基于自发辐射光源的量子密钥分发光源论文和设计-李杨

全文摘要

本实用新型提供了一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，脉冲发生器用于驱动第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器；自发辐射光源用于输出连续的直流光信号；偏振分束器用于产生线偏振的直流光信号；滤波器用于对线偏振的直流光信号进行光谱滤波；第一强度调制器用于对滤波器输出的光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号；第二强度调制器用于对第一强度调制器产生的窄的光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的信号态、诱骗态、真空态；偏振调制器用于对第二强度调制器输出的光信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、‑、L、R偏振态；衰减器用于对偏振调制器输出的光信号进行能量的衰减并输出。

主设计要求

1.一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，其特征在于，包括：脉冲发生器、自发辐射光源、偏振分束器、滤波器、第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器和衰减器，其中：脉冲发生器用于驱动第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器；自发辐射光源用于输出连续的直流光信号；偏振分束器用于对所述连续的直流光信号进行偏振选择，以产生线偏振的直流光信号；滤波器用于对所述线偏振的直流光信号进行光谱滤波；第一强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对所述滤波器输出的光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号；第二强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第一强度调制器产生的窄的光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的信号态、诱骗态、真空态；偏振调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第二强度调制器输出的光信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、-、L、R偏振态；衰减器用于对偏振调制器输出的光信号进行能量的衰减并输出。

设计方案

1.一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，其特征在于，包括：脉冲发生器、自发辐射光源、偏振分束器、滤波器、第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器和衰减器，其中：

脉冲发生器用于驱动第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器；

自发辐射光源用于输出连续的直流光信号；

偏振分束器用于对所述连续的直流光信号进行偏振选择，以产生线偏振的直流光信号；

滤波器用于对所述线偏振的直流光信号进行光谱滤波；

第一强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对所述滤波器输出的光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号；

第二强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第一强度调制器产生的窄的光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的信号态、诱骗态、真空态；

偏振调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第二强度调制器输出的光信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、-、L、R偏振态；

衰减器用于对偏振调制器输出的光信号进行能量的衰减并输出。

2.如权利要求1所述的量子密钥分发光源，其特征在于，

自发辐射光源使用单模光纤与偏振分束器相连；

偏振分束器使用保偏光纤与滤波器相连；

滤波器使用保偏光纤与第一强度调制器相连；

第一强度调制器使用保偏光纤与第二强度调制器相连；

第二强度调制器使用保偏光纤与偏振调制器相连；

偏振调制器使用单模光纤与衰减器相连；

衰减器使用单模光纤输出；

脉冲发生器分别使用射频电缆与第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器相连。

3.如权利要求1所述的量子密钥分发光源，其特征在于，自发辐射光源可以采用发光二极管或汞灯，发光二极管的工作波长可以为1550nm。

4.如权利要求1所述的量子密钥分发光源，其特征在于，偏振分束器可以采用光纤偏振分束器，其输入端口为单模光纤端口，输出端口为保偏光纤端口。

5.如权利要求1所述的量子密钥分发光源，其特征在于，滤波器可以采用波分复用器，滤波线宽可以为0.8纳米。

6.如权利要求1所述的量子密钥分发光源，其特征在于，第一强度调制器和第二强度调制器可以选用基于铌酸锂晶体的强度调制器，带宽在10GHz以上。

7.如权利要求1所述的量子密钥分发光源，其特征在于，偏振控制器可以选用基于铌酸锂晶体或砷化镓材料的偏振调制器，带宽在10GHz以上。

8.如权利要求1所述的量子密钥分发光源，其特征在于，衰减器可以选用电光可变衰减器，衰减后的光信号平均每脉冲光子数在0.1-1之间。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及量子通信领域，特别涉及一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源。

背景技术

量子通信作为当今物理学的前沿领域之一，其基于量子力学的基本物理原理保证了信息传输的无条件安全性，是量子信息学最先走向实用化的一个发展方向。量子通信的核心就是量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)，量子密钥分发可以实现相距遥远的通信双方共享无条件安全的量子密钥，再结合“一次一密”的加密方法，可以实现经过信息论严格数学证明的安全通信。通过发射多颗量子卫星，组建覆盖全球的量子星座，再结果地面城际和城域的量子光纤网络，可以构建出天地一体化的量子保密通信网络，服务于国家政务、军事、金融等领域的重大战略需求。

BB84协议是Bennett等人于1984提出的第一个QKD协议，也是迄今为止使用最广泛的QKD之一。由于理想单光子源目前在技术实现上尚不成熟，通过采用基于弱相干激光源进行替代，再结合诱骗态理论，是目前比较常见的QKD光源解决方案。在自由空间和星地的QKD实验中，由于大气对偏振态的保真度较好，因此多采用基于偏振态进行编码，对应的就需要采用偏振态的QKD光源，来实现对两个正交基矢的四种偏振态和诱骗态理论的三种强度态的随机调制。

