專利名稱：實時補償相位差分干涉裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于量子密鑰分配技術領域，尤其是涉及一種量子密鑰分配系統中的
實時補償相位差分干涉裝置。
背景技術：
由于相位差分量子密鑰分配方案具有結構簡單、密鑰傳輸距離長、生成速率高、易 于利用現有技術實現等優點，因而得到了廣泛的實驗研究，并取得了極大地進展。相位差分 量子密鑰分配方案尚存在的主要問題之一是其干涉裝置的干涉穩定度問題。由于傳統的非 等臂Mach-Zehnde r (馬赫-曾德爾，簡稱M_Z)相位差分干涉儀存在較嚴重的干涉不穩定 性，不穩定性來源主要是外界環境溫度變化及其兩臂的光纖隨機雙折射效應。干涉不穩定 會直接導致量子密鑰的誤碼率增加，誤碼率的增加不僅降低了量子密鑰分發的速率，而且 還容易導致安全隱患。 現有的兩種方案能夠克服傳統干涉儀的干涉不穩定問題，但是在克服干涉不穩定 問題的同時，還分別存在一些缺點，以下進行詳細說明 第一種方案日本NTT公司利用集成平面波導技術，制作出了穩定性較好的集成 非等臂M-Z相位差分干涉儀，而且利用該干涉儀完成了 100km以上的光纖量子密鑰分配。這 種干涉儀在精密的溫度控制下，干涉穩定度較好。但是，尚存在的缺點是第1、這種集成干 涉儀制作工藝較復雜、價格昂貴；第2、插入損耗較大，而且損耗與偏振相關；第3、在量子密 鑰分配過程中需要精密的溫度控制來消除相位漂移。 第二種方案基于Faraday-Michel son (法拉第_邁克爾遜，簡稱F-M)的相位差分 干涉儀。這種干涉儀能夠有效地克服偏振相關帶來的干涉不穩定問題，具有干涉對比度高 和穩定性好等特點。但是存在的缺點是第1、F-M相位差分干涉儀無法自動消除溫度變化 引起的干涉穩定度，因此溫度變化也會引起相位的漂移，在使用過程中需要進行溫度控制； 第2、由于該干涉儀使用了兩個Faraday旋轉鏡，插入損耗較大；第3、該干涉儀必須與光纖 環形器配合使用，這不但會引入一定的插入損耗，而且發生干涉的光子從兩個輸出端口出 射時，所經歷的損耗也不相同，這不僅降低了密鑰生成效率，還帶來了一定的安全隱患。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種實時 補償相位差分干涉裝置，其結構簡單、易于制作、使用操作簡便且插入損耗低、干涉穩定性 好，能有效解決現有相位差分干涉儀所存在的插入損耗高和干涉不穩定等實際問題。 為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是一種實時補償相位差分干 涉裝置，其特征在于包括用于并行傳輸相干光脈沖信號的兩路光纖和兩個分別接在所述 兩路光纖中的壓電陶瓷光纖相位調制器，所述兩路光纖的前后端部間分別通過一個光纖耦 合器進行連接；所述壓電陶瓷光纖相位調制器包括壓電陶瓷環和兩個分別焊接在所述壓電 陶瓷環內外電極面上的電極，所述兩路光纖分別纏繞在兩個壓電陶瓷光纖相位調制器的壓電陶瓷環上，其中一個壓電陶瓷光纖相位調制器由受控電壓源進行控制且其上所焊接的兩 個電極分別與受控電壓源相接；所述兩路光纖的光纖長度差為Al且n，Al二c，At，式 中n為所述兩路光纖中所采用光纖纖芯的折射率，c為光在真空中的傳播速度，A t為所述 相干光脈沖信號中連續兩個脈沖的時間間隔；其中，接在所述兩路光纖后端部間的光纖耦 