一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置和CV-QKD系统的制作方法

本发明涉及连续变量量子密钥分发，具体而言，涉及一种基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置和cv-qkd系统。

背景技术：

1、随着量子计算技术的发展，基于计算复杂度的经典密码体系面临重大的安全隐患。量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)是一种基于量子物理原理的密钥分发系统，具有无条件安全性，引起了广泛的关注与研究。连续变量量子密钥分发(continuousvariable quantum key distribution,cv-qkd)技术具有码率高、与经典光纤通信器件及网络融合性好等优点，应用前景广阔。

2、现有的cv-qkd系统通常采用离散光电器件，存在集成度低、体积大、成本高等缺点。为克服以上缺点，可采用集成光学方法提升cv-qkd的集成度。cv-qkd系统分为发送端和接收端两部分。发送端对制备cv-qkd协议所需量子态，主要通过信号调制和可调光衰减完成。其中，信号调制模块完成信号在iq相空间中的信息调制，可调光衰减模块完成信号方差的准确调控。信号方差的调制精度是制约系统性能和安全性的重要指标。

3、对于基于离散光电器件的cv-qkd系统，可调光衰减模块通常采用机械方法改变光的透射率从而实现光强的衰减调控，可控性强。然而，上述方法不适用于集成光学方案的cv-qkd系统。对于cv-qkd系统，一方面，需要将光强衰减到量子等级，需要非常大的衰减系数；另一方面，cv-qkd系统对衰减的精度要求高，且对噪声非常敏感，需要严格控制参数(如温度)的波动对可调光衰减器的影响。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在现有离散光电器件的cv-qkd系统中可调光衰减模块的光强衰减调控方式不适用于集成光学方案的cv-qkd系统；需要一种具有高衰减系数高精度的可调光衰减器以实现cv-qkd系统片上集成；cv-qkd系统对衰减的精度要求高，且对噪声非常敏感，需要严格控制参数的波动对可调光衰减器的影响，而对于高精度的温度控制难度较大的技术问题之一。

2、为此，本发明第一方面提供了一种基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置。

3、本发明第二方面提供了一种cv-qkd系统。

4、本发明提供了一种基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置，包括：光分束单元、第一干涉臂、第二干涉臂和光合束单元；

5、所述光分束单元分别与第一干涉臂和第二干涉臂相连，所述第一干涉臂设有第一热相移单元，所述第二干涉臂设有第二热相移单元，所述第一热相移单元和第二热相移单元分别与光合束单元相连；

6、所述光分束单元用于将入射光信号分为两束光，并使两束光分别以透射系数η1和η2进入第一干涉臂和第二干涉臂；所述第一热相移单元用于对经过第一干涉臂的光场引入相位变化所述第二热相移单元用于对经过第二干涉臂的光场引入相位变化所述光合束单元用于对经过第一热相移单元和第二热相移单元的光场进行合束，形成输出光场；

7、所述可调光衰减装置用于将入射光信号衰减到微弱量子信号；所述第一干涉臂和第二干涉臂不平衡，通过采用干涉臂不平衡的可调光衰减装置降低可调光衰减装置的光衰减系数对温度波动的敏感度。

8、根据本发明上述技术方案的一种基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置，还可以具有以下附加技术特征：

9、在上述技术方案中，入射光信号经过所述可调光衰减装置后的输出光场为：

10、

11、其中，输入可调光衰减装置的入射光信号的光场为η3为经过第一热相移单元的光信号的透射系数，η4为经过第二热相移单元的光信号的透射系数。

12、在上述技术方案中，入射光信号经过所述可调光衰减装置后的输出光场的光强可表征为：

13、

14、其中，iout为可调光衰减装置输出光强，iin为可调光衰减装置输入光强，为第一干涉臂和第二干涉臂的相对相位差。

15、在上述技术方案中，通过改变第一干涉臂和第二干涉臂的相对相位差，实现可调光衰减功能；光衰减系数为：

16、

17、本发明还提供了一种cv-qkd系统，所述cv-qkd系统采用集成光学方法集成于片上，包括光源产生模块、信号调制模块和可调光衰减模块；

18、所述光源产生模块与信号调制模块相连，用于产生光载波信号，并将光载波信号传递给信号调制模块；

19、所述信号调制模块与可调光衰减模块相连，用于根据cv-qkd系统采用的协议，对光信号的iq分量分别进行调制，并将调制后的光信号发送给可调光衰减装置。

20、所述可调光衰减模块用于根据系统给定的调制方差要求，对光信号进行衰减，并将衰减后得到的光量子信号输出到信道中；

21、所述可调光衰减模块包括若干个级联设置的如上述技术方案中任一项所述的一种基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置。

