[发明专利]基于法拉第-萨格奈克环的单光子源及其实现方法

说明书

技术领域

本发明属于量子保密通信类，具体涉及基于法拉第-萨格奈克环的单光子源及其实现方法。

背景技术

量子保密通信的出现是保密通信领域的一次革命，相较于传统的基于算法复杂度的密钥分发方法，量子保密通信的安全性是由物理学基本原理所决定的。“量子态不可克隆原理”保证了在量子信道传输的信息只能有唯一的脚本；与此同时，“海森堡测不准原理”使得任何第三方的攻击与窃听都会破坏原有的信息，收发两端可以通过校验误码率发现窃听者的存在，确保传输信息的绝对安全。因此，与现行的保密通信方式相比，量子保密通信在应对未来可能出现的安全性攻击方面将展现巨大的优势，以其先天的保密特性在在国防、银行、电子商务等领域发挥巨大的作用。

量子保密通信以单光子为载体传输信息，单光子源是量子保密通信系统的重要模块。虽然实验上已经可以产生真正意义上的单光子，如金刚石NV色心发光等，但该方法所需仪器复杂、体积庞大，短期内无法应用在量子保密通信的实用化过程中。由于理想的单光子源制备复杂，目前，人们大都利用弱相干光源作为单光子源，具体通过将半导体激光器所产生的激光脉冲衰减至单光子水平实现。弱相干光源具有体积小、结构简单、脉冲重复频率可调等优点。但是弱相干光不是严格的单光子源，其光子数符合泊松分布，如目前通用的平均光子数为0.1的弱相干光，多光子脉冲在非空脉冲中所占的比例大约是5%，多光子脉冲可能会被第三方通过光子数分离攻击截获密文而不被通信双方发现，“诱骗态”的发明巧妙地解决了这个问题，使得这种光源可以应用在实际的量子保密通信中。

在量子保密通信系统中，为了保证更高的成码效率与更远的通信距离，要求单光子源具有窄脉冲宽度、窄光谱宽度、高消光比等特点。弱相干光源一般通过电脉冲信号对激光器进行直接调制获得，由于激光器工作在高速调制模式，所获得的输出光光谱宽度远大于连续模式的工作条件下。同时，该方法要求恒流源为激光器预置一定的偏置电流，然后将调制电流加载在激光器上，通过增益开关机制输出光脉冲信号。如果激光器不施加偏置电流，在高调制速率下，仅靠调制调电流无法获得相干激光输出，这是因为目前的宽带功率放大器驱动能力有限。偏置电流的施加意味着激光器在没有调制电流时，仍有自发辐射光输出，这会降低输出脉冲的消光比，进而增大量子保密通信系统接收端单光子探测器的误码率，降低系统的成码效率。另一方面，上述方案在保证一定消光比的情况下，要求所加载的偏置电流在激光器阈值电流之下。此时，激光器所发出的光有一部分为自发辐射光，由于自发辐射谱很宽，会增大输出激光的光谱宽度，这在长距离量子保密通信系统中会带来严重的色散问题，带来偏振变化不一致等情况。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了基于法拉第-萨格奈克环的单光子源及其实现方法，该方法利用窄线宽激光器产生连续激光，通过调制萨格奈克环内一对相向传输的正交偏振光的相位获得不同的相位差，由振动方向相互垂直的光波叠加原理，不同的相位差可以获得不同输出光偏振态，输出端利用检偏器的偏振选择特性产生脉冲光。该方法所产生的单光子信号具有高消光比、窄光谱宽度和宽重复频率调节范围等优点。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于法拉第-萨格奈克环的单光子源，其特征在于：所述单光子源的系统包括激光器、环形器、检偏器，以及一由四端口光纤分束器、相位调制器以及法拉第旋转镜构成的法拉第-萨格奈克环，所述激光器输出的连续光经所述环形器耦合进入所述四端口光纤分束器，所述四端口光纤分束器将所述连续光分为两束幅度相等、相位相同的正交线偏振光，所述线偏振光沿所述法拉第-萨格奈克环相向传输并在不同时刻接受所述相位调制器的调制，经过调制的所述线偏振光在所述四端口光纤分束器内叠加后，经所述环形器耦合进入所述检偏器。

所述连续光经由所述四端口光纤分束器分为两束所述正交线偏振光，是通过将所述四端口光纤分束器的输入端口的保偏尾纤慢轴与其内部的晶体S光成45°耦合。

所述激光器为处于连续输出模式的窄线宽半导体激光器，所述激光器的尾纤采用保偏光纤耦合输出并保证所述激光器输出的连续光的偏振态与所述保偏光纤的慢轴之间成平行。

所述保偏光纤可为熊猫光纤、椭圆光纤、领结光纤以及其它具有快轴和慢轴偏振保持效果的保偏光纤。

一种涉及上述的基于法拉第-萨格奈克环的单光子源的实现方法，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：

将所述窄线宽半导体激光器设置为连续输出模式使其输出连续光；