【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子信息，具体涉及一种可实现低功率差异的片上编码器及方法。
技术介绍
1、量子密钥分发(qkd)基于量子力学原理，由于量子不可克隆和测不准原理，是理论可证明无条件安全的密钥分发体系。随着量子密钥分发技术的发展，提供小体积、低成本和高稳定的量子密钥分发设备将更具竞争力。量子密钥分发往往涉及较复杂的光信号编码和解码，目前其编码和解码往往基于传统的光纤器件进行组合，体积较大且成本较高。在光学芯片上实现光信号的编码和解码是小体积、低成本和高稳定量子密钥分发设备的重要解决方式之一。
2、目前高速偏振调制的基本原理为：产生偏振态正交的两分量光，调节两分量光的相位差，进行偏振矢量合成。两分量光的振幅分别为ax和ay，静态相位差(或称初始相位)为通过高速相位调制器件产生的动态相位差为
3、
4、进行stokes矢量求解：
5、
6、化简后可以得到：
7、
8、从上述表达式可以看到，理论上通过调节两分量光的振幅ax、ay，或者动态相位差均可以产生高速偏振调制。
9、图1示出了现有技术中基于分立器件的一种偏振调制方案，其中，通过光纤化的光环形器cir、偏振分束器pbs和相位调制器pm，产生沿x轴(水平方向)的线偏振光和沿y轴(垂直方向)的线偏振光，再进行偏振合成。对应于上述原理公式，该方案中的两分量光的振幅相等ax＝ay，静态相位差相位调制器分别加载0、π/2、π和3π/2这四种相位所对应的电压，相应产生动态相位差和3π/2，从而分别产生4
10、目前主流的是使用上述光纤器件和保偏相位调制器组合成偏振编码器，一般体积较大，成本较高，基于光芯片的编码器将是下一代量子通信设备的趋势。图2示出了一种现有技术中基于光芯片的一种偏振调制方案，其通过高速调节和实现高速偏振调制。对应于上述原理公式，该方案中调节实际是改变ax和ay，调节和是改变如表1中编码示例所列，时，光从路径3传输，即ax＝1，ay＝0，获得|h>态；时，光从路径4传输，即ax＝0，ay＝1，获得|v>态；时，ax＝ay，调节获得|+>态；时，ax＝ay，调节获得|->态。由此可见，图2所示方案同时调节ax、ay和动态相位差
11、
12、表1编码表
13、图3示出了现有技术中基于硅基相变材料的偏振调控装置，其中，偏振旋转分束器100将输入光纤中正交偏振的两束光信号转换为相位相同、强度相同的te0模式。光分束器组件200包括第一光分束器210和第二光分束器220，移相器组件300包括第一移相器310、第二移相器320、第三移相器330和第四移相器340。对应于上述原理公式，该方案中的光分束器210、220以及移相器310、320构成马赫增德尔干涉仪，通过调节移相器310和320产生相位差，调节经220输出后两端口的光强(即后续用于偏振合成的|h>和|v>幅值，也即公式中的ax和ay)；光分束器220、偏振旋转合束器400以及移相器330和340构成偏振矢量合成单元，第四移相器340的电极不外加电压，除第四移相器340本身带来光程差的变化外不额外产生相移，调节第三移相器330产生由此可见，在图3所示方案中，同时调节ax、ay和动态相位差且所用移相器基于相变薄膜材料实现。
14、在量子密钥分发中，理论上除了编码态，其余维度需要不可区分，即理论上编码器不应该引入功率差异。虽然已有研究报道，这可以通过修正成码率公式实现，但将降低成码率等系统性能。
15、在图1所示方案中，调制性能较好，编码态功率差异较小，但具有器件体积大、成本高的问题。
16、在图2所示方案中，通过调节两偏振分量的幅值和动态相位差，实现偏振调制。然而，目前硅基高速相位调制器件基于等离子色散效应，虽具有带宽高的优点，但普遍存在调制相关损耗大的问题，即调制出不同相位时，其衰减也相应不同。为此，该类方案的片上编码器在调制不同偏振态时，对光子的衰减存在差异，引起了不同编码态的功率差异。
17、图3所示方案也是通过调节两分量的幅值和动态相位差来实现偏振调制，特别的采用了相变薄膜材料实现移相器，尚不明晰能否解决不同偏振态功率差异的问题，但已知的是，基于相变材料实现移相器为新工艺，不同于目前常规流片厂工艺，需要修改工艺和相关加工设备。
技术实现思路
1、针对现有技术中的上述问题，本专利技术提出了一种低功率差异的片上编码器及编码方法，其中引入了用于调节初始相位的初始相位调节模块，因此，允许通过扫描初始相位获得不同的偏振态组合，选取低功率差异的偏振态组合，由此有效降低系统获得的不同偏振态的功率差异，并提高对工艺偏差的容限。
2、具体而言，本专利技术的第一方面涉及一种可实现低功率差异的片上编码器，其包括光功率分配模块、初始相位调节模块、动态相位差调节模块和偏振旋转合束模块；
3、所述光功率分配模块被设置用于将输入光分束成模式相同的两个分量；