合器為2X2光纖耦合器二，2X2光纖耦合器二的兩個輸入端分別與所述兩路光纖的后端 部相接；接在所述兩路光纖前端部間的光纖耦合器為2X2光纖耦合器一或1X2光纖耦合 器，2X2光纖耦合器一或1X2光纖耦合器的兩個輸出端分別與所述兩路光纖的前端部相 接，2X2光纖耦合器一的一個輸入端懸空且另一個輸入端通過光纖與相干光脈沖產生及發 射裝置的信號輸出端相接，所述1 X 2光纖耦合器的輸入端通過光纖與相干光脈沖產生及 發射裝置的信號輸出端相接。 所述壓電陶瓷環為圓柱形。 所述兩路光纖分別為光纖一和光纖二，光纖二的光纖長度大于光纖一的光纖長 度，且接在光纖一和光纖二中的壓電陶瓷光纖相位調制器分別為壓電陶瓷光纖相位調制器 一和壓電陶瓷光纖相位調制器二，壓電陶瓷光纖相位調制器一上所焊接的兩個電極分別與 受控電壓源相接。 所述兩路光纖分別纏繞且通過環氧樹脂膠固定在兩個壓電陶瓷光纖相位調制器 的壓電陶瓷環上。 本實用新型與現有技術相比具有以下優點 1、設計新穎、合理，連接布設方便且成本低，同時具有穩定性高、結構簡單、易于制 作、使用操作簡便、插入損耗低等優點。 2、干涉穩定性好，實時相位補償能夠自動消除溫度變化及偏振引起的相位漂移。 3、插入損耗低。 4、使用效果好，無需進行溫度控制，引入壓電陶瓷光纖相位調制器后對傳統的 Mach-Zehnder型相位差分干涉儀的結構進行了實質性地改進，能夠實時進行掃描和相位補 償，并且相應提出了實現穩定量子密鑰分發的方法。同時，上述壓電陶瓷光纖相位調制器的 相位調制過程與偏振無關。經實驗證明溫度變化及光纖雙折射引起相位漂移速度相對比 較緩慢，一般在3分鐘左右相位漂移不超過15° ，由此引起的誤碼率與漂移相位的關系為 2^^^ ="!12"^/2)。因此，15°相位漂移帶來的誤碼不超過2%。若利用本實用新型進
行一次相位補償的時間只需要數秒鐘就能夠完成。綜上，利用壓電陶瓷光纖相位調制器進
行實時補償，完全可以克服溫度和偏振弓I起的干涉不穩定問題。 5、適用面廣，尤其能有效適用至相位差分調制的量子密鑰分配系統。 綜上所述，本實用新型結構簡單、易于制作、使用操作簡便且插入損耗低、干涉穩
定性好，利用壓電陶瓷光纖相位調制器進行實時補償后能完全可以克服溫度和偏振引起的
干涉不穩定問題，最終有效解決了現有相位差分干涉儀所存在的插入損耗高和干涉不穩定
等實際問題。 下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本實用新型的工作原理圖。[0020]圖2為本實用新型適用于』l子密鑰分配系統的工作原理圖。[0021]附圖標記說明l-l-2X2光纖耦合器一 ；1-2-2X2光纖耦合2-1-壓電陶瓷光纖相器二 ；位調制器一；2-2-壓電陶瓷光纖相位3-l-光纖一；3-2-光纖二 ；調制器二 ；4-受控電壓源；5-1-相干光源；5-2-強度調制器；5-3-相位調制器；5-4-衰減器；6-1-單光子探測器一6-2-單光子探測器。
