專利名稱：偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及保密通信類，具體的講是涉及一種偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置。
背景技術(shù)：
量子保密通信利用了單光子作為信息載體傳遞密鑰，而單光子的量子特性確保了該密鑰在傳遞過程中任何竊聽都將會(huì)被發(fā)現(xiàn)。所以量子保密通信提供絕對(duì)安全可靠的密鑰傳遞，利用該密鑰的一次便簽密碼方法是目前唯一被理論證明是絕對(duì)保密的加密通信方法。
目前，利用光纖作為單光子傳輸介質(zhì)，量子保密通信已經(jīng)達(dá)到了接近100km的實(shí)用化距離。而這其中，一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)就是對(duì)單光子的編碼解碼。由于光纖中有較強(qiáng)的偏振模色散，相位編碼解碼成為光纖中量子保密通信的首選，利用波導(dǎo)相位調(diào)制器能夠在低壓下實(shí)現(xiàn)單光子的相位調(diào)制從而實(shí)現(xiàn)單光子編碼解碼。
現(xiàn)有的絕大多數(shù)商售波導(dǎo)相位調(diào)制器是偏振相關(guān)的，即這些波導(dǎo)相位調(diào)制器只對(duì)一個(gè)偏振方向調(diào)制。而且更糟的是，很多單偏振相位調(diào)制器的另外一個(gè)偏振方向的光無(wú)法通過相位調(diào)制器，不適合單光子編碼解碼器，這是因?yàn)橄辔痪幋a器是用于相位編碼的，只希望與相位有關(guān)，而偏振相關(guān)的相位調(diào)制器對(duì)于某一個(gè)偏振方向是不調(diào)制的，且普通的偏振相關(guān)相位調(diào)制器對(duì)于該偏振方向的插損極大(假設(shè)是水平方向)，光在光纖中的偏振態(tài)在不斷變化，所以無(wú)法保證經(jīng)過相位調(diào)制的光是單偏振方向，對(duì)于單光子相位編碼，要保證高的調(diào)制對(duì)比度就必須去除水平分量的光，這樣會(huì)造成很大的插損，使得很多經(jīng)過相位調(diào)制器的光脈沖是空脈沖，不含有信息，嚴(yán)重降低了編碼效率。
現(xiàn)有的偏振無(wú)關(guān)的相位調(diào)制器制作復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而且它的插入損耗超過-10dB，極不適合作單光子編碼解碼器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置，該裝置是在普通偏振相關(guān)的波導(dǎo)相位調(diào)制器的基礎(chǔ)上，增加了偏振分束鏡和法拉第反射鏡等器件，使其成為一種偏振無(wú)關(guān)的相位調(diào)制裝置。
本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成本發(fā)明主要由波導(dǎo)相位調(diào)制器、偏振分束鏡、法拉第反射鏡、環(huán)形器構(gòu)成，其中環(huán)形器的3個(gè)端口中，I端與外部的單光子源連接，III端是調(diào)制光出射端，II端與偏振分束鏡連接，偏振分束鏡分別與相位調(diào)制器及法拉第反射鏡連接，連接各單元器件的可以是任意光纖。
本發(fā)明的波導(dǎo)相位調(diào)制器使用的是普通的偏振有關(guān)且一個(gè)偏振方向插損極大的相位調(diào)制器，如果直接使用該相位調(diào)制器，對(duì)于某一個(gè)偏振方向是不調(diào)制的，且對(duì)于該偏振方向的插損極大，即假設(shè)垂直方向被調(diào)制，則水平方向的光插損極大且不受調(diào)制。
本發(fā)明的特點(diǎn)是通過使用偏振分束鏡和法拉第反射鏡，將入射的任意偏振方向的光經(jīng)偏振分束鏡分解成互相垂直的兩束光，一束直接調(diào)制，另一束經(jīng)法拉第反射鏡反射后，偏振方向轉(zhuǎn)90°，然后再經(jīng)相位調(diào)制器調(diào)制，使得經(jīng)過相位調(diào)制器的光均是可以調(diào)制的。
