信道的背景噪声，探测器噪声等。因此，在调制光子量子态的发射和检测过程中，所使用的光器件性能对整个系统的特性有重要的影响。存在的问题主要体现在三个方面：系统中各光学器件的参数一致性问题、系统稳定性问题、不能满足设备小型化的问题。量子密钥分配系统基于其物理上绝对安全的特性，是目前密钥分配的最可靠的一种方式。目前实用的量子密钥分配系统多数是基于BB84协议或者其改进协议（B92等），以及必要的补充协议（诱骗态协议等）。按照BB84协议，量子密钥分配的过程是，在发射端（Alice）随机发射一个经过编码的光子，单光子经过（光纤、自由空间等）传输到达接收端，在接收端（Bob）进行解码探测，积累足够的探测结果后按照BB84协议以及诱骗态协议的要求进行处理，生成安全的量子密钥。发射端的光源发出的光经过光强度调制模块（可以用等臂马赫-曾得尔干涉仪加上调相器构成）控制输出光的强度，达到量子密钥分配所需要近似单光子光脉冲的弱脉冲光，光脉冲中的平均光子数小于1（一般为0.1），并按照诱骗态协议的要求插入不同强度的诱骗态光脉冲。在相位编码的量子密钥分配系统中可以用干涉仪实现单光子的相位的编解码。发射端（Alice）和接收端（Bob）各使用一个“不等臂马赫-曾得尔干涉仪（AMZI）”，AMZI的一臂或者两臂上设置有相位调制器。发射端（Alice）和接收端（Bob）的AMZI的两臂光程差相同。光子进入发射端（Alice）的AMZI后随机走干涉仪的“短臂”（S）或者“长臂”（L）两条路径，分别为S光子和L光子。L光子和S光子进入接收端（Bob）的AMZI后，会各自被再次随机分成走“长臂”（L）和“短臂”（S）的两个光子，分别为LL光子和LS光子，以及SL光子和SS光子。因此，到达接收端的AMZI的输出端时可能有四种光子：LL光子、LS光子、SL光子、和SS光子。由于发射端（Alice）和接收端（Bob）的AMZI的两臂光程差相同，因此LS光子和SL光子的到达输出端的时间相同，形成叠加干涉。在发射端（Alice）使用AMZI中的调相器将走长臂的L光子与走短臂的S光子之间的相位差随机调制为{0、π}、{π/2、3π/2}这两组基的各两种状态，共四种状态之一。在接收端（Bob）也使用AMZI中的调相器，随机选取{0、π}、{π/2、3π/2}两组基中的一组，将所述L光子走接收端AMZI的长臂的LL光子或者走短臂的LS光子，以及所述S光子走接收端AMZI的短臂的LS光子或者走短臂SS光子之间的相位差随机调制为{0、π}或者{π/2、3π/2}两组各两个相位状态，共四种状态之一，在接收端AMZI的两个输出端进行单光子测量。在按照BB84协议对测量结果进行处理时，双方基的选择一致时得到的测量结果也是确定的，予以保留，并按照约定分别将发射端发射的量子态（相位）和接收端通过测量确定的量子态（相位）按照协议的约定分别转换为二进制（0，1）码，这样发射端和接收端可以得到相同的密钥。基的选择不一致的测量结果则弃之不用。由此可完成依据相位编码BB84协议的量子密钥分配过程。发射端按照诱骗态协议的要求插入不同强度的诱骗态光脉冲，根据诱骗态协议处理得到安全的量子密钥。现有的相位编码BB84协议的量子密钥分配系统中的发射端和接收端中的光路部分一般采用分立光学元件组成，或者使用光纤和光学器件组成，也有部分采用集成光路的发射端和接收端。现有的部分采用集成光路的发射端和接收端中，使用集成光路的是主要是“不等臂马赫-曾得尔干涉仪（AMZI）”部分。集成光路的AMZI大多采用二氧化硅材料（SiO2）或者硅材料（Si）制作。由于SiO2/Si的材料的特性的限制，无法将光源、光强度调制器与不等臂马赫-曾得尔干涉仪（AMZI）等实现相位编码的量子密钥分配系统的必要器件集成在同一芯片上，不利于量子密钥分配系统发射端的小型化、集成化，系统的稳定性较差。
技术实现思路
为了使装置的稳定性满足长时间运行的需求，除进行复杂的主动补偿外，还需要使用多层隔温、避震。装置的尺寸体积也过于庞大难以用在实用化系统中。量子密钥分配系统的发射端（完成光量子编码发射功能）和接收端（完成光量子探测解码功能）成为制约量子密钥分配系统实用化的关键部件。为解决上述问题，技术了量子密钥分配系统中的关键器件（发射端和接收端）集成光路的解决方案。但是现有的基于硅材料和二氧化硅材料的集成光路方案不能将光源和调制器等功能模块集成进发射端集成光路芯片。为克服上述缺上述缺点，本技术的发射端集成光路芯片上集成了光源、调制器和干涉仪等量子密钥分配系统发射端完成光量子编码发射的全部功能模块。