相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及量子通信领域，具体地是涉及一种内禀稳定的相位调制偏振编码的四 态量子编码器和解码器及量子密钥分发系统。
【背景技术】
[0002] 在量子保密通信技术中，最常用的编码方式为相位编码与偏振编码。而偏振编码 以往通常采用光子的两个线偏振态进行编码，即利用电光晶体或Pockels池对光子的线偏 振态进行编码，但由于电光晶体或Pockels池的半波电压很高（几千伏），使用很不方便，而 且很难实现高速编码。而如果利用两相互垂直的线偏振光来合成，最后得到的偏振光由两 个相互垂直的线偏振光之间的相位差决定，只需要通过相位调制器调制某一线偏振光的相 位从而达到改变两线偏光相位差，最后实现偏振编码，相比而言这种编码方式中所使用的 相位调制器具有较低的半波电压和很高的调制速率，可实现高速编码，这一技术称为相位 调制偏振编码。
[0003] 相位调制偏振编码技术一般采用偏振分束器，将45°线偏振光分成两路：水平线 偏振光和垂直线偏振光。而后通过相位调制器对垂直线偏振光加载一定相位，再通过偏振 分束器将两路光合成，通过加载相位调制最后合成光的偏振态。输出偏振态的稳定性则受 到两个因素的影响，一是两路偏振分量从分束到合成处的传输光路存在相位漂移，使得输 出偏振态无法完全取决于系统调制的相位，还受到两个传输光路相位漂移的影响，而无法 输出稳定的偏振态；二是两路偏振分量在分束到合成过程中偏振状态的保持问题，目前尚 无内禀稳定的偏振态保持结构，一般是在两个传输光路中采用保偏光纤的方式，无法使用 价格便宜和加工方便的单模光纤，同时使用保偏光纤，其原理是引入高双折射的特种传输 介质，在理论上仍旧无法完美保持两个偏振分量的偏振状态。
[0004] 目前已经发表的相位调制和偏振编码的编码器和解码器方案中，主要有基于M-Z 干涉仪和Sagnac环干涉仪的相位调制偏振编码结构，但均无法针对上述两个不稳定因素 同时实现内禀稳定的相位调制偏振编码。
【发明内容】
[0005] 本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），首先提出一种偏振态 的稳定性输出的相位调制偏振编码四态量子编码器。
[0006] 本发明的又一目的是提出一种相位调制偏振编码四态量子解码器。
[0007] 本发明的又一目的是提出一种基于相位调制偏振编码的四态量子编码器和解码 器的量子密钥分发系统。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
[0009] -种相位调制偏振编码四态量子编码器，包括：
[0010] 偏振控制器PC，第一环形器CIR，第一偏振分束器PBS，第一、二、三法拉第反射旋 转镜FM和第一相位调制器PM ;
[0011] 偏振控制器PC的输入端为光波输入端，偏振控制器PC的输出端接第一环形器CIR 的第一端口，第一环形器CIR的第二端口接第一偏振分束器PB的第一端口，第一偏振分束 器PBS的第二、四端口分别与第一、二法拉第反射旋转镜FM连接，第一偏振分束器PBS的第 三端口与第三法拉第反射旋转镜FM连接，第一相位调制器PM调制经过第一偏振分束器PBS 的第三端口与第三法拉第反射旋转镜FM的光波；第一环形器CIR的第三端口为光波输出 端；
[0012] 输入单光子波包经过偏振控制器PC调整输出45°线偏振光，135°线偏振光，左 旋圆偏振光或右旋圆偏振光，使通过第一偏振分束器PBS的偏振光等概率被反射和透射；
[0013] 反射分量经过第一偏振分束器PBS后经过法拉第反射旋转镜FM反射后偏振方向 旋转90°，之后再次进入第一偏振分束器PBS，进入第一偏振分束器PBS后发生透射，透射 的光波包经过法拉第反射旋转镜FM反射，其偏振方向再次旋转90°，之后进入第一偏振分 束器PBS后发生反射，再经过第一相位调制器PM后被法拉第反射旋转镜FM反射，进入第一 偏振分束器PBS ;
[0014] 另一透射分量经过第一偏振分束器PBS后经过法拉第反射旋转镜FM反射后偏振 方向旋转90°，之后再次进入第一偏振分束器PBS，进入第一偏振分束器PBS后发生反射， 再经过第一相位调制器PM后被法拉第反射旋转镜FM反射，其偏振方向再次旋转90°，之 后进入第一偏振分束器PBS后发生透射，经过法拉第反射旋转镜FM反射后偏振方向旋转 90 °，之后再次进入第一偏振分束器PBS。
