基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源及其實(shí)現(xiàn)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于量子保密通信類(lèi)，具體涉及基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源及其實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述單光子源的系統(tǒng)包括激光器、環(huán)形器、檢偏器，以及一由四端口光纖分束器、相位調(diào)制器以及法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成的法拉第-薩格奈克環(huán)，所述激光器輸出的連續(xù)光經(jīng)所述環(huán)形器耦合進(jìn)入所述四端口光纖分束器，所述四端口光纖分束器將所述連續(xù)光分為兩束幅度相等、相位相同的正交線偏振光，所述線偏振光沿所述法拉第-薩格奈克環(huán)相向傳輸并在不同時(shí)刻接受所述相位調(diào)制器的調(diào)制，經(jīng)過(guò)調(diào)制的所述線偏振光在所述四端口光纖分束器內(nèi)疊加后，經(jīng)所述環(huán)形器耦合進(jìn)入所述檢偏器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：所產(chǎn)生的光脈沖具有高消光比、窄光譜寬度，降低了光脈沖在長(zhǎng)距離光纖中傳輸時(shí)的偏振色散。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于量子保密通信類(lèi)，具體涉及基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]量子保密通信的出現(xiàn)是保密通信領(lǐng)域的一次革命，相較于傳統(tǒng)的基于算法復(fù)雜度的密鑰分發(fā)方法，量子保密通信的安全性是由物理學(xué)基本原理所決定的?！傲孔討B(tài)不可克隆原理”保證了在量子信道傳輸?shù)男畔⒅荒苡形ㄒ坏哪_本；與此同時(shí)，“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”使得任何第三方的攻擊與竊聽(tīng)都會(huì)破壞原有的信息，收發(fā)兩端可以通過(guò)校驗(yàn)誤碼率發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)者的存在，確保傳輸信息的絕對(duì)安全。因此，與現(xiàn)行的保密通信方式相比，量子保密通信在應(yīng)對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的安全性攻擊方面將展現(xiàn)巨大的優(yōu)勢(shì)，以其先天的保密特性在在國(guó)防、銀行、電子商務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。
[0003]量子保密通信以單光子為載體傳輸信息，單光子源是量子保密通信系統(tǒng)的重要模塊。雖然實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)可以產(chǎn)生真正意義上的單光子，如金剛石NV色心發(fā)光等，但該方法所需儀器復(fù)雜、體積龐大，短期內(nèi)無(wú)法應(yīng)用在量子保密通信的實(shí)用化過(guò)程中。由于理想的單光子源制備復(fù)雜，目前，人們大都利用弱相干光源作為單光子源，具體通過(guò)將半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)生的激光脈沖衰減至單光子水平實(shí)現(xiàn)。弱相干光源具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、脈沖重復(fù)頻率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。但是弱相干光不是嚴(yán)格的單光子源，其光子數(shù)符合泊松分布，如目前通用的平均光子數(shù)為0.1的弱相干光，多光子脈沖在非空脈沖中所占的比例大約是5%，多光子脈沖可能會(huì)被第三方通過(guò)光子數(shù)分離攻擊截獲密文而不被通信雙方發(fā)現(xiàn)，“誘騙態(tài)”的發(fā)明巧妙地解決了這個(gè)問(wèn)題，使得這種光源可以應(yīng)用在實(shí)際的量子保密通信中。