具體實施方式如圖1所示，本實用新型包括用于并行傳輸相干光脈沖信號的兩路光纖和兩個分 別接在所述兩路光纖中的壓電陶瓷光纖相位調制器，所述兩路光纖的前后端部間分別通過 一個光纖耦合器進行連接。所述壓電陶瓷光纖相位調制器包括壓電陶瓷環和兩個分別焊 接在所述壓電陶瓷環內外電極面上的電極，所述兩路光纖分別纏繞在兩個壓電陶瓷光纖相 位調制器的壓電陶瓷環上，其中一個壓電陶瓷光纖相位調制器由受控電壓源4進行控制且 其上所焊接的兩個電極分別與受控電壓源4相接。所述兩路光纖的光纖長度差為Al且 n* Al = c* At，式中n為所述兩路光纖中所采用光纖纖芯的折射率，c為光在真空中的 傳播速度，At為所述相干光脈沖信號中連續兩個脈沖的時間間隔。其中，接在所述兩路光 纖后端部間的光纖耦合器為2X2光纖耦合器二 l-2，2X2光纖耦合器二 1-2的兩個輸入端 分別與所述兩路光纖的后端部相接；接在所述兩路光纖前端部間的光纖耦合器為2X2光 纖耦合器一 1-1或1X2光纖耦合器，2X2光纖耦合器一 1-1或1X2光纖耦合器的兩個輸 出端分別與所述兩路光纖的前端部相接，2X2光纖耦合器一 1-1的一個輸入端懸空且另一 個輸入端通過光纖與相干光脈沖產生及發射裝置的信號輸出端相接，所述1 X 2光纖耦合 器的輸入端通過光纖與相干光脈沖產生及發射裝置的信號輸出端相接。并且，所述兩路光 纖分別纏繞且通過環氧樹脂膠固定在兩個壓電陶瓷光纖相位調制器的壓電陶瓷環上。 本實施例中，所述壓電陶瓷環為圓柱形。所述兩路光纖分別為光纖一 3-1和光纖 二 3-2，光纖二 3-2的光纖長度大于光纖一 3-1的光纖長度，且接在光纖一 3-1和光纖二 3-2 中的壓電陶瓷光纖相位調制器分別為壓電陶瓷光纖相位調制器一 2-1和壓電陶瓷光纖相 位調制器二 2-2，壓電陶瓷光纖相位調制器一2-l上所焊接的兩個電極分別與受控電壓源4 相接。所述2X2光纖耦合器二l-2的兩路輸出端分別與兩個單光子探測器相接。所述兩 個單光子探測器分別為單光子探測器一 6-1和單光子探測器6-2。 結合圖2，將本實用新型適用于量子密鑰分配系統中，所采用的相干光脈沖產生及 發射裝置包括能制備出連續相干光的相干光源5-l、對相干光源5-1所發出連續相干光進 行強度調制并轉換為相干光脈沖的強度調制器5-2、對經強度調制所獲得相干光脈沖的相 位進行調制的相位調制器5-3和對經相位調制后的相干光脈沖進行衰減并通過光纖對應 發送至接收端的衰減器5-4。所述衰減器5-4通過光纖與本實用新型相接，具體是與2X2 光纖耦合器一 1-1或1X2光纖耦合器的輸入端相接。 實際加工制作壓電陶瓷光纖相位調制器時，具體是先將所述兩路光纖分別精密地環繞在兩個圓柱形壓電陶瓷環上，并用環氧樹脂膠進行固定，然后在壓電陶瓷環的內外電 極面上焊接電極。所述壓電陶瓷環上所焊接的兩個電極加上電壓后，便使得壓電材料能夠 膨脹或收縮，膨脹或收縮能相應改變纏繞在其上光纖的長度，從而產生相位變化。實際應用 中，根據需要產生多少相位選擇所加的電壓大小。實際使用時，即可通過所述壓電陶瓷光纖 相位調制器對非等臂相位差分干涉儀的相位進行實時補償。 由于本實用新型即非等臂相位差分干涉儀的兩臂分別連接了一個壓電陶瓷光纖 相位調制器，調制其中一個壓電陶瓷光纖相位調制器就可以實現相位補償，另外一個壓電 陶瓷光纖相位調制器能達到平衡一臂插入損耗的目的，從而可以提高干涉對比度。另外，將 本實用新型兩臂的光纖精密地纏繞在壓電陶瓷環上并進行固定再加以封裝后，可以消除兩 臂光纖偏振參量的隨機變化。另外，由于兩臂的光纖長度差為Al且其與為所述相干光脈 沖信號中連續兩個脈沖的時間間隔At滿足下列對應關系n Al = c At。由于相位 差分量子密鑰分發過程中，其連續兩個脈沖時間距離A t —般約為納秒數量級，假設到達
