[发明专利]一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统与编码方法

说明书

一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，将偏振编码器和偏振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上，利用相位调制器和两维光栅耦合器为基本器件，实现了QKD系统的偏振编/解码，具有系统简单，编/解码速度高、可靠性高等优点，在发射端发射端，需要1个单光子源，相对于传统的偏振编码QKD系统的4或8个单光子源，大大降低了成本和系统复杂度；在接收端相对于传统的偏振编码QKD系统，利用了2个单光子探测器代替4个单光子探测器实现了信号的接收，降低了系统的成本和复杂度。另外，本发明还提供了基于硅基集成芯片的偏振编码的编码方法，在编/解码速率上具有极大的优势，可实现超过10GHz偏振编码QKD系统。

技术领域

本发明涉及光传输安全通信技术领域，特别涉及一种基于硅基集成芯片的 偏振编码QKD系统与编码方法。

背景技术

量子信息技术起源于上世纪80年代，主要分为量子通信和量子计算两大研 究方向。随着科学技术的不断进步，基于经典信息的加密技术由于其底层基本 原理的局限性，存在着固有的安全隐患。量子保密通信因为量子力学的基本定 律，具有物理上的无条件的安全性。因此，量子密钥分发技术(Quantum Key Distribution，QKD)的应用越来越广泛。QKD系统常用的编码方式主要有偏振 编码和相位编码。基于光的偏振特性的量子密钥分配系统(QKD)是当前很常用 且在不断改进创新的量子密码系统。

BB84协议常用的偏振编码的4种偏振态为其中，直角基矢|H/V〉下的两个态相互正交，斜对角基矢|+/-〉 下的两个态也相互正交，而两个基矢之间的量子态不正交。一种经典的偏振调 制QKD系统的具体物理实现如图1所示。系统包括发送端Alice、接收端Bob 及两者之间的光纤信道，由单光子源、偏振控制器、偏振分束器、3dB耦合器、 单光子探测器组成。在发送端，BB84协议所需的2组基矢4个偏振态中每个态 都使用独立的一个单光子源通过偏振控制器生成，并经过偏振分束器、3dB耦合 器等耦合到同一路光纤中，之后通过量子信道传输到接收端。接收端通过分束 器分成两路，每一路通过一个偏振控制器将测量基矢调节为|H/V〉基矢和|+/-〉 基矢，再经过偏振分束器进行偏振分析，之后在单光子探测器上进行探测。

这种基于光的偏振特性的QKD系统由传统分立的光学元器件搭建而成，系 统复杂，其发送端Alice需要4个或8个单光子源，其接收端Bob需要4个单光 子探测器。单光子源和单光子探测器是QKD系统中成本较高的部分，因此基于 偏振编码的QKD系统具有体积大、成本高、系统稳定性不足等缺点。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统与编码方 法，以解决现有技术中偏振编码的QKD系统因单光子源和单光子探测器应用数 量较多导致的体积大、成本高、系统稳定性不足的技术性缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发射编码端以及接收解 码端，所述发射编码端包括依次连接的单光子源、编码-偏振控制器和偏振编码 器，所述接收解码端包括解码-偏振控制器、接收端-两维光栅耦合器、偏振解码 器以及两路单光子探测器，所述偏振编码器包括相连接的编码-前端干涉环与编 码-后端编码环，所述编码-前端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有第一相位调 制器，所述编码-后端编码环的上、下两臂中分别设有第二相位调制器、第三相 位调制器，所述编码-后端编码环的输出端连接发射端-两维光栅耦合器，所述发 射端-两维光栅耦合器通过光纤信道连接解码-偏振控制器，所述解码-偏振控制 器与接收端-两维光栅耦合器连接，所述偏振解码器包括相连接的解码-前端解码 环与解码-后端干涉环，所述解码-前端解码环的上、下两臂中分别设有第四相位 调制器、第五相位调制器，所述解码-后端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有 第六相位调制器，所述接收端-两维光栅耦合器连接解码-前端解码环，所述解码 -后端干涉环的上、下两臂分别连接有一路单光子探测器，所述偏振编码器和偏 振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上。