[0004]在量子保密通信系統(tǒng)中，為了保證更高的成碼效率與更遠(yuǎn)的通信距離，要求單光子源具有窄脈沖寬度、窄光譜寬度、高消光比等特點(diǎn)。弱相干光源一般通過(guò)電脈沖信號(hào)對(duì)激光器進(jìn)行直接調(diào)制獲得，由于激光器工作在高速調(diào)制模式，所獲得的輸出光光譜寬度遠(yuǎn)大于連續(xù)模式的工作條件下。同時(shí)，該方法要求恒流源為激光器預(yù)置一定的偏置電流，然后將調(diào)制電流加載在激光器上，通過(guò)增益開(kāi)關(guān)機(jī)制輸出光脈沖信號(hào)。如果激光器不施加偏置電流，在高調(diào)制速率下，僅靠調(diào)制調(diào)電流無(wú)法獲得相干激光輸出，這是因?yàn)槟壳暗膶拵Чβ史糯笃黩?qū)動(dòng)能力有限。偏置電流的施加意味著激光器在沒(méi)有調(diào)制電流時(shí)，仍有自發(fā)輻射光輸出，這會(huì)降低輸出脈沖的消光比，進(jìn)而增大量子保密通信系統(tǒng)接收端單光子探測(cè)器的誤碼率，降低系統(tǒng)的成碼效率。另一方面，上述方案在保證一定消光比的情況下，要求所加載的偏置電流在激光器閾值電流之下。此時(shí)，激光器所發(fā)出的光有一部分為自發(fā)福射光，由于自發(fā)輻射譜很寬，會(huì)增大輸出激光的光譜寬度，這在長(zhǎng)距離量子保密通信系統(tǒng)中會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的色散問(wèn)題，帶來(lái)偏振變化不一致等情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源及其實(shí)現(xiàn)方法，該方法利用窄線寬激光器產(chǎn)生連續(xù)激光，通過(guò)調(diào)制薩格奈克環(huán)內(nèi)一對(duì)相向傳輸?shù)恼黄窆獾南辔猾@得不同的相位差，由振動(dòng)方向相互垂直的光波疊加原理，不同的相位差可以獲得不同輸出光偏振態(tài)，輸出端利用檢偏器的偏振選擇特性產(chǎn)生脈沖光。該方法所產(chǎn)生的單光子信號(hào)具有高消光比、窄光譜寬度和寬重復(fù)頻率調(diào)節(jié)范圍等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成:
一種基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源，其特征在于:所述單光子源的系統(tǒng)包括激光器、環(huán)形器、檢偏器，以及一由四端口光纖分束器、相位調(diào)制器以及法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成的法拉第-薩格奈克環(huán)，所述激光器輸出的連續(xù)光經(jīng)所述環(huán)形器耦合進(jìn)入所述四端口光纖分束器，所述四端口光纖分束器將所述連續(xù)光分為兩束幅度相等、相位相同的正交線偏振光，所述線偏振光沿所述法拉第-薩格奈克環(huán)相向傳輸并在不同時(shí)刻接受所述相位調(diào)制器的調(diào)制，經(jīng)過(guò)調(diào)制的所述線偏振光在所述四端口光纖分束器內(nèi)疊加后，經(jīng)所述環(huán)形器耦合進(jìn)入所述檢偏器。
[0007]所述連續(xù)光經(jīng)由所述四端口光纖分束器分為兩束所述正交線偏振光，是通過(guò)將所述四端口光纖分束器的輸入端口的保偏尾纖慢軸與其內(nèi)部的晶體S光成45°耦合。
[0008]所述激光器為處于連續(xù)輸出模式的窄線寬半導(dǎo)體激光器，所述激光器的尾纖采用保偏光纖耦合輸出并保證所述激光器輸出的連續(xù)光的偏振態(tài)與所述保偏光纖的慢軸之間成平行。
[0009]所述保偏光纖可為熊貓光纖、橢圓光纖、領(lǐng)結(jié)光纖以及其它具有快軸和慢軸偏振保持效果的保偏光纖。
[0010]一種涉及上述的基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:所述方法至少包括以下步驟:
將所述窄線寬半導(dǎo)體激光器設(shè)置為連續(xù)輸出模式使其輸出連續(xù)光；
將所述連續(xù)光通過(guò)所述環(huán)形器與所述四端口光纖分束器的輸入端口耦合，其中所述四端口光纖分束器將所述連續(xù)光分為兩束幅度相等、相位相同的正交線偏振光；
兩束所述正交線偏振光在所述法拉第-薩格奈克環(huán)中相向傳輸，并于不同時(shí)刻接受所述相位調(diào)制器的調(diào)制，其中所述相位調(diào)制器設(shè)置為由重復(fù)頻率為f (周期為T(mén))窄脈沖驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)短兩臂的光纖長(zhǎng)度控制使兩臂的群延時(shí)差為T(mén)/2 ；
