[发明专利]一种基于薄膜铌酸锂波导的不等臂马赫-曾德尔干涉仪

说明书

本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂波导的不等臂马赫‑曾德尔干涉仪，用于解决量子密钥系统中随着成码率需求越来越大，不等臂光纤延时越来越小而无法通过光纤熔接的方式实现的问题。将量子密钥分发系统中的马赫‑曾德尔调制器、不等臂干涉环在集成波导上实现。包括Y分支分束器、Y分支合束器，下参考臂波导、上左延时波导，上右延时波导、相位调制区。上左延时波导和上右延时波导结构相同，且空间位置对称。当一束脉冲信号通过Y分支分束器，被分成了上下两路信号。下路信号经过Y分支分束器下臂直接到达Y分支合束器的下臂。另一路信号经过一段延时调制之后进入到Y分支分束器的上臂。两路光信号相互干涉，使特定的频率信号增强，相反则使得特定的频率信号相消。通过调节偏置电压，可以实现干涉相位精细可调，从而改变光传感、通信系统的性能，有利于提升量子密钥分发系统的成码率和小型化发展。

技术领域

本发明涉及一种基于薄膜铌酸锂波导的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，涉及光量子集成器件技术领域。

背景技术

马赫-曾德尔干涉仪(英文全称Mach-Zehnder Interferometer，文中简称：MZI)是一种由具有强电光效应的材料制成的干涉结构。将电场施加到臂上并通过电光效应来调制波导材料的折射率从而使得通过该波导的光波获得相位调制。最后当两个臂上传送的光波会合时，这两束光之间的干涉将把相位调制转换为强度调制。

传统基于分立元件的不等臂马赫-曾德尔干涉仪的整个结构包括：光束分束器、光束合束器、光纤以及相移器，分束器与合束器也就是50/50分光器。分立元件的相对位置校准难度较大，且会出现一些无法避免的扰动，从而影响其工作性能，稳定性较差，且延时精度不高，链路一致性差。

薄膜铌酸锂材料本身非常稳定、有寿命长、损耗低、受温度及系统波长影响较小等优点，又因为薄膜铌酸锂具有高折射率，可以缩短弯曲半径和更高的集成密度，因此选用薄膜铌酸锂作为相位调制材料是一种优选方案，目前已经成为量子通信保密系统中的关键器件。

理论上应使用等臂M-Z干涉环实现两地之间的量子密钥分配。但是在实际条件下，要求臂长完全相等才能够得到良好的输出结果，这在实验中一般无法做到。最低要求需要使干涉环的相干性与光源的相干性相匹配。如果两臂的臂长差大于激光器的最大相干长度，则无法得到干涉结果。实际的量子密码的传输距离往往超过几十甚至上百公里，而干涉环的最大不匹配长度一般在厘米到毫米量级，在这样的长度上制作如此精度要求的干涉环是非常困难的。此外由于光子所走过的路径不同，环境对于两臂的干扰不同，故而干涉结果同样无法保持稳定。为了解决长距离等臂干涉环加工难的问题，提出了不等臂M-Z干涉环的方案。

传统的量子密钥分发系统利用光在光纤中通过的光程来形成不等臂的结构。但是随着调制带宽的逐渐增加，例如，电光调制的带宽达到了10GHZ，光纤的长度只有2cm，就很难在系统中使用光纤熔接实现延时环，因此我们考虑在片上制作不等臂的结构，可以大大减小体积，减少结构的复杂度，具有稳定性高、结构更紧凑、相位延时精度高、链路一致性高、批量制作等优点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于薄膜铌酸锂波导的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，用以解决量子密钥系统中随着成码率需求越来越大，不等臂光纤延时越来越小而无法通过光纤熔接的方式实现的问题。

为解决上述的技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

本申请实施例提供了一种基于薄膜铌酸锂波导的不等臂马赫-曾德尔干涉仪，该片上干涉仪的结构包括：Y分支分束器、Y分支合束器、下参考臂波导、上左延时波导、上右延时波导、弯曲半径较小的波导、弯曲半径较大的波导、上臂短直波导、电极、相位调制区。所述Y分支分束器的下臂通过下参考臂波导直接与Y分支合束器的下臂连接，所述Y分支分束器上臂与上左延时波导连接，通过相位调制区连接上左延时波导和上右延时波导，Y分支合束器的上臂连接上右延时波导。