[发明专利]两级偏振编码装置、编码方法及量子密钥分发光源

说明书

一种偏振编码装置，包括两级Sagnac环，具体包括环形器1、偏振分束器PBS1、相位调制器PM1、环形器2、偏振分束器PBS2、相位调制器PM2几个部分，其中，环形器1和环形器2均包括第一端口a，第二端口b和第三端口c；PBS1和PBS2均包括第一端口1，第二端口2和第三端口3；PBS1和PBS2的第二端口2和第三端口3之间通过基于Sagnac环的保偏光纤连接以形成双向环光路；输入光通过输入光纤连接到环形器1的第一端口a，输入光纤为保偏光纤；输出光通过输出光纤连接到环形器2的第三端口c，输出光纤为单模光纤。本发明使用两通道、单幅值的脉冲信号驱动，满足了偏振编码QKD实验制备4种偏振态的需求，避免了单通道、多幅值的脉冲信号产生的技术难题，实现难度小、可靠性高。

技术领域

本发明涉及光偏振编码领域，特别涉及用于诸如量子密钥分发系统中的偏振编码装置，以及利用其进行偏振态编码的方法。

背景技术

量子通信作为当今物理学的前沿领域之一，其基于量子力学的基本物理原理保证了信息传输的无条件安全性，是量子信息学最先走向实用化的一个发展方向。量子通信的核心就是量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)，量子密钥分发可以实现相距遥远的通信双方共享无条件安全的量子密钥，再结合“一次一密”的加密方法，可以实现经过信息论严格数学证明的安全通信。BB84协议是Bennett等人于1984提出的第一个QKD协议，也是迄今为止使用最广泛的QKD之一。在自由空间和星地的QKD实验中，由于大气对偏振态的保真度较好，因此多采用基于偏振态进行编码，对应的就需要进行QKD光源的偏振态调制，来实现对两个正交基矢的四种偏振态的随机编码。

常用的偏振编码方法主要有两种。一种是基于基于伲酸锂晶体或砷化镓材料的偏振调制器使用外部的线偏振光经过45度转轴后输入，H、V两个偏振分量分别沿着调制器晶体的两个轴向传输，通过在调制器上施加电压信号，造成在H、V两个偏振分量之间引入额外的相位差，并在调制器晶体的输出端口处发生干涉，产生不同的偏振态。另一种是基于环形器+Sagnac环的偏振调制方法，通过构建Sagnacx结构的干涉环，通过相位调制器在顺时针和逆时针两个分量之间引入额外的相位差，最终干涉产生不同的偏振态。

对于目前已经报道的这些偏振编码方法，均采用了单级偏振编码的方案。为了产生偏振编码QKD实验所需的4种偏振态，需要产生幅度分别为0、1/2V_π、V_π、3/2V_π等四种电压值的脉冲信号，其中V_π为偏振调制器或相位调制器的半波电压。考虑到调制器的典型半波电压约5V，则分别要产生幅度分别为0、2.5V、5V、7.5V等四种电压值的脉冲信号，用于驱动调制器实现对目标偏振态的制备，同时为了保证所制备偏振态的保真度，也对脉冲信号提出了低抖动的要求。随着重复频率从MHz逐渐提高到GHz以上，这种多幅值、低抖动、大电压的脉冲信号产生，对驱动电子学提出了极高的需求，技术复杂、实现难度大、可靠性低，这在一定程度上限制了单级偏振编码装置的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种两级偏振编码装置、编码方法及量子密钥分发光源，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种偏振编码装置，包括两级Sagnac环，具体包括环形器1、偏振分束器PBS1、相位调制器PM1、环形器2、偏振分束器PBS2、相位调制器PM2几个部分，其中，

环形器1和环形器2均包括第一端口a，第二端口b和第三端口c；

PBS1和PBS2均包括第一端口1，第二端口2和第三端口3；

PBS1和PBS2的第二端口2和第三端口3之间通过基于Sagnac环的保偏光纤连接以形成双向环光路，通过调整PM1和PM2到第二端口2和第三端口3的保偏光纤的长度，使得Sagnac环顺时针方向和逆时针方向到达PM1和PM2的延迟不同；