所述線偏振光在所述四端口光纖分束器處耦合，此時(shí)從所述四端口光纖分束器輸出的未經(jīng)調(diào)制的光偏振態(tài)不變，仍沿保偏光纖慢軸傳輸；經(jīng)過(guò)調(diào)制的偏振態(tài)改變90°，沿保偏光纖快軸傳輸；
從所述四端口光纖分束器輸出的光經(jīng)所述環(huán)形器耦合進(jìn)入所述檢偏器，且所述檢偏器允許沿保偏光纖快軸傳輸?shù)墓馔高^(guò)，與之垂直的光全部被阻隔，由此產(chǎn)生重復(fù)頻率為2f的光脈沖信號(hào)。
[0011]所述四端口光纖分束器是通過(guò)將其輸入端口的保偏尾纖慢軸與其內(nèi)部的晶體S光成45°耦合，以實(shí)現(xiàn)將所述激光器輸出的連續(xù)光分為兩束幅度相等、相位相同的正交線偏振光。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:采用窄線寬半導(dǎo)體激光器且工作在連續(xù)模式，發(fā)射激光具有很窄的線寬，典型值〈ΙΟΚΗζ，降低了光脈沖在長(zhǎng)距離光纖中傳輸時(shí)的偏振色散，所產(chǎn)生的光脈沖具有高消光比、窄光譜寬度。由于本方法規(guī)避了傳統(tǒng)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器的偏置電流，利用光纖檢偏器對(duì)偏振態(tài)受相位調(diào)制器調(diào)制的連續(xù)光進(jìn)行濾波，能獲得典型值為30dB的光脈沖消光比。整個(gè)系統(tǒng)除相位調(diào)制器均采用被動(dòng)器件，無(wú)需外部調(diào)節(jié)便可自動(dòng)工作，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，且全部器件目前都已實(shí)現(xiàn)了光纖輸出小型化，便于系統(tǒng)集成和且具有在復(fù)雜環(huán)境下工作的能力。目前市場(chǎng)上商售的相位調(diào)制器具有高達(dá)40Gbps的調(diào)制速率，使得該方案具有很寬的重復(fù)頻率調(diào)節(jié)范圍，適合于量子保密通信系統(tǒng)的未來(lái)的發(fā)展需要。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明原理框圖；
圖2是本發(fā)明中四端口 PBS內(nèi)部晶體光軸與尾纖光軸的關(guān)系圖；
圖3是本發(fā)明中脈沖調(diào)制器加載波形與輸出光相位、輸出光強(qiáng)的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解:
如圖1-3所示，圖中1-8標(biāo)記分別為:激光器1、保偏環(huán)形器2、檢偏器3、四端口光纖分束器4、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5、保偏相位調(diào)制器6、保偏光纖7、單模光纖8。
[0015]實(shí)施例:如圖1所示，本實(shí)施例中的單光子源系統(tǒng)由激光器I (保偏尾纖輸出)、保偏環(huán)形器2、四端口光纖分束器3、保偏相位調(diào)制器6、檢偏器3、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5、以及保偏光纖7和單模光纖8構(gòu)成。激光器I輸出連續(xù)光經(jīng)保偏環(huán)形器2耦合進(jìn)入四端口光纖分束器4,四端口光纖分束器4的輸入端口的保偏尾纖慢軸與其內(nèi)部晶體S光成45°耦合，使沿慢軸入射的線偏光經(jīng)光纖分束器分成兩束幅度相等、相位相同相向傳輸?shù)恼痪€偏振光。順時(shí)針傳輸?shù)墓馀c逆時(shí)針傳輸?shù)墓饨?jīng)過(guò)相同的路徑，并在不同時(shí)刻接受保偏相位調(diào)制器6的調(diào)制。保偏相位調(diào)制器6由重復(fù)頻率為f (周期為T(mén))、脈沖寬度為τ、脈沖幅度為相位調(diào)制器半波電壓的窄脈沖驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制長(zhǎng)短兩臂的光纖長(zhǎng)度使兩臂的群延時(shí)差為T(mén)/2，從而產(chǎn)生調(diào)制頻率為2f的光信號(hào)。從薩格奈克環(huán)輸出的未經(jīng)調(diào)制的光偏振態(tài)不變，沿光纖慢軸傳輸；經(jīng)過(guò)調(diào)制的光偏振態(tài)改變90°，沿光纖快軸傳輸。由薩格奈克環(huán)輸出的光經(jīng)保偏環(huán)形器2耦合進(jìn)入檢偏器3，檢偏器3允許沿光纖快軸傳輸?shù)墓馔高^(guò)，所以與之垂直的光全部被阻隔，由此產(chǎn)生重復(fù)頻率為2f的光脈沖信號(hào)。
