一种QKD的信号产生装置及信号产生方法与流程

本发明涉及量子密钥分发领域，具体来讲涉及一种qkd的信号产生装置及信号产生方法。

背景技术：

量子密钥分发(quantumkeydistribution，qkd)，是一种利用量子物理原理，在通信双方之间的信道里传输和建立保密的对称随机数的技术。该技术可以和现有的对称式密钥加密设备结合，实现量子保密通信。当前的商用qkd产品中，以bb84协议为代表的离散变量量子密钥分发(dv-qkd)，和以gg02协议为代表的连续变量量子密钥分发(cv-qkd)为主流。

用于产生dv-qkd的信号的装置，所利用到的物理载体的自由度，为单个光脉冲的偏振状态里的te(横电场)模式和tm(横磁场)模式，或者两个不重叠的时间位置(time-bin)模式，对应的dv-qkd实现方式则分别对应的称为偏振态编码和时间-相位编码。以te/tm模式为例，它们定义了单个物理载体的二元量子态由图1的bloch球的球面上的南极点和北极点来表示。bb84协议需要dv-qkd发射端，可以准确的产生对应bloch球面分别和z轴、x轴、y轴相交的共6个相交点的量子态：以及

用于产生cv-qkd的信号的装置，所利用到的物理载体的自由度，为单个光脉冲的正则分量x和p，如图2所示。{x,p}和相干光通信中的{i,q}分量是等同的定义，并且和光场的表达式e＝|e|*cos(ω*t+θ)当中的振幅|e|和初始相位角θ存在关系：x＝|e|*cos(θ)，p＝|e|*sin(θ)。执行了gg02协议的cv-qkd系统，需要每个周期内发送的x或p的值，都是来自一个平均值为0且给定方差的高斯随机分布；执行了qpsk(m-psk)协议的cv-qkd系统，需要每个周期内发送的{x,p}在坐标系里的点的集合，围绕原点形成一个圆环，环上相邻两个点的相位差值为π/2(2π/m)。

现有的技术中，产生dv-qkd的信号和产生cv-qkd的信号的装置不同，无法通过一种装置产生不同qkd信号，导致采购qkd发端功能芯片的成本较高。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种qkd的信号产生装置及信号产生方法，采用同一个信号产生装置，实现dv-qkd和cv-qkd的发端信号产生。

为达到以上目的，一方面，采取一种qkd的信号产生装置，包括：

脉冲激光器，其用于产生光脉冲；

第一强度调制器，调节接收光脉冲的强度；

第二强度调制器，用于通过调节光强度，按比例分光给其上路和下路两个输出端口；

上路快速相位调制器，与上路输出端口相连，用于将输入其中的光场增加第一相位因子后输出；

下路快速相位调制器，与下路输出端口相连，用于将输入其中的光场增加第二相位因子后输出；

偏振合成器件，用于将上路快速相位调制器和下路快速相位调制器的光合束输出，使上路快速相位调制器的光形成偏振态的te模能量分量，下路快速相位调制器的光形成偏振态的tm模能量分量。

优选的，所述装置还包括：

上路可调衰减器，设置于上路快速相位调制器和偏振合成器件之间，同于控制来自上路快速相位调制器的光场强度的衰减；

下路可调衰减器，设置于下路快速相位调制器和偏振合成器件之间，同于控制来自下路快速相位调制器的光场强度的衰减。

优选的，所述偏振合成器件是二维光栅，或者是偏振合束器。

另一方面，提供一种基于qkd的信号产生装置的dv-qkd的偏振态编码信号产生方法，包括：

为第一强度调制器设置至少三种不同的驱动电压，分别对应调节z轴、x轴和y轴上量子态的偏振态编码信号；

通过调节第二强度调制器的驱动电压，根据第二强度调制器的两个输出端口之一最大通光，上路快速相位调制器和下路快速相位调制器的不加载驱动电压，获得z轴上量子态的偏振态编码信号；