QKD光源将信息编码在光子的偏振态和强度态上，但是也需要保证在光谱、时间、空间、相位等侧信道的一致性，以避免窃听者通过测量侧信道信息对通信系统的安全性构成威胁。目前，QKD光源主要采用激光器产生的弱相干激光作为初始的光信号，它的主要优点之一是调制带宽高、相干性好、能量集中、脉冲宽度窄，非常适合QKD光源的需求。但是弱相干激光也存在一定的缺点，激光器发光的原理是受激辐射产生的相干光，由于激光器腔体内部的光子和载流子具有一定的寿命，在高重复频率下没有完全耗散，前一个脉冲激发后会对后一个脉冲产生影响，导致前后的激光脉冲之间存在一定的相位关联性。特别是在系统重复频率逐渐提高时，这种关联性就逐渐凸显出来，这会对QKD的安全性构成威胁。针对基于激光器的QKD弱相干光源前后脉冲的相位关联性，目前可以通过频率转换、主动相位外调制等两种方法来实现相位随机化。但是频率转换方法需要使用泵浦光和非线性晶体对量子光进行频率转换，系统结构复杂、体积大且技术实现难度高，主动相位外调制方法由于需要实现连续多个相位态的高速外调制，多个相位调制器的使用使系统集成度下降且成本显著增加。这两种解决方法都极大地增加了QKD系统的复杂度和实现难度，难以满足量子通信系统集成化和实用化的需求。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

为了解决以上问题，本实用新型提出了一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，量子密钥分发光源系统结构简单、成本更低、易于实现和工业集成。与激光器不同，自发辐射光源的发光原理是基于自发辐射，其产生的光信号从原理上就是相位随机的，本实用新型有效地解决了传统基于激光器的QKD光源的相位关联性问题，避免了相位侧信道信息泄露对通信系统造成的安全隐患。

(二)技术方案

本实用新型提供了一种基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，包括：脉冲发生器、自发辐射光源、偏振分束器、滤波器、第一强度调制器、第二强度调制器、偏振调制器和衰减器，其中：脉冲发生器用于驱动第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器；自发辐射光源用于输出连续的直流光信号；偏振分束器用于对所述连续的直流光信号进行偏振选择，以产生线偏振的直流光信号；滤波器用于对所述线偏振的直流光信号进行光谱滤波；第一强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对所述滤波器输出的光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号；第二强度调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第一强度调制器产生的窄的光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的信号态、诱骗态、真空态；偏振调制器用于在脉冲发生器的作用下，对第二强度调制器输出的光信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、-、L、R偏振态；衰减器用于对偏振调制器输出的光信号进行能量的衰减并输出。

在本实用新型的一些实施例中，自发辐射光源使用单模光纤与偏振分束器相连；偏振分束器使用保偏光纤与滤波器相连；滤波器使用保偏光纤与第一强度调制器相连；第一强度调制器使用保偏光纤与第二强度调制器相连；第二强度调制器使用保偏光纤与偏振调制器相连；偏振调制器使用单模光纤与衰减器相连；衰减器使用单模光纤输出；脉冲发生器分别使用射频电缆与第一强度调制器、第二强度调制器和偏振调制器相连。

在本实用新型的一些实施例中，自发辐射光源可以采用发光二极管或汞灯，发光二极管的工作波长可以为1550nm。

在本实用新型的一些实施例中，偏振分束器可以采用光纤偏振分束器，其输入端口为单模光纤端口，输出端口为保偏光纤端口。

在本实用新型的一些实施例中，滤波器可以采用波分复用器，滤波线宽可以为0.8纳米。

在本实用新型的一些实施例中，第一强度调制器和第二强度调制器可以选用基于铌酸锂晶体的强度调制器，带宽在10GHz以上。

在本实用新型的一些实施例中，偏振控制器可以选用基于铌酸锂晶体或砷化镓材料的偏振调制器，带宽在10GHz以上。

在本实用新型的一些实施例中，衰减器可以选用电光可变衰减器，衰减后的光信号平均每脉冲光子数在0.1-1之间。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型至少具有以下有益效果：

(1)本实用新型基于自发辐射光源自发辐射的相位随机性，可以从根本上实现自发辐射光源发出光信号的相位随机性，确保了光源产生的前后光脉冲之间的相位随机。

(2)本实用新型通过采用基于自发辐射光源的量子密钥分发光源，有效解决了传统基于激光器的量子密钥分发光源的相位关联性问题，避免了相位侧信道信息泄露对通信系统造成的安全隐患。

(3)本实用新型与传统的频率转换或者主动相位外调制的方案相比，结构简单、成本更低、易于实现和工业集成。

附图说明

图1为依照本实用新型一实施例的基于发光二极管的量子密钥分发光源结构示意图；

图2为本实用新型一实施例的量子密钥分发光源各个阶段光信号的示意图。

具体实施方式

为进一步详细介绍本实用新型的目的、技术方案和优点，以下结合具体实施实例，对本实用新型进一步详细说明。

参见图1，本实用新型一实施例提供了一种基于发光二极管的量子密钥分发光源：包括脉冲发生器、发光二极管、偏振分束器、滤波器、强度调制器1、强度调制器2、偏振调制器和衰减器。