本發(fā)明中，在光入射到相位調(diào)制器前使用偏振分束鏡將它的水平和垂直偏振分量分開，假設(shè)讓垂直偏振光直接經(jīng)過相位調(diào)制器接受調(diào)制，然后再利用法拉第反射鏡使偏振方向旋轉(zhuǎn)至水平方向；而水平偏振光利用法拉第反射鏡將其偏振方向旋轉(zhuǎn)至垂直方向，然后使其經(jīng)過相位調(diào)制器接受調(diào)制。因而使得經(jīng)過相位調(diào)制器的光都是垂直偏振方向的，所以它的插損是比較小的，且得到了有效的相位調(diào)制，最后兩束原先被分開的偏振光在偏振分束鏡處重新合成一束光，只不過水平和垂直分量的光互相交換了方向，即合成后的光它的偏振方向改變了，但是對(duì)于相位編碼，是無(wú)關(guān)緊要的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，可以利用普通偏振有關(guān)且另一個(gè)偏振方向插損極大的波導(dǎo)相位調(diào)制器，完成偏振無(wú)關(guān)相位調(diào)制，其中利用了簡(jiǎn)單的光學(xué)元件使通過相位調(diào)制器的光都是同一個(gè)偏振方向，該方向的光受到很好的相位調(diào)制，而且插損低，調(diào)制穩(wěn)定，整套裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、偏振無(wú)關(guān)、損耗低、穩(wěn)定度高并且調(diào)制對(duì)比度高，非常適用于長(zhǎng)距離量子保密通信的單光子相位編碼解碼器。
附圖概述附

圖1為現(xiàn)有技術(shù)LiNbO3波導(dǎo)相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為本發(fā)明信號(hào)時(shí)序圖；附圖4為本發(fā)明單光子相位編碼應(yīng)用實(shí)例圖；具體技術(shù)方案以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解本實(shí)施例采用的偏振相關(guān)的波導(dǎo)相位調(diào)制器是性價(jià)比很高的普通單偏振且另一偏振光不能通過的波導(dǎo)相位調(diào)制器如圖1所示，它的單偏振方向的光插入損耗可低至-3dB左右，所采用的法拉第反射鏡設(shè)計(jì)成偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，即入射的任意偏振方向的光，經(jīng)其反射后，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。
如圖1-4所示，標(biāo)號(hào)1-16分別表示單光子源入射端(1)、環(huán)形器(2)、偏振分束鏡(3)、法拉第反射鏡(4)、波導(dǎo)相位調(diào)制器(5)、調(diào)制光出射端(6)、輸出光(7)、電極(8)、電光晶體(9)、電場(chǎng)(10)、波導(dǎo)(11)、單光子脈沖(12)、相位調(diào)制裝置1(13)、相位調(diào)制裝置2(14)、單光子探測(cè)器1(15)、單光子探測(cè)器2(16)。
本實(shí)施例主要由波導(dǎo)相位調(diào)制器(5)、偏振分束鏡(3)、法拉第反射鏡(4)、環(huán)形器(2)構(gòu)成，其中環(huán)形器(2)的3個(gè)端口，I端與外部的單光子源(1)連接，III端是調(diào)制光出射端(6)，II端與偏振分束鏡(3)的4個(gè)端面中的端面a連接，其端面b與相位調(diào)制器(5)的端口A連接(此段光纖記作L1)，端面d與相位調(diào)制器(5)的端口B連接(此段光纖記作L2)，端面c與法拉第反射鏡(4)連接(此段光纖記作L3)，連接各單元器件的可以是任意光纖，一般現(xiàn)在普遍采用單模光纖，L1，L2，L3如果采用保偏光纖效果更好，可以進(jìn)一步改善本實(shí)施例的保偏性能，并進(jìn)一步提高調(diào)制穩(wěn)定性和對(duì)比度。