通过调节第二强度调制器的驱动电压，使第二强度调制器的输入端口到上路输出端口、以及第二强度调制器的输入端口到下路输出端口达到等比例通光，调节上路快速相位调制器和下路快速相位调制器的加载电压；根据下路快速相位调制器输出光相对于上路快速相位调制器输出光增加相位的不同角度，获得x轴和y轴上量子态的偏振态编码信号，且增加的角度为或其倍数。

优选的，采用不同驱动电压中第一种驱动电压调节第一强度调制器，调节第二强度调制器的驱动电压，使第二强度调制器的输入端口到上路输出端口达到最大通光，上路快速相位调制器和下路快速相位调制器均不加载电压，获得量子态|0>的偏振态编码信号。

优选的，采用不同驱动电压中的第二种调节第一强度调制器，调节第二强度调制器的驱动电压，使第二强度调制器的输入端口到下路输出端口达到最大通光，上路快速相位调制器和下路快速相位调制器均不加载电压，获得量子态|1>偏振态编码信号。

优选的，采用不同驱动电压中的第三种调节第一强度调制器，调节第二强度调制器的驱动电压，使第二强度调制器的输入端口到上路输出端口、以及第二强度调制器的输入端口到下路输出端口达到等比例通光，调节上路快速相位调制器和下路快速相位调制器的加载电压；

当下路快速相位调制器输出光和上路快速相位调制器输出光相位相同时，获得量子态的偏振态编码信号；

当下路快速相位调制器输出光，相对于上路快速相位调制器输出光增加相位π时，获得量子态的偏振态编码信号。

优选的，采用不同驱动电压中的第三种调节第一强度调制器，调节第二强度调制器的驱动电压，使第二强度调制器的输入端口到上路输出端口、以及第二强度调制器的输入端口到下路输出端口达到等比例通光，调节上路快速相位调制器和下路快速相位调制器的加载电压；

当下路快速相位调制器输出光，相对于上路快速相位调制器输出光增加相位时，获得量子态偏振态信号；

当下路快速相位调制器输出光，相对于上路快速相位调制器输出光增加相位时，获得量子态偏振态信号。

另一方面，提供一种基于qkd的信号产生装置的cv-qkd的单偏振高斯调制{x,p}信号产生方法，包括：

为第一强度调制器提供其产生振幅大小为瑞利分布的驱动电压；

调节第二强度调制器的驱动电压，使第二强度调制器的输入端口到上路输出端口达到最大通光；

下路快速相位调制器不加载电压；

调节上路快速相位调制器的驱动电压，使上路快速相位调制器产生0～2π区间均匀分布的相位值，相位值的个数等于2^n，且n为模数转换的位数。

另一方面，提供一种基于qkd的信号产生装置的cv-qkd的双偏振m-psk调制{x,p}信号产生方法，包括：

为第一强度调制器提供最大通光的驱动电压；

调节第二强度调制器的驱动电压，使第二强度调制器的输入端口到上路输出端口、以及第二强度调制器的输入端口到下路输出端口达到等比例通光；

分别调节上路快速相位调制器和下路快速相位调制器的驱动电压，使上路快速相位调制器和下路快速相位调制器分别产生0～2π区间均匀分布的相位值，且相位值的个数等于m。

上述技术方案中的一个具有如下有益效果：

qkd的信号产生装置基于共享的有源光学元件，通过光路上改变两个强度调制器和快速相位调制器的驱动电压加载的方式，可以实现dv-qkd和cv-qkd的发端信号产生，并且可以在硅光芯片或三五族光子芯片上实现，在大规模量产的情况下，可以通过一个信号产生装置实现dv-qkd和cv-qkd的信号产生需求，降低下游产业链对qkd发端功能装置的采购成本。

