一种干涉环臂长差的测量装置及方法与流程

本发明涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种干涉环臂长差的测量装置及方法。

背景技术：

1、量子密钥分发技术不同于依赖计算复杂度的密码，基于量子力学的量子态不可克隆和测不准原理，可抵抗量子计算等对密码的威胁。目前，基于诱骗态bb84协议的量子密钥分发设备通常需要高速、精确的强度调制，而采用偏振编码方案的量子密钥分发设备则通常需要高速、精确的偏振态调制。

2、例如，在图1所示的基于干涉环实现的强度调制方案中，强度调制结果与干涉环中的相位调制器在沿干涉环相向传输的两个光脉冲分量之间调制出的相位差有关，而这种相位差的精确调制与两个光脉冲分量到达干涉环中的相位调制器的时间差直接相关。同样，在图2所示的基于干涉环实现的偏振控制方案中，其偏振调制结果也与干涉环中的相位调制器在沿干涉环相向传输的两个光脉冲分量之间调制出的相位差有关，这种相位差的精确调制也与两个光脉冲分量到达相位调制器的时间差直接相关。

3、因此，在基于干涉环实现的例如强度调制和偏振控制方案中，干涉环中相向传输的两个光脉冲分量到达相位调制器的时间差的精确确定显得十分重要。由于两个光脉冲分量光速相同，两个光脉冲分量到达干涉环中的相位调制器的时间差，与干涉环光分束器两个端口到达相位调制器内部的路径差成正比，因此，这种时间差的控制就可以转换为路径差或者光纤长度差的控制，亦即臂长差的控制。

4、然而，由于相位调制器内部已封装好，为此难以直接使用常规的长度测量工具测量相位调制器内部的路径长度，亦即难以直接精确获得这种臂长差。

5、尽管现有技术已经提出了很多用于测量干涉仪中臂长差的解决方案，例如图3和4所示那样，但这些方案所针对的测量对象均为光纤迈克尔逊干涉仪或马赫增德尔干涉仪，其测量过程依赖于在向这类干涉仪输入一个光脉冲时，最终可以输出具有特定时间间隔的两个光脉冲，两个光脉冲与另一干涉仪干涉后可以出现三个光脉冲。而在采用干涉环的方案中，并不存在上述测量条件，导致无法利用现有的臂长差测量方法来精确获取其干涉环的臂长差。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种干涉环臂长差的测量装置及方法，其基于光脉冲在干涉环中发生干涉的结果与作用于相位调制器上的调制电信号之间的干涉环工作原理，提出通过控制光脉冲和调制电信号之间的相对延时，在干涉环中利用两个光脉冲分量分别对调制电信号的波形进行扫描，并基于扫描结果获取干涉环的臂长差。由此，可以以简单的测量结构和控制过程，精确地实现对干涉环臂长差的测量。

2、具体而言，本发明的第一方面涉及一种干涉环臂长差的测量方法，其包括光脉冲生成步骤、调制信号生成步骤、扫描步骤及测量步骤；

3、在所述光脉冲生成步骤中，按照第一时间序列生成光脉冲，并使其进入所述干涉环；

4、在所述调制信号生成步骤中，按照所述第一时间序列生成调制电信号，所述干涉环中的相位调制器基于所述调制电信号对所述光脉冲进行调制；

5、在所述扫描步骤中，在t(i)时刻，控制延时单元在所述光脉冲和调制电信号之间引入相对延时量dt(i)，并利用测量仪器测量在所述延时量dt(i)下，所述光脉冲在干涉环中形成的干涉信号，以获得测量结果r(i)；

6、在所述测量步骤中，利用所述测量结果r(i)与延时量dt(i)的对应关系，获取所述干涉环的臂长差l，i＝1、...、n，n为正整数。

7、进一步地，相邻两个时刻t(i)与t(i-1)之间的时间差被设置成大于所述延时单元的响应时间和所述测量仪器的响应时间之和。

8、进一步地，所述臂长差l＝t*c/n，t＝|t2-t1|，c为光速，n为所述干涉环的传输介质的折射率，t1和t2分别为使所述干涉环中的两个光脉冲分量在时间上与调制电信号的中心位置对齐时，由所述延时单元引入的延时量。