本實(shí)施例在使用時(shí)，假設(shè)一束任意偏振方向的光從環(huán)形器(2)的I端入射，II端出射到達(dá)偏振分束鏡(3)，這束光被偏振分采鏡(3)分成水平和垂直于偏振分束鏡(3)主軸的兩束光，假設(shè)垂直偏振方向與相位調(diào)制器(5)調(diào)制的偏振方向一致，則這束經(jīng)過偏振分束鏡(3)反射的垂直偏振光經(jīng)過相位調(diào)制器(5)時(shí)受到了相位調(diào)制，經(jīng)偏振分束鏡(3)端面d完全反射到達(dá)法拉第反射鏡(4)，由于法拉第反射鏡(4)的磁光效應(yīng)，這束垂直偏振光轉(zhuǎn)向了它的偏振互補(bǔ)方向，即水平偏振方向，反射回端面c，然后完全透射至端面a；另外一束水平偏振光經(jīng)端面c透射到達(dá)法拉第反射鏡(4)，轉(zhuǎn)向垂直偏振方向，然后經(jīng)偏振分束鏡(3)完全反射從端面d出射經(jīng)過相位調(diào)制器(5)，此時(shí)的光偏振方向也是垂直方向，所以可以通過相位調(diào)制器(5)受到相位調(diào)制后到達(dá)偏振分束鏡(3)端面a。這兩束受到調(diào)制的光在整個(gè)光路中經(jīng)過的總路徑是一樣的，所以它們回到端面a的時(shí)間相同，在端面a它們重新疊加回到環(huán)形器(2)的端口II，最后由端口III出射。值得注意的是任意偏振方向的光都可以分解成水平和垂直方向，只是分解比例不同，通過本實(shí)施例這套裝置，兩個(gè)方向的光都受到了相位調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)偏振方向的相位調(diào)制。出射后，兩束經(jīng)分解的光偏振方向轉(zhuǎn)向了各自的互補(bǔ)方向，所以在端面a疊加后總的偏振方向有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)光的相位調(diào)制滿足公式Δφ=VVππ,]]>其中Vπ是波導(dǎo)相位調(diào)制器的半波電壓，5伏左右。
同理，本實(shí)施例作為單光子相位編碼解碼器，入射進(jìn)環(huán)形器端口I的是單光子，設(shè)單光子入射偏振方向和偏振分束鏡主軸夾角為α，則該單光子以cos2α的概率塌縮到水平偏振方向透射，經(jīng)端面c到達(dá)法拉第反射鏡，然后轉(zhuǎn)向垂直方向，經(jīng)偏振分束鏡反射由端面d經(jīng)過相位調(diào)制器，經(jīng)偏振分束鏡反射回到端面a。該單光子還有sin2α概率塌縮到垂直偏振方向反射，由端面b經(jīng)過相位調(diào)制器，經(jīng)過偏振分束鏡反射到達(dá)法拉第反射鏡，偏振方向轉(zhuǎn)向水平方向回到端面c透射回端面a。由于兩種路徑相等，所以兩種概率經(jīng)調(diào)制后回到端面a的時(shí)間相等，單光子態(tài)重新疊加，只是偏振方向改變了，這種改變對(duì)于單光子相位調(diào)制效果沒有影響。
脈沖光的調(diào)制過程中，相位調(diào)制器施加的調(diào)制脈沖寬度應(yīng)該大于激光脈寬，保證兩個(gè)光脈沖完全被調(diào)制。取編振分束鏡b面和d面至相位調(diào)制器的光纖長(zhǎng)度等長(zhǎng)，則兩束光同時(shí)到達(dá)相位調(diào)制器，所以只需一個(gè)調(diào)制脈沖便可以同時(shí)完成對(duì)兩個(gè)光脈沖的調(diào)制。假設(shè)由b端面進(jìn)入相位調(diào)制器的光脈沖為s，由d端面進(jìn)入相位調(diào)制器的光脈沖為h，光脈沖從入射至分成兩個(gè)脈沖然后到達(dá)相位調(diào)制所需時(shí)間由其間的光纖長(zhǎng)度決定，可靈活掌握，光在光纖中傳輸延時(shí)為5ns/m，取兩路均為1m，延時(shí)即為5ns。調(diào)制信號(hào)與入射光脈沖和光路中分開的兩個(gè)光脈沖的時(shí)間序列見圖3。
按照公式Δφ=VVππ,]]>使用不同的相位調(diào)制電壓就可以對(duì)單光子施加不同的相位調(diào)制。在量子保密通信中，雙方約定某個(gè)相位差值為1，某個(gè)相位差值為0，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子的編碼解碼。
