[实用新型]具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片及系统

说明书

本实用新型提出了一种具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片及系统。该光芯片包括第一强度调制模块、第二强度调制模块、第三强度调制模块以及第一相位调制模块，且形成有第一耦合光栅型光信号输入接口、第二耦合光栅型光信号输入接口、第三光信号输入接口、以及第一和第二光信号输出接口，从而允许在光信号上实现多种编码方案。

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，具体涉及一种能够提供多种编码功能的量子密钥分发光芯片，以及利用光芯片实现的量子密钥分发系统。

背景技术

基于量子不确定性原理的量子密钥分发是一种已被理论证明无条件安全的实用化量子通信技术，是当前日益严重的信息安全问题的终极解决方案。随着量子通信向工程化、规模化、高性能深入发展，对投入实际应用的产品要求日益提高，包括设备自身的稳定性、可靠性、可制造性、可测试性、购置成本、运营维护成本等。现有实际器件具有各种性能缺陷和不完美因素，这将日益成为阻碍量子通信产业化飞速发展进程的因素。当代主流通信设备发展、演进方向，无外乎三个方面：1)更小尺寸、更低成本；2)更低功耗，绿色通信；3)更好的稳定性、可靠性和广泛的环境适应性。要解决以上问题，普遍适用的解决方案是持续提高产品的集成度，通过集成电子学、光电和光学单元，降低内部互连复杂度，缩减尺寸，降低功耗，通过封装技术改进机械、气候环境适应能力。因此，对于量子通信产品中光学、光电、电子学功能以及数据处理等综合集成的需求已日益迫切，受到国内外研究机构和产业主流公司的关注与重视。

然而，现有的量子密钥分发方案通常都是基于非光芯片实现方式设计的，直接将其以光芯片方式实现可能存在一些问题。例如，在传统的用于时间相位编码的量子密钥分发系统中，采用了等臂干涉仪与不等臂干涉仪相结合的方案。然而，在将此方案直接用于实现光芯片时，由于在芯片上刻蚀较长的臂长差存在很大的技术难度，在小型芯片上进行长臂长差的刻蚀工艺难，难以布局，刻蚀一致性差，衰减大，且一旦刻蚀了不能大幅度调整臂长差的设置值等，因此，难以获得满意的用于时间相位编码的量子密钥分发系统的光芯片。

同时，随着QKD协议的发展，2018年提出了一种新型的相位编码协议，即TF-QKD协议。相比于现有BB84协议，TF-QKD协议有了更多的编码调制需求，对于芯片衰减控制将要求更为严格。同时，兼容BB84协议和TF-QKD协议需要仔细设计，才能同时满足不同协议的需求。

实用新型内容

针对这一问题，本实用新型公开了一种基于硅基芯片实现的可提供多种编码功能的光芯片，以及基于该光芯片实现的量子密钥分发系统。借助本实用新型的光芯片结构，可以避免因刻蚀工艺限制造成不等臂干涉仪臂长差精确控制上的不足，允许以简单、稳定且易于控制的芯片光路结构，在连续光和脉冲光形式的光信号上满足包括BB84协议、TF-QKD协议在内的多种协议下的编码需求，制备相应的量子态；同时，在各种协议对应的编码过程中，均允许在光信号上实现低的光学损耗，这对于光芯片设计和参数测试标校而言是极其有利的。此外，根据本实用新型的光芯片还允许以低的功耗提供芯片调控功能。由此，实现一种低功耗且能够实现多种编码功能的光芯片。

具体而言，本实用新型的第一方面涉及一种具有多种编码功能的量子密钥分发光芯片，其包括第一强度调制模块、第二强度调制模块、第一相位调制模块以及第一和第二功率监测单元，且形成有第一耦合光栅型光信号输入接口、第二耦合光栅型光信号输入接口和第一光信号输出接口；

所述第一和第二耦合光栅型光信号输入接口被设置用于允许光信号输入所述光芯片；

所述第一光信号输出接口被设置用于允许从所述光芯片向外输出光信号；

所述第一强度调制模块通过波导直接连接所述第一耦合光栅型光信号输入接口，用于对光信号进行强度调制，使不同量子态的光信号之间满足预设光强关系；

所述第二强度调制模块通过波导直接连接所述第二耦合光栅型光信号输入接口，同时还连接所述第一强度调制模块，用于对来自所述第二耦合光栅型光信号输入接口或第一强度调制模块的光信号进行强度调制，以在所述光信号上实现诱骗态编码；