一种量子密钥分发编解码硅基芯片及其匹配方法

本发明涉及一种量子密钥分发编解码硅基芯片及其匹配方法，属于量子密钥分发。

背景技术：

1、量子密钥分发技术(qkd)能够使通信双方安全的共享密钥，广泛应用在量子通信领域中。现有技术中光量子通过偏振编解码、相位编解码和时间相位编解码等多种编解码的方式形成量子密钥，即光源发射脉冲光经过可调衰减器，将脉冲光衰减成单光子量级，进入编码器进行编码后输出到量子信道，接收端解码器接收脉冲后进行解码，后经探测和对基后形成密钥。提高密钥生成效率成为了qkd技术发展的重要方向，目前提高光源的脉冲重复频率是提升通信双方密钥生成效率的有效方法。在现有技术中，qkd设备在进行量子态的编解码中，，当光源脉冲重复频率提高后，发射编码器和接收解码器中的延迟线的延时量需要相应匹配，同时，调制器的调制速率也要对应匹配。

2、对于不同厂家或相同厂家不同代际的qkd设备，所采用的编解码器并不一致，当光源脉冲重复频率不同时，造成编解码模块与光源不匹配。例如相位编码和时间相位编码，不同脉冲重复频率的光源，所对应的编解码模块中延迟线的延时量和调制器的相位调制速率是有差别的；当采用不同厂家或者代际不同的qkd设备组成网络的收发两端设备时，会出现编码模块中延时量和解码模块中延时量不匹配，以及编码模块的调制速率和解码模块的调制速率不匹配等问题，进而导致密钥不能有效的生成。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种量子密钥分发编解码硅基芯片及其匹配方法，用以解决不同厂家或相同厂家不同代际的qkd设备在组建网络时，发射端编码器与接收端解码器之间匹配的脉冲重复频率不同导致的密钥无法有效生成的问题。

2、为实现上述目的，本发明的方案包括：

3、本发明的一种量子密钥分发编解码硅基芯片，包括至少1个光功率分配单元、光电探测器、至少4个微型谐振腔和至少2个编解码器；一个编解码器配置有两个微型谐振腔，一个与编解码器的输入端口连接，用于接收输入到该编解码器的光脉冲，另一个与该编解码器的输出端口连接，用于输出该编解码器的光脉冲信号，所述第一光功率分配单元与光电探测器连接，用于将输入的光脉冲一部分通过与光脉冲重复频率匹配的编解码器对应的输入微型谐振腔分配至该编解码器中，另一部分分配至光电探测器中；所述光电探测器用于实时探测输入光并根据探测结果得到光脉冲的重复频率；所述微型谐振腔用于当光脉冲重复频率与该微型谐振腔连接的编解码器匹配时，调整谐振波长与光脉冲波长一致，并在光脉冲重复频率与该微型谐振腔连接的编解码器不匹配时，调整谐振波长，使该谐振波长与光脉冲波长差大于设定阈值。

4、有益效果：本发明的量子密钥分发编解码硅基芯片，包括有光功率分配单元、光电探测器、微型谐振腔和编解码器，芯片构成简单紧凑。根据光电探测器检测得出输入光脉冲的重复频率，选择与之匹配的编解码器件，通过调节与编解码器连接的微型谐振腔的谐振波长，保证光脉冲接入该光路中，对于不匹配的其他编解码器，调整与其相连的微型谐振腔谐振波长，使该谐振波长与光脉冲波长差大于设定阈值解决不同厂家的量子密钥分发设备或者同厂家不同代际的量子密钥分发设备组网过程，因发射端编码器与接收端解码器之间匹配的脉冲重复频率不同导致的密钥无法有效生成的问题。

5、进一步地，所述的光功率分配单元包括n个，n≥3，各光功率分配单元通过直波导串联，所述编解码器依次设置在第2到第n光功率分配单元中的相邻两个光功率分配单元的直波导外侧，该编解码器通过对应的微型谐振腔连接至直波导外侧。

6、有益效果：本发明的光功率分配单元为多个，该芯片的构成紧凑，扩展了光分配单元的网路规模，能够实现更大光脉冲重复频率范围的匹配。

7、进一步地，所述的光功率分配单元有1个，与输入波导连接，所述编解码器设置在输入波导和输出波导的内侧，与编解码器输入端口连接的微型谐振腔连接到输入波导，与编解码器输出端口连接的微型谐振腔连接到输出波导。