附图说明

图1为背景技术中dv-qkdbloch球面的示意图；

图2为背景技术中cv-qkd的信号正则分量在{x,p}坐标轴上的示意图；

图3为本发明实施例qkd的信号产生装置示意图；

图4为本发明另一实施例qkd的信号产生装置示意图；

图5为本发明实施例中产生dv-qkd的偏振态编码信号示意图；

图6为本发明实施例中，产生cv-qkd的单偏振高斯调制{x,p}信号的示意图；

图7为本发明实施例中，产生cv-qkd的双偏振m-psk调制{x,p}信号的示意图。

附图标号：

1-脉冲激光器，2-第一强度调制器，3-第二强度调制器，

41-上路快速相位调制器，42-下路快速相位调制器，

51-上路可调衰减器，52-下路可调衰减器，

6-偏振合成器件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图3所示，本实施例提供一种qkd的信号产生装置，包括一次级联的脉冲激光器1、第一强度调制器2和第二强度调制器3，第二强度调制器3具有上路输出端口d和下路输出端口e，两个输出端口分别连接上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42，上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42均与一个偏振合成器件6相连。

其中，脉冲激光器1用于产生光脉冲。光脉冲就是光源按着一定时间间隔时断时续的发光。

第一强度调制器2，用于调节接收的光脉冲的强度。

第二强度调制器3，用于调节其接收的光强度，并按比例分配给第二强度调制器3的两个输出端口。并且，第二强度调制器3接收的光功率值减去器件本身固有的损耗值后，等于两个输出端口光功率值的和。

上路快速相位调制器41，与第二强度调制器3的上路输出端口d相连，用于传播光场，将输入其中的光场增加第一相位因子后输出，i表示虚部，为相位。

下路快速相位调制器42，与第二强度调制器3的下路输出端口相连，用于传播光场，将输入其中的光场增加第二相位因子后输出，i表示虚部，为相位。

偏振合成器件6，用于将上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42的光合束输出，使上路快速相位调制器41的光形成偏振态的te模能量分量，下路快速相位调制器42的光形成偏振态的tm模能量分量。

具体的，偏振合成器件6接收来自上路快速相位调制器41的光不做处理传输到外部光纤耦合口，偏振合成器件6接收来自下路快速相位调制器42的光，偏振方向旋转90°后再传输到外部光纤耦合口，以此得到输出到光纤的光的偏振态的te模能量分量和tm模能量分量。

如图4所示，进一步的，为了更好的调整上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42，qkd的信号产生装置还可以包括上路可调衰减器51和下路可调衰减器52。

上路可调衰减器51设置于上路快速相位调制器41和偏振合成器件6之间，用于控制来自上路快速相位调制器51的光场强度的衰减。

下路可调衰减器52设置于下路快速相位调制器42和偏振合成器件6之间，用于控制来自下路快速相位调制器52的光场强度的衰减。

进一步的，偏振合成器件6可以是二维光栅，还可以是偏振合束器(polarizationbeamcombiner，pbc)。

为了更便于说明，本实施例中，第一强度调制器2的输入端口为a，输出端口为b。第二强度调制器3的输入端口为c，与b相连；输出端口分别为d和e。上路快速相位调制器41的输入端口和输出端口分别为f和g，f与d相连；下路快速相位调制器42的输入端口和输出端口分别为h和i，h和e相连。偏振合成器件6的输入端口为j和k，j和g相连，k和h相连，偏振合成器件6的输出端口为l，即前述外部光纤耦合口。

进一步的，两个快速相位调制器和两个可调衰减器均为波导器件，f→j可以视为光传播经过上路波导；h→k可以视为光传播经过下路波导；且上路波导4和下路波导5的设计长度相同。

基于上述实施例中的qkd的信号产生装置，通过对第一强度调制器2、第二强度调制器3、上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42进行对应的驱动电压的组合配置，就能产生偏振编码dv-qkd、单偏振高斯调制cv-qkd、以及双偏振m-pskcv-qkd分别所需的信号。

如图5所示，提供一种基于上述装置产生dv-qkd的偏振态编码信号的方法实施例，为第一强度调制器2设置至少三种不同的驱动电压，用于微调脉冲强度差异值，分别对应调节z轴、x轴和y轴上量子态的偏振态编码信号。

通过调节第二强度调制器3的驱动电压，根据第二强度调制器3的两个输出端口之一最大通光，上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42的不加载驱动电压，获得z轴上量子态的偏振态编码信号。