[0016]本實(shí)施例中所使用的光源即激光器I為窄線寬激光器并工作在連續(xù)模式，激光器由外置恒流源驅(qū)動(dòng)，由于該方法所產(chǎn)生的激光未經(jīng)調(diào)制，光譜寬度極窄，典型全半高寬(FWHM)小于IOKHz。激光器I尾纖米用保偏光纖稱(chēng)合輸出并保證激光偏振態(tài)與保偏光纖的慢軸平行。
[0017]連續(xù)激光通過(guò)保偏環(huán)形器2耦合進(jìn)入薩格奈克環(huán)，薩格奈克環(huán)由四端口光纖分束器4 (PBS)、單波導(dǎo)保偏相位調(diào)制器6、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5和保偏光纖7組成。四端口光纖分束器4采用尾纖輸出，端口保偏光纖的快、慢軸與四端口光纖分束器的內(nèi)部晶體S光/P光配置關(guān)系如圖2所示:輸入端(I端口)處保偏光纖7的快軸(慢軸)與四端口光纖分束器4的內(nèi)部晶體S光45°耦合，I端口進(jìn)光時(shí)3端口處的單模光纖8出光與P光(黑色圓圈)平行，2端口處的保偏光纖慢軸與S光(黑色短線)平行(如圖2實(shí)線所示)；4端口進(jìn)光時(shí)2端口處的保偏光纖慢軸與P光垂直，3端口單模光纖出光與S光垂直(如圖2虛線所示)。
[0018]端口 I輸入的沿保偏光纖7慢軸傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)四端口光纖分束器4之后分成兩束幅度、相位相同的正交線偏振光。由于薩格奈克環(huán)結(jié)構(gòu)的互易性和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5的偏振旋轉(zhuǎn)特性，兩束光沿著相同的路徑反向傳輸。其中3端口輸出線偏光經(jīng)過(guò)一段單模光纖進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，法拉第旋轉(zhuǎn)鏡將入射光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°并沿原路返回，由于進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5與從法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5出來(lái)的光所走路徑相同，該短光路實(shí)現(xiàn)了偏振自動(dòng)補(bǔ)償。沿3端口返回的光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)了 90°，經(jīng)過(guò)四端口光纖分束器4后將由4端口輸出沿薩格奈克環(huán)逆時(shí)針傳播，經(jīng)保偏相位調(diào)制器6時(shí)接受調(diào)制，返回四端口光纖分束器4。2端口輸出線偏光沿薩格奈克環(huán)順時(shí)針傳播，經(jīng)過(guò)保偏相位調(diào)制器6時(shí)接受調(diào)制，隨后沿薩格奈克環(huán)傳播一周后，由四端口進(jìn)入四端口光纖分束器4，由3端口出射，偏振態(tài)經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5旋轉(zhuǎn)90°后返回四端口光纖分束器4。兩路正交偏振光經(jīng)過(guò)了相同的路徑后，在PBS端口I處疊加，合成光偏振態(tài)有其相位差決定。
[0019]由于薩格奈克環(huán)的互易性和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5的偏振旋轉(zhuǎn)特性，兩路相向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過(guò)相同的路徑并且偏振態(tài)各自旋轉(zhuǎn)了 90°從I端口疊加。其中經(jīng)過(guò)保偏相位調(diào)制器6調(diào)制的光具有π或者-π的相位差，未經(jīng)調(diào)制的的光相位相同。由振動(dòng)方向相互垂直的光波疊加原理，當(dāng)兩路正交偏振光相位差為O時(shí),合成光的偏振態(tài)為線偏光；當(dāng)正交偏振光相位差為π時(shí)，合成光的偏振態(tài)仍為線偏光，但偏振方向相對(duì)相位差為O時(shí)旋轉(zhuǎn)了 90°。