9、可选地，在所述测量步骤中，利用特征曲线表示所述对应关系，所述特征曲线的第一坐标轴为所述延时量dt(i)，第二坐标轴为所述测量结果r(i)。

10、更进一步地，所述特征曲线具有第一峰和第二峰，所述第一峰具有最大的第二坐标值p1_max，所述第二峰具有最大的第二坐标值p2_max；

11、在所述测量步骤中，确定所述第一峰的上升沿和下降沿上第二坐标值为k*p1_max的点的第一坐标值dt1_u和dt1_d，以及所述第二峰的上升沿和下降沿上第二坐标值为k*p2_max的点的第一坐标值dt2_u和dt2_d，并且根据公式t1＝(dt1_u+dt1_d)/2，t2＝(dt2_u+dt2_d)/2计算所述t1和t2，其中，k为预设的系数。

12、优选地，将所述系数k设置为0.8。

13、优选地，所述光脉冲和调制电信号采用同源的周期信号。

14、可选地，借助电延时芯片或可调光纤延迟线实现所述延时单元。

15、可选地，对于用于强度调制的干涉环，所述测量仪器为光功率测量仪器；对于用于偏振调制的干涉环，所述测量仪器为偏振分析仪器。

16、本发明的第二方面涉及一种干涉环臂长差的测量装置，其包括脉冲光源、驱动电路、延时单元、测量仪器及控制单元；

17、所述脉冲光源被设置成按照第一时间序列生成光脉冲并输出给干涉环；

18、所述驱动电路被设置成按照所述第一时间序列生成调制电信号并输出给所述干涉环中的相位调制器；

19、所述延时单元被设置用于在t(i)时刻，在所述光脉冲和调制电信号之间引入相对延时量dt(i)；

20、所述测量仪器被设置用于测量所述光脉冲在干涉环中形成的干涉信号，以获得测量结果r(i)，所述测量结果r(i)对应于所述延时量dt(i)；

21、所述控制单元被设置用于根据所述测量结果r(i)与延时量dt(i)的对应关系，确定所述干涉环的臂长差l，i＝1、...、n，n为正整数。

22、进一步地，本发明的测量装置还可以包括时钟源，所述时钟源被设置用于向所述脉冲光源和驱动电路提供时间同步信号。

23、更进一步地，所述延时单元包括电延时器件，其设置在所述时钟源与脉冲光源之间和/或所述时钟源与驱动电路之间；以及/或者，所述延时单元包括可调光纤延迟线，其设置在所述脉冲光源与干涉环之间。

24、可选地，所述测量仪器包括光功率测量仪器或者偏振分析仪器。

25、进一步地，所述控制单元用于控制所述延时单元，且被设置成相邻两次改变所述延时量dt(i)的时间间隔大于所述延时单元的响应时间和所述测量仪器的响应时间之和。

26、进一步地，所述控制单元被设置成根据公式l＝t*c/n计算所述臂长差l，t＝|t2-t1|，c为光速，n为所述干涉环的传输介质的折射率，t1和t2分别为使所述干涉环中的两个光脉冲分量在时间上与调制电信号的中心位置对齐时，由所述延时单元引入的延时量。

27、更进一步地，所述控制单元被进一步设置成：

28、分别以所述延时量dt(i)和测量结果r(i)为第一和第二坐标轴生成特征曲线，并获取所述特征曲线的第一峰的最大第二坐标值p1_max，以及第二峰的最大第二坐标值p2_max；以及，

29、确定所述第一峰的上升沿和下降沿上第二坐标值为k*p1_max的点的第一坐标值dt1_u和dt1_d，所述第二峰的上升沿和下降沿上第二坐标值为k*p2_max的点的第一坐标值dt2_u和dt2_d，并根据公式t1＝(dt1_u+dt1_d)/2、t2＝(dt2_u+dt2_d)/2计算所述t1和t2，其中，k为预设的系数。

30、优选地，所述系数k＝0.8。