4、所述初始相位调节模块被设置用于在两个分量之间调制形成静态相位差；
5、所述动态相位差调节模块被设置用于在两个分量之间调制形成动态相位差；
6、所述偏振旋转合束模块被设置用于使具有静态相位差和动态相位差的两个分量进行偏振矢量合成偏振信号光，形成用于编码的量子态。
7、可选地，所述光功率分配模块包括光分束器或马赫增德尔干涉仪。
8、进一步地，所述初始相位调节模块包括第一相位调制器和第二相位调制器中的至少一个，所述第一相位调制器用于调节两个分量中的一个的相位，所述第二相位调制器用于调节两个分量中的另一个的相位。
9、优选地，所述第一和第二相位调制器为低速相位调制器。
10、进一步地，所述动态相位差调节模块包括第三相位调制器和第四相位调制器中的至少一个，所述第三相位调制器用于调节两个分量中的一个的相位，所述第四相位调制器用于调节两个分量中的另一个的相位。
11、优选地，所述第三和第四相位调制器为高速相位调制器。
12、进一步地，所述偏振旋转合束模块被设置用于使两个分量形成正交或一定角度的光场并进行偏振矢量合成。
13、可选地，所述偏振旋转合束模块包括二维光栅和/或偏振旋转合束器。
14、进一步地，所述光功率分配模块、初始相位调节模块、动态相位差调节模块、偏振旋转合束模块通过波导连接并集成在同一芯片上。
15、本专利技术的第二方面涉及一种可实现低功率差异的编码方法，其包括量子态制备步骤、功率差异计算步骤、遍历步骤、最佳值确定步骤和编码步骤；
16、在量子态制备步骤中，将输入光分成模式相同的两个分量，先通过相位调制在两个分量之间形成静态相位差再通过相位调制在两个分量之间形成动态相位差以用于产本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可实现低功率差异的片上编码器，其包括光功率分配模块、初始相位调节模块、动态相位差调节模块和偏振旋转合束模块；
2.如权利要求1所述的片上编码器，其中，所述光功率分配模块包括光分束器或马赫增德尔干涉仪。
3.如权利要求1所述的片上编码器，其中，所述初始相位调节模块包括第一相位调制器和第二相位调制器中的至少一个，所述第一相位调制器用于调节两个分量中的一个的相位，所述第二相位调制器用于调节两个分量中的另一个的相位。
4.如权利要求3所述的片上编码器，其中，所述第一和第二相位调制器为低速相位调制器。
5.如权利要求1所述的片上编码器，其中，所述动态相位差调节模块包括第三相位调制器和第四相位调制器中的至少一个，所述第三相位调制器用于调节两个分量中的一个的相位，所述第四相位调制器用于调节两个分量中的另一个的相位。
6.如权利要求5所述的片上编码器，其中，所述第三和第四相位调制器为高速相位调制器。
7.如权利要求1所述的片上编码器，其中，所述偏振旋转合束模块被设置用于使两个分量形成正交或一定角度的光场并进行偏振矢量
8.如权利要求7所述的片上编码器，其中，所述偏振旋转合束模块包括二维光栅和/或偏振旋转合束器。
9.如权利要求1-8中任一项所述的片上编码器，其中，所述光功率分配模块、初始相位调节模块、动态相位差调节模块及偏振旋转合束模块通过波导连接并集成在同一芯片上。
10.一种可实现低功率差异的编码方法，其包括量子态制备步骤、功率差异计算步骤、遍历步骤、最佳值确定步骤和编码步骤；
11.如权利要求10所述的编码方法，其中，所述预设相位范围具有2π的大小；以及/或者，所述静态相位差N*△f＝2π，f0为预设初始值。
12.如权利要求10所述的编码方法，其借助如权利要求1-9中任一项所述的片上编码器来实现。
...【技术特征摘要】
1.一种可实现低功率差异的片上编码器，其包括光功率分配模块、初始相位调节模块、动态相位差调节模块和偏振旋转合束模块；
2.如权利要求1所述的片上编码器，其中，所述光功率分配模块包括光分束器或马赫增德尔干涉仪。
3.如权利要求1所述的片上编码器，其中，所述初始相位调节模块包括第一相位调制器和第二相位调制器中的至少一个，所述第一相位调制器用于调节两个分量中的一个的相位，所述第二相位调制器用于调节两个分量中的另一个的相位。
4.如权利要求3所述的片上编码器，其中，所述第一和第二相位调制器为低速相位调制器。
5.如权利要求1所述的片上编码器，其中，所述动态相位差调节模块包括第三相位调制器和第四相位调制器中的至少一个，所述第三相位调制器用于调节两个分量中的一个的相位，所述第四相位调制器用于调节两个分量中的另一个的相位。
6.如权利要求5所述的片上编码器，其中，所述第三和...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘仁德，唐世彪，栗帅，
申请(专利权)人：科大国盾量子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。