當(dāng)相位調(diào)制器施加重復(fù)頻率為f(周期為O、脈沖寬度為τ、調(diào)制幅度為半波電壓^的調(diào)制
脈沖，則兩束反向光受到相同的相位調(diào)制但不同時(shí)，其時(shí)延為PBS出射兩路光到相位調(diào)制
器的群傳輸延時(shí)差:
【權(quán)利要求】
1.一種基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源，其特征在于:所述單光子源的系統(tǒng)包括激光器、環(huán)形器、檢偏器，以及一由四端口光纖分束器、相位調(diào)制器以及法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成的法拉第-薩格奈克環(huán)，其中所述激光器輸出的連續(xù)光經(jīng)所述環(huán)形器耦合進(jìn)入所述四端口光纖分束器，所述四端口光纖分束器將所述連續(xù)光分為兩束幅度相等、相位相同的正交線偏振光，所述線偏振光沿所述法拉第-薩格奈克環(huán)相向傳輸并在不同時(shí)刻接受所述相位調(diào)制器的調(diào)制，經(jīng)過(guò)調(diào)制的所述線偏振光在所述四端口光纖分束器內(nèi)疊加后，經(jīng)所述環(huán)形器耦合進(jìn)入所述檢偏器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源，其特征在于:所述連續(xù)光經(jīng)由所述四端口光纖分束器分為兩束所述正交線偏振光，是通過(guò)將所述四端口光纖分束器的輸入端口的保偏尾纖慢軸與其內(nèi)部的晶體S光成45°耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源，其特征在于:所述激光器為處于連續(xù)輸出模式的窄線寬半導(dǎo)體激光器，所述激光器的尾纖采用保偏光纖耦合輸出并保證所述激光器輸出的連續(xù)光的偏振態(tài)與所述保偏光纖的慢軸之間成平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源，其特征在于:所述保偏光纖可為熊貓光纖、橢圓光纖、領(lǐng)結(jié)光纖以及其它具有快軸和慢軸偏振保持效果的保偏光纖。
5.一種涉及權(quán)利要求1-4所述的基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:所述方法至少包括以下步驟: 將所述窄線寬半導(dǎo)體激光器設(shè)置為連續(xù)輸出模式使其輸出連續(xù)光； 將所述連續(xù)光通過(guò)所述環(huán)形器與所述四端口光纖分束器的輸入端口耦合，其中所述四端口光纖分束器將所述連續(xù)光分為兩束幅度相等、相位相同的正交線偏振光； 兩束所述正交線偏振光在所述法拉第-薩格奈克環(huán)中相向傳輸，并于不同時(shí)刻接受所述相位調(diào)制器的調(diào)制，其中所述相位調(diào)制器設(shè)置為由重復(fù)頻率為f (周期為T(mén))窄脈沖驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)短兩臂的光纖長(zhǎng)度控制使兩臂的群延時(shí)差為T(mén)/2 ； 所述線偏振光在所述四端口光纖分束器處耦合，此時(shí)從所述四端口光纖分束器輸出的未經(jīng)調(diào)制的光偏振態(tài)不變，仍沿光纖慢軸傳輸；經(jīng)過(guò)調(diào)制的偏振態(tài)改變90°，沿光纖快軸傳輸； 從所述四端口光纖分束器輸出的光經(jīng)所述環(huán)形器耦合進(jìn)入所述檢偏器，且所述檢偏器允許沿保偏光纖快軸傳輸?shù)墓馔高^(guò)，與之垂直的光全部被阻隔，由此產(chǎn)生重復(fù)頻率為2f的光脈沖信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于法拉第-薩格奈克環(huán)的單光子源的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:所述四端口光纖分束器是通過(guò)將其輸入端口的保偏尾纖慢軸與其內(nèi)部的晶體S光成45°耦合，以實(shí)現(xiàn)將所述激光器輸出的連續(xù)光分為兩束幅度相等、相位相同的正交線偏振光。
【文檔編號(hào)】H04B10/508GK103475425SQ201310318452
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月26日
【發(fā)明者】杜海彬, 梁焰, 曾和平 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)