通过调节第二强度调制器3的驱动电压，使第二强度调制器3的输入端口c到上路输出端口d、以及第二强度调制器3的输入端口c到下路输出端口e达到等比例通光；调节上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42的加载电压；根据下路快速相位调制器42输出光相对于上路快速相位调制器41输出光增加相位的不同角度(即的差)，获得x轴和y轴上量子态的偏振态编码信号，且增加的角度为或其倍数，具体为0、π、

具体参见图5和表1，本实施例中，设置三种驱动电压，采用第一种驱动电压调节第一强度调制器2，调节第二强度调制器3的驱动电压，使第二强度调制器3的输入端口c到上路输出端口d(即c→d)达到最大通光，上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42均不加载电压，获得量子态|0>的偏振态编码信号。

采用三种不同驱动电压中的第二种调节第一强度调制器2，调节第二强度调制器3的驱动电压，使第二强度调制器3的输入端口c到下路输出端口e(即c→e)达到最大通光，上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42均不加载电压，获得量子态|1>偏振态编码信号。

采用三种不同驱动电压中的第三种调节第一强度调制器2，调节第二强度调制器3的驱动电压，使第二强度调制器3的输入端口c到上路输出端口d(即c→d)、以及第二强度调制器3的输入端口c到下路输出端口e(即c→e)达到等比例通光。此时，调节上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42的加载电压，可以分为如下四种情况：

当下路快速相位调制器42输出光和上路快速相位调制器41输出光相位相同时或者，在增加了可调衰减器的情况下，形成的下路波导对上路波导增加相位0时；获得量子态的偏振态编码信号。

当下路快速相位调制器42输出光，相对于上路快速相位调制器输出光41增加相位π时或者，在增加了可调衰减器的情况下，形成的下路波导对上路波导增加相位π时；获得量子态的偏振态编码信号。

当下路快速相位调制器42输出光，相对于上路快速相位调制器输出光41增加相位时或者，在增加了可调衰减器的情况下，形成的下路波导对上路波导增加相位时；获得量子态偏振态信号。

当下路快速相位调制器42输出光，相对于上路快速相位调制器输出光41增加相位时或者，在增加了可调衰减器的情况下，形成的下路波导对上路波导增加相位时；获得量子态偏振态信号。

表1：产生dv-qkd的偏振态编码信号，所对应的驱动电压方式

如图6所示，提供一种基于上述装置产生cv-qkd的单偏振高斯调制{x,p}信号的方法实施例，结合表2，具体驱动电压的调整方式包括：

为第一强度调制器1提供其产生振幅大小为瑞利分布的驱动电压；

调节第二强度调制器2的驱动电压，且为静态电压，使第二强度调制器2的输入端口c到上路输出端口d(c→d)达到最大通光；

调节上路快速相位调制器41的驱动电压，使上路快速相位调制器41产生0～2π区间均匀分布的相位值，相位值的个数等于2^n，且n为模数转换的位数；

下路快速相位调制器不加载电压；

至此，可以获得量子态为|x+ip>的cv-qkd的单偏振高斯调制{x,p}信号，且x和p分别服从均值为0给定方差的高斯分布。

表2：产生cv-qkd的单偏振高斯调制{x,p}信号，所对应的驱动电压方式

如图7所示，提供一种基于上述装置产生cv-qkd的双偏振m-psk调制{x,p}信号的方法实施例，结合表3，具体驱动电压的调整方式包括：

为第一强度调制器2提供最大通光的驱动电压；

调节第二强度调制器3的驱动电压，使第二强度调制器3的输入端口c到上路输出端口d(c→d)、以及第二强度调制器3的输入端口c到下路输出端口e(c→e)达到等比例通光；

分别调节上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42的驱动电压，使上路快速相位调制器41和下路快速相位调制器42分别产生0～2π区间均匀分布的相位值，且相位值的个数等于m；

至此，可以获得量子态为|x+ip>的cv-qkd的双偏振m-psk调制{x,p}信号，{x.p}在坐标系里的点的集合，围绕原点形成一个圆环，环上相邻两个点的相位差值为2π/m。

表3：产生cv-qkd的双偏振m-psk调制{x,p}信号，所对应的驱动电压方式

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。