22、根据本发明上述技术方案的一种cv-qkd系统，还可以具有以下附加技术特征：

23、在上述技术方案中，所述可调光衰减模块包括至少两个基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置；

24、若干个基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置级联设置，通过若干个基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置级联降低可调光衰减模块光衰减系数对温度波动的敏感度。

25、在上述技术方案中，所述光分束单元分出的两束光的透射系数不平衡，从而使任一可调光衰减装置内的第一干涉臂和第二干涉臂不平衡。

26、在上述技术方案中，若干个基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置级联设置后，第一热相移单元和第二热相移单元在温度发生波动时，产生的相位波动为：

27、

28、其中，为相位的波动，l为热移相器沿光传输方向的长度，δt为温度波动，为介电常数随温度的变化率，n为可调光衰减装置的数量。

29、综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：

30、采用mach-zehnder(mz)干涉方案，通过降低干涉两臂的功率平衡，从而减少光衰减系数对温度波动的敏感性，提高光强衰减的可控性。同时，采用多个基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置级联，实现大幅光衰减，解决集成化cv-qkd系统所需的高精度片上可调光衰减控制问题。并且降低温度波动引入的过噪声，有效提升系统安全码率。

31、本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置，其特征在于，包括：光分束单元、第一干涉臂、第二干涉臂和光合束单元；

2.根据权利要求1所述的一种基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置，其特征在于，入射光信号经过所述可调光衰减装置后的输出光场为：

3.根据权利要求2所述的一种基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置，其特征在于，入射光信号经过所述可调光衰减装置后的输出光场的光强可表征为：

4.根据权利要求3所述的一种基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置，其特征在于，通过改变第一干涉臂和第二干涉臂的相对相位差，实现可调光衰减功能；可调光衰减装置的光衰减系数为：

5.一种cv-qkd系统，其特征在于，包括光源产生模块、信号调制模块和可调光衰减模块；

6.根据权利要求5所述的一种cv-qkd系统，其特征在于，所述可调光衰减模块包括至少两个基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置；

7.根据权利要求6所述的一种cv-qkd系统，其特征在于，所述光分束单元分出的两束光的透射系数不平衡，从而使任一可调光衰减装置内的第一干涉臂和第二干涉臂不平衡。

8.根据权利要求7所述的一种cv-qkd系统，其特征在于，若干个基于mz干涉结构的片上可调光衰减装置级联设置后，第一热相移单元和第二热相移单元在温度发生波动时，产生的相位波动为：

技术总结
本发明提供了一种基于MZ干涉结构的片上可调光衰减装置和CV‑QKD系统，包括：光分束单元、第一干涉臂、第二干涉臂和光合束单元；所述光分束单元分别与第一干涉臂和第二干涉臂相连，所述第一干涉臂设有第一热相移单元，所述第二干涉臂设有第二热相移单元，所述第一热相移单元和第二热相移单元分别与光合束单元相连；所述第一干涉臂和第二干涉臂不平衡，通过采用干涉臂不平衡的可调光衰减装置降低可调光衰减装置的光衰减系数对温度波动的敏感度。CV‑QKD系统中的可调光衰减模块包括若干个级联设置的非平衡的可调光衰减装置。可以在实现大幅光衰减、解决集成化CV‑QKD系统所需的高精度片上可调光衰减控制问题的同时，降低温度波动引入的过噪声，有效提升系统安全码率。

技术研发人员：李扬,徐兵杰,张涛,黄伟,马荔,杨杰,樊矾,吴梅,张帅,周创,罗钰杰,胡金龙,张亮亮
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第三十研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13