本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可對(duì)任意偏振方向的入射光進(jìn)行調(diào)制。不同于普通單偏振波導(dǎo)相位調(diào)制器，它對(duì)入射光的兩個(gè)偏振方向都施加了調(diào)制，且損耗接近普通單偏振波導(dǎo)相位調(diào)制器的-3dB左右，成本也接近普通波導(dǎo)相位調(diào)制器。值得注意的是普通單偏振波導(dǎo)相位調(diào)制器的損耗是針對(duì)單偏振方向的光的損耗，另一個(gè)偏振方向的光損耗極大，不能通過。本發(fā)明裝置巧妙利用了法拉第反射鏡和偏振分束鏡，使得兩個(gè)偏振方向的光先后都以同一個(gè)偏振方向通過普通波導(dǎo)相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)偏振方向的相位調(diào)制，而且它的損耗是針對(duì)兩個(gè)偏振方向的光而言的。在長(zhǎng)距離的光纖中偏振態(tài)很難保持，使用普通單偏振波導(dǎo)相位調(diào)制器很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)制，而該裝置兩個(gè)偏振方向都可以進(jìn)行相位調(diào)制，使得在經(jīng)過長(zhǎng)距離光纖后的調(diào)制仍舊十分穩(wěn)定。
圖4是本發(fā)明作為量子保密通信相位編碼解碼器的一種簡(jiǎn)單方案。相位調(diào)制裝置1插入Mache-Zender干涉儀中實(shí)現(xiàn)相位編碼功能，由它編碼的單光子經(jīng)長(zhǎng)距離光纖到達(dá)由相位調(diào)制裝置2構(gòu)成的相位解碼單元，通過它的解碼獲得信息。整套系統(tǒng)中，相位調(diào)制裝置1、2起到了相位編碼解碼的核心作用，由于它們的偏振無(wú)關(guān)特性，使得該系統(tǒng)可以克服光纖中的偏振抖動(dòng)引起的調(diào)制不穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置，其特征在于該裝置主要由波導(dǎo)相位調(diào)制器、偏振分束鏡、法拉第反射鏡、環(huán)形器構(gòu)成，其中環(huán)形器與偏振分束鏡連接，偏振分束鏡分別與相位調(diào)制器及法拉第反射鏡連接，連接各單元器件的可以是任意光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置，其特征在于所述的環(huán)形器有三個(gè)端口，其中I端與外部的單光子源連接，III端是調(diào)制光出射端，II端與偏振分束器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置，其特征在于所述的連接各單元器件所使用的光纖可以是單模光纖，或者可以是保偏光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置，其特征在于所述的波導(dǎo)相位調(diào)制器是普通單偏振且另一偏振光不能通過的偏振相關(guān)的波導(dǎo)相位調(diào)制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置，其特征在于所述的波導(dǎo)相位調(diào)制器的單偏振方向的光插入損耗為-3dB。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置，其特征在于所述的法拉第反射鏡設(shè)計(jì)成偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，即入射的任意偏振方向的光，經(jīng)其反射后，偏振方向旋轉(zhuǎn)90度。
全文摘要
本發(fā)明涉及保密通信類，具體的講是涉及一種偏振無(wú)關(guān)單光子波導(dǎo)相位調(diào)制裝置，該裝置主要由波導(dǎo)相位調(diào)制器、偏振分束鏡、法拉第反射鏡、環(huán)形器構(gòu)成，其特點(diǎn)是，利用了簡(jiǎn)單的光學(xué)元件使通過相位調(diào)制器的光都是同一個(gè)偏振方向，該方向的光受到很好的相位調(diào)制，而且插損低，調(diào)制穩(wěn)定，整套裝置器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、偏振無(wú)關(guān)、損耗低、穩(wěn)定度高并且調(diào)制對(duì)比度高，非常適用于長(zhǎng)距離量子保密通信的單光子相位編碼解碼器。
文檔編號(hào)H04K1/00GK1561018SQ20041001650
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月24日
發(fā)明者曾和平, 吳光, 周春源, 陳修亮 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)