具体地，发光二极管使用单模光纤与偏振分束器相连；偏振分束器使用保偏光纤与滤波器相连；滤波器使用保偏光纤与强度调制器1相连；强度调制器1使用保偏光纤与强度调制器2相连；强度调制器2使用保偏光纤与偏振调制器相连；偏振调制器使用单模光纤与衰减器相连；衰减器使用单模光纤输出。脉冲发生器分别使用射频电缆与强度调制器1、强度调制器2、偏振调制器相连。

在本实施例中，发光二极管用于产生直流光信号。优选地，发光二极管的工作波长可以为1550nm，是经典光纤信道中的典型工作波长。

偏振分束器用于对发光二极管发出的直流光信号进行偏振选择，以产生线偏振的直流光信号。优选地，偏振分束器可以采用光纤偏振分束器，其输入端口为单模光纤端口，输出端口为保偏光纤端口。

滤波器用于对偏振分束器输出的线偏振的直流光信号进行光谱滤波。由于发光二极管本身的光谱线宽较宽，一般在几十纳米量级，需要进行适当的窄带滤波，以减少光源的线宽，降低量子密钥分发系统的背景噪声。优选地，滤波器可以采用波分复用器，如100G的DWDM产品，滤波线宽为0.8纳米。

滤波后的连续光信号进入强度调制器1，在脉冲发生器产生的连续窄脉冲的作用下，强度调制器1对输入的连续光信号进行调制，产生窄的光脉冲信号。优选地，强度调制器1可以选用基于铌酸锂晶体的强度调制器，带宽在10GHz以上。通过脉冲发生器产生400ps或者更窄的电脉冲信号，对强度调制器1进行驱动，可以输出极窄的光脉冲信号。

强度调制器1产生的窄光脉冲信号进入强度调制器2，在脉冲发生器产生的随机脉冲的作用下，强度调制器2对输入的窄光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的信号态、诱骗态、真空态等三种强度态。优选地，强度调制器2可以选用基于铌酸锂晶体的强度调制器，带宽在10GHz以上。脉冲发生器产生三种不同电压幅值的电脉冲信号，以对强度调制器2进行驱动。通过调节强度调制器2的直流偏置，使得当脉冲发生器加载真空态电脉冲信号时，达到最大消光，典型值为-20dB；当脉冲发生器加载信号态电脉冲信号时，达到最小消光，典型值为0dB；当加载脉冲发生器诱骗态电脉冲信号时，达到特定值消光，典型值为-6dB。

强度调制器2进行强度调制后的窄光脉冲信号进入偏振调制器，在脉冲发生器产生的随机脉冲的作用下，偏振调制器对输入的窄光脉冲信号进行调制，产生量子密钥分发所需的+、-、L、R等四种偏振态。优选地，偏振控制器可以选用基于铌酸锂晶体或砷化镓材料的偏振调制器，带宽在10GHz以下。通过脉冲发生器产生四种不同电压幅值的电脉冲信号，分别对应于偏振调制器的0、Vπ\/2、Vπ、3Vπ\/2等四种特定的电压值，可以产生+、-、L、R等四种偏振态。需要说明的是，该四种偏振态，与量子密钥分发系统中常用的H、V、+、-等四种偏振态原理上是等效的，通过一片放置在45°的四分之一波片即可以实现+、-、L、R到+、-、H、V的转换。而由于完成偏振调制器的光信号使用单模光纤输出，单模光纤会引入额外的偏振变化，在量子密钥分发系统中一般需要进行偏振补偿。这种偏振补偿可以在接收端进行实现，同时可以将+、-、L、R到H、V、+、-的补偿一并实现，因此在本实用新型中简化了此部分偏振补偿的介绍。

完成强度调制和偏振调制后的光信号，经过衰减器后，衰减到量子密钥分发所需的单光子量级后输出。优选地，衰减器可以选用电光可变衰减器，使用直流电压控制衰减器的衰减大小。典型地，衰减后的光信号平均每脉冲光子数一般在0.1-1之间。

图2给出了本实施例的量子密钥分发光源各个阶段光信号的示意图。输入强度调制器1前，光信号为线偏振的连续光；经过强度调制器1后，产生线偏振的窄脉冲光；经过强度调制器2后，完成对信号态S、诱骗态D、真空态V等三种强度态的编码，产生基于强度编码的线偏振的窄脉冲光；经过偏振调制器后，完成对+、-、L、R等四种偏振态的编码，产生基于强度编码的偏振编码的窄脉冲光；再经过衰减器后，衰减到单光子量级输出。

最终，本实施例的量子密钥分发光源，完成了强度态编码、偏振态编码的单光子量级的窄光脉冲信号产生，可以满足量子密钥分发的应用需求。同时基于发光二极管的自发辐射原理，确保了光脉冲信号间的相位随机性。

至此，已经结合附图对本实用新型进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型有了清楚的认识。

需要说明的是，发光二极管仅代表了一种典型的基于自发辐射的光源，其它类型的自发辐射光源(如汞灯等)也在本专利的保护范围之内。在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

基于自发辐射光源的量子密钥分发光源论文和设计

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