本技术公开了一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件，包括衬底及设置于所述衬底表面上的缓冲层，所述缓冲层表面上依次设置有初级光源模块、次级光源模块、光强度调制器模块、不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块及光输出耦合模块，所述初级光源模块外接电源发出短波长光经过光波导输送到所述次级光源模块的一端，所述短波长光激发次级光源模块产生长波长光，所述长波长光从该次级光源模块的另一端通过光波导输送到所述光强度调制器模块的输入端，经过所述光强度调制器模块调制后输出长波长强度调制脉冲光信号，所述长波长强度调制脉冲光信号通过光波导输送到所述不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块的输入端，经该不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块从其输出端输出长波长强度调制和相位调制的光脉冲对信号，所述光脉冲对信号通过该光输出耦合模块向外发射。进一步地，所述初级光源模块是发出短波长光（336-530nm）的GaN-LED或者GaN-LD，两者任意之一。进一步地，所述次级光源模块包括掺铒GaN光波导，以及设于掺铒GaN光波导两端的光学谐振腔，所述掺铒GaN光波导掺有铒离子，所述初级光源模块发出的短波长光激发所述掺铒离子波导产生适当的增益，并在所述光学谐振腔的作用下发出长波长（1.5微米）激光。进一步地，所述光学谐振腔包括平行解理面反射镜结构、布拉格反射镜结构、分布布拉格反馈结构其中任一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件，包括衬底及设置于所述衬底表面上的缓冲层，其特征在于，所述缓冲层表面上依次设置有初级光源模块、次级光源模块、光强度调制器模块、不等臂马赫‑曾德尔干涉仪模块及光输出耦合模块，所述初级光源模块外接电源发出短波长光经过光波导输送到所述次级光源模块的一端，所述短波长光激发次级光源模块产生长波长光，所述长波长光从该次级光源模块的另一端通过光波导输送到所述光强度调制器模块的输入端，经过所述光强度调制器模块调制后输出长波长强度调制脉冲光信号，所述长波长强度调制脉冲光信号通过光波导输送到所述不等臂马赫‑曾德尔干涉仪模块的输入端，经该不等臂马赫‑曾德尔干涉仪模块从其输出端输出长波长强度调制和相位调制的光脉冲对信号，所述光脉冲对信号通过该光输出耦合模块向外发射。

【技术特征摘要】
1.一种用于实现量子密钥分配的集成光学发射器件，包括衬底及设置于所述衬底表面上的缓冲层，其特征在于，所述缓冲层表面上依次设置有初级光源模块、次级光源模块、光强度调制器模块、不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块及光输出耦合模块，所述初级光源模块外接电源发出短波长光经过光波导输送到所述次级光源模块的一端，所述短波长光激发次级光源模块产生长波长光，所述长波长光从该次级光源模块的另一端通过光波导输送到所述光强度调制器模块的输入端，经过所述光强度调制器模块调制后输出长波长强度调制脉冲光信号，所述长波长强度调制脉冲光信号通过光波导输送到所述不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块的输入端，经该不等臂马赫-曾德尔干涉仪模块从其输出端输出长波长强度调制和相位调制的光脉冲对信号，所述光脉冲对信号通过该光输出耦合模块向外发射。2.根据权利要求1所述的集成光学发射器件，其特征在于，所述初级光源模块是GaN发光二极管(GaN-LED)、GaN激光二极管（GaN-LD）其中任意一种，均发出短波长光。3.根据权利要求1所述的集成光学发射器件，其特征在于，所述次级光源模块包括掺铒GaN光波导及设于该掺铒GaN光波导两侧的光学谐振腔，所述掺铒GaN光波导掺有铒离子，所述初级光源模块发出的短波长光激发所述掺铒离子波导产生适当的增益，并在所述光学谐振腔的作用下发出长波长激光。4.根据权利要求3所述的集成光学发射器件，其特征在于，所述光学谐振腔包括平行解理面反射镜、布拉格反射镜结构、分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：李波，张联华，郭向阳，王小云，
申请(专利权)人：深圳市亘讯量子信息技术有限公司，
类型：新型
国别省市：广东,44