[0015] 尽管上述反射、透射两个偏振分量经过三个法拉第反射旋转镜的次序不同，但是 其光程却完全相同，因此将同时到达四端口偏振分束器进行合束。
[0016] 优选的，第一、二、三法拉第反射旋转镜FM分别单模光纤或保偏光纤与第一偏振 分束器PBS连接。连接第一偏振分束器PBS和第一法拉第反射旋转镜的光纤长度和第一偏 振分束器PBS和第二法拉第反射旋转镜的光纤长度可以相等，也可以不相等。
[0017] 优选的，编码器输出的偏振态由第一相位调制器PM的加载相位确定，当其加载相 位为〇, |，Vtl和f四种电压时，其中Vo为相位调制器的半波电压，则编码器输出的偏振 态分别为45°线偏振，左旋圆偏振，135°线偏振和右旋圆偏振。
[0018] 反射、透射两个分量在不同时间经过相位调制器，故只选择在不同分量上进行相 位调制，则输出的偏振态则完全取决于相位调制器的调制电压。如果选择在反射的水平分 量加载电压〇，f，V13和则对应输出的偏振态为45°线偏振，右旋圆偏振，135°线偏振 和左旋圆偏振；如果选择在透射的竖直分量上加载电压0, I，％和￥，则对应输出的偏振 态为45°线偏振，左旋圆偏振，135°线偏振和右旋圆偏振D
[0019] 优选的，第一相位调制器PM(106)在每个码位加载的四个电压由第一随机码发生 器产生，第一随机码发生器能够随机产生0, t，％和￥四种电压。
[0020] 上述偏振态的输出的稳定性均可以保证：采用法拉第反射旋转镜的法拉第旋转共 轭效应可以保证两个偏振分量在分束和合成的过程中保持匹配，即使所有光纤均采用单模 光纤；完全相同的路径则可保证外界环境引起的相位漂移对输出偏振态没有任何影响。
[0021] 一种相位调制偏振编码四态量子解码器，包括：
[0022] 第二环形器CIR、第二偏振分束器PBS，第四、五、六法拉第反射旋转镜FM)和第二 相位调制器PM;
[0023] 第二环形器CIR的第一端口为光波输入端，第二环形器CIR的第二端口与第二偏 振分束器PBS的第一端口连接，第二偏振分束器PBS的第二、四端口分别与第四、五法拉第 反射旋转镜FM连接，四端口的偏振分束器PBS的第三端口与第六法拉第反射旋转镜FM连 接，第二相位调制器PM调制经过第二偏振分束器PBS的第三端口与第六法拉第反射旋转镜 FM的光波；第二环形器CIR的第三端口为光波输出端。
[0024] 其工作原理与上述解码器类似，四端口的偏振分束器PBS和第四法拉第反射旋转 镜连接的光纤长度与四端口的偏振分束器PBS和第五法拉第反射旋转镜连接的光纤长度 可以相等，也可以不相等，同样可以在相位调制器上对两个不同分量选择调制以实现不同 偏振基的选择：如果选择在反射的水平分量加载电压〇, j，Vci和Y，则对应的偏振基为 45°线偏振，右旋圆偏振，135°线偏振和左旋圆偏振；如果选择在透射的竖直分量上加载 电压〇，|，和+，则对应的偏振基为45°线偏振，左旋圆偏振，135°线偏振和右旋圆 偏振。
[0025] 优选的，第四、五、六法拉第反射旋转镜FM分别单模光纤或保偏光纤与第二偏振 分束器PBS连接。
[0026] 优选的，编码器输出的偏振态由第二相位调制器PM的加载相位确定，当其加载相 ' 3 * 位为〇, |，％和f四种电压时，其中Vo为相位调制器的半波电压，则编码器输出的偏振 态分别为45°线偏振，左旋圆偏振，135°线偏振和右旋圆偏振。
[0027] 优选的，第二相位调制器PM在每个码位加载的四个电压由第二随机码发生器产 生，第二随机码发生）能够随机产生〇，f，V(l和f四种电压。
[0028] 内禀稳定的相位调制偏振编码量子编码器，通过相位调制偏振编码的方式制作相 应的量子编码器，采用上述量子编码器可以输出满足BB84协议的四种非正交偏振态，即， 45°线偏振，左旋圆偏振，135°线偏振和右旋圆偏振。还可利用上述内票稳定的相位调制 偏振编码量子解码器产生四种偏振测量基，对编码器输出的四种偏振态进行检测和解码。
[0029] 编码器和解码器的工作的稳定性不受外界环境的影响，并且上述编码器和解码器 中所用的连接光纤均可以采用加工方便和价格便宜的单模光纤，所以可称为内禀稳定的量 子编码器和解码器。上述量子编码器和解码器可应用于偏振编码的两态协议，BB84四态协 议，六态协议以及可能的