[发明专利]一种偏振编码量子秘钥分发的光发射芯片

说明书

本发明公开了一种偏振编码量子秘钥分发的光发射芯片，其特征在于，将激光器、波形调制模块、相位随机化模块、可变光学衰减模块、偏振滤波模块、偏振调制模块集成到一个芯片上；其中，可变光学衰减模块，用于将波形调制模块输出的脉冲光进行相位调制，使得各脉冲间相对相位随机化；可变光学衰减模块，用于对相位随机化后的脉冲光强度衰减至单光子水平，产生弱相干态；偏振滤波模块，用于对所述可变光学衰减模块输出的弱相干态进行滤波，滤除光束中的TM模式并将所保留的TE模式光束输入偏振调制模块；偏振调制模块，用于将TE模式光束分为两路，一路转化为TM模式，一路保持TE模式传播，通过调控两路的相对相位后合束输出。

技术领域

本发明涉及集成光学及光传输保密通信领域，具体涉及一种基于InP光子集成平台的偏振编码量子秘钥分发的光发射芯片。

背景技术

最著名的量子密钥分发(Quantum Key Distribution-QKD)协议“BB84协议”利用量子态不可克隆原理，使得密钥分发的过程中一旦受到窃听者的攻击，通信双方可以有所察觉，进而废除被窃听的密钥并重新发送，安全性得到保证。而最经典的BB84协议编码方式是偏振编码，即利用相互正交的一组偏振态作为系统的本征态，例如将光子处于水平偏振的状态编码为“0态”，垂直偏振的状态编码为“1态”。除此之外，光子的偏振态在自由空间中可以较为稳定的保持，因此早期基于偏振编码的量子通信协议多在自由空间完成，CN1651947A就公布了一种该类发明。但QKD作为最先走向实用化的量子通信技术，要求分发系统更加微型、易于使用，自由空间光系统的复杂程度和庞大程度，是不可能满足该要求的，因此，近些年来，量子通信与集成光学领域越来越紧密地结合起来。Phys.Rev.X 10,031030(2020)就在硅片上完成了测量设备无关协议的实验，验证了集成技术在量子通信领域的可行性。

硅平台在多年发展以后已经具备多种片上高性能器件，可以实现各种功能，但是硅平台上激光器的集成一直是一大难点，难以实现全集成。InP体系具备有源无源器件全集成能力，可在芯片上全集成激光器、衰减器、调制器和偏振器件，能满足基于偏振编码的QKD发射芯片要求，有望实现便携式QKD发射系统。

发明内容

本发明提出一种量子密钥分发系统的集成方案，在InP平台上将发送端(包括激光器)集成在一个芯片上。基于该集成系统，本发明提出一种片上的偏振控制和编码方案。

本发明集成的激光器线宽窄、单模性好，波长可调谐。如图1所示，在激光器之后利用波形调制模块(即马赫-曾德尔干涉仪)对激光器出来的连续光可以实现高速波形调制，实际应用中通过强度调制形成脉冲光；紧接着使用相位随机化模块对脉冲光进行相位调制，使得各脉冲间相对相位随机化，而后通过可变光学衰减模块对相位随机化后的脉冲光进行强度衰减，衰减至单光子水平，即完成弱相干态制备，至此光源的准备工作完成。

片上偏振编码功能主要通过图1中的偏振调制模块实现，其基本原理是将光源的TE模式分为两路，一路通过芯片上偏振转换器(即图2中的偏振旋转模块)转化为TM模式，一路保持TE模式传播，通过相位调制器调控两路的相对相位后，利用InP片上多模干涉器(MMI)进行合束后输出，可以实现线偏振、圆偏振的偏振态编码。基于此，本发明在上述光源准备工作完成以后，利用片上偏振分束器实现滤波功能，将光源中的部分TM模式滤除，之后进入偏振调制模块进行编码。