8、有益效果：光功率分配单元有1个时，节省了光功率分配单元，进而节省了芯片的空间尺寸以及制作成本。

9、进一步地，第2到第n光功率分配单元所连接的直波导有两根，每根直波导的外侧均设置有编解码器和微型谐振腔。

10、有益效果：第2到第n光功率分配单元所连接的直波导有两根，每根直波导的外侧均设置有编解码器和微型谐振腔，该芯片结构简单紧凑，能够合理利用芯片的空间，通过编解码器和微型谐振腔，实现光功率的灵活分配。

11、进一步地，所述光功率分配单元为2×2的马赫曾德尔干涉结构。

12、有益效果：光功率分配单元为2×2的马赫曾德尔结构该结构可以控制两个输出端口的光功率。

13、进一步地，所述微型谐振腔为微盘型谐振腔或微环型谐振腔。

14、有益效果：微型谐振腔为微盘型谐振腔或微环型谐振腔，微盘型谐振腔通过热光效应改变波导中光的相位，微环型谐振腔通过在热电极上施加电压产生热量来改变下方波导中光的相位，从而调整谐振波长，两种谐振腔结构简单微小，能够很好的调整谐振波长。

15、进一步地，当光电探测器检测到光脉冲重复频率发生变化时，停止当前工作的编解码器，根据当前得到的光脉冲重复频率，启动与该光脉冲重复频率匹配的编解码器，并控制与该编解码器耦合的微型谐振腔，使谐振波长与当前光脉冲波长一致，控制与该光脉冲重复频率不匹配的编解码器所连接的微型谐振腔的谐振波长，使该谐振波长与输入的光脉冲波长的波长差大于设定阈值。

16、有益效果：当光脉冲重复频率发生变化时，当前编解码器无法进行编码解码，停止当前工作的编解码器，根据当前得到的光脉冲重复频率，启动与该光脉冲重复频率匹配的编解码器，通过实时计算光脉冲重复频率，实时调整微型谐振腔，选择能够匹配编解码器，实现了密钥有效生成。

17、本发明的一种量子密钥分发的编解码器匹配方法，包括以下步骤：

18、1)输入光脉冲，对输入的光脉冲的重复频率进行计算；

19、2)根据得到的光脉冲重复频率，选择与该光脉冲重复频率匹配的编解码器，并控制所选的编码器连接的微型谐振腔的谐振波长，使该谐振波长与输入的光脉冲波长一致，将光脉冲输入到该编解码器所在支路，控制与该光脉冲重复频率不匹配的编解码器所连接的微型谐振腔的谐振波长，使该谐振波长与输入的光脉冲波长的波长差大于设定阈值，所述编解码器至少为两个。

20、有益效果：本发明的量子密钥分发的编解码器匹配方法，根据输入的光脉冲，计算出得出输入光脉冲的重复频率，选择与之匹配的编解码器件，通过调节与编解码器连接的微型谐振腔的谐振波长，保证光脉冲接入该光路中，控制与该光脉冲重复频率不匹配的编解码器所连接的微型谐振腔的谐振波长偏离光脉冲波长，偏离值大于设置阈值，解决不同厂家的量子密钥分发设备或者同厂家不同代际的量子密钥分发设备组网过程，因发射端编码器与接收端解码器之间匹配的脉冲重复频率不同导致的密钥无法有效生成的问题。

21、进一步地，所述编解码器配置有两个微型谐振腔，一个与编解码器的输入端口连接，用于接入该编解码器的光脉冲，另一个与该编解码器的输出端口连接，用于输出该编解码器的光信号。

22、有益效果：编解码器配置有两个微型谐振腔，通过调节微型谐振腔的谐振波长，使光脉冲接入或者不接入该光路中。

23、进一步地，当输入的光脉冲重复频率发生变化时，停止当前工作的编解码器，根据当前得到的光脉冲重复频率，启动与该光脉冲重复频率匹配的编解码器，并控制所选的编码器连接的微型谐振腔的谐振波长，使该谐振波长与输入的光脉冲波长一致，控制与该光脉冲重复频率不匹配的编解码器所连接的微型谐振腔的谐振波长，使该谐振波长与输入的光脉冲波长的波长差大于设定阈值。

24、有益效果：当光脉冲重复频率发生变化时，当前编解码器无法进行编码解码，停止当前工作的编解码器，根据当前得到的光脉冲重复频率，启动与该光脉冲重复频率匹配的编解码器，通过实时计算光脉冲重复频率，实时调整微型谐振腔，选择能够匹配编解码器，实现了密钥有效生成。