接收端(Bob)的兩個連續微弱脈沖分別為— J6 ,A ，式中A15 A2分別表示到達接收端的
￡2 = J2e灼
兩個連續微弱脈沖的幅值，c^，小2分別為到達接收端的兩個連續微弱脈沖的位相。由于 連續兩個脈沖從發射端(Alice)出射時，具有相同的幅值、不同的相位，即其相位差A小= (^-小21 =0或，并且上述兩個連續脈沖在傳輸線路(光纖)中經歷了相同的路徑，即 經歷了相同的損耗與相位，因此到達接收端時幅值^ = 4 =八，相位差A小=|(^-小2 依然等于0或，因此兩個連續脈沖的相位差不會受到外界環境對光纖的干擾而受影響。 在接收端，本實用新型的兩個2X2光纖耦合器等分比，并且兩臂光纖的損耗一致，因此，在 本實用新型的輸出端口 ，連續兩個脈沖會重疊而發生干涉，干涉后從其中一個端口輸出的
光強可表示為/ = |)[cos(e+ y+A^ + ^) + l]2 (1)，其中e為相互重疊的兩個連
續脈沖分別經過本實用新型的兩臂時，兩個偏振分量因光纖雙折射而產生的不同相移，k 是單位長度光纖產生的相移，A小=(^-小2為前后兩個連續脈沖被Alice調制的相位差， P為通過壓電陶瓷光纖相位調制器補償的相位。根據公式(l)，可以通過調節壓電陶瓷光 纖相位調制器的電壓，繼而改變P的大小并進行實時補償，當^+"/ + ^ = 2";r時，則可得到
/ = jj2[COS(A0) + l]2 (2)，其中n為整數。由公式(2)可看出，兩個連續脈沖干涉結果完 4
全依賴于Alice調制的位相位差A (K此時發射端Alice和接收端Bob根據相位差分量子 密鑰分配協議，就可以實現穩定的量子密鑰分發，在量子密鑰分發過程中，外界的干擾不再 影響密鑰分配。由于光纖精密纏繞在壓電陶瓷環上，經過封裝后，其光纖雙折射產生的相 移9近似為一個常數，而溫度變化對產生的相移k Al是一個緩慢的變化量。因而，從公 式(2)可得出利用壓電陶瓷光纖相位調制器進行實時補償，完全可以克服溫度和偏振引 起的干涉不穩定問題。 綜上，在相位差分量子密鑰分配過程中，發射端(Alice)的相干光源5_1發出的是 連續相干光，連續相干光通過強度調制器5-2后變為相干光脈沖，上述光脈沖再通過相位 調制器5-3后，其相位被0或隨機調，最后利用衰減器5-4將上述光脈沖衰減至某一水 平，這一過程完成了經典信息的量子編碼，編碼后的量子態(極其微弱的激光脈沖)經過光
6纖傳輸后到達接收端(Bob)。接收端利用本實用新型對連續兩個脈沖的相位差進行解碼。 其中，本實用新型的兩臂光程差n A 1應與連續兩個脈沖的時間間隔A t之間滿足n A 1 =c A t。 根據公式(2)，連續兩個攜帶信息的脈沖在接收端發生干涉時，其相位差決定光子 選擇不同的端口到達單光子探測器一6-l(即Dl)或單光子探測器6-2(即D2)。 Bob根據 協議對兩個單光子探測器D1和D2的響應結果進行解碼。例如，根據相位差分量子密鑰分 配協議若Alice發射的兩個連續脈沖的相位差A小=(^-小2為0時，那么接收端的Dl 應該響應；若Alice發射的兩個連續脈沖的相位差A小=(^-(^為時，那么接收端的 探測器D2應該響應。接收端根據本實用新型的干涉情況探測光子，當Dl響應而D2不響 應，記為"0";當探測器D2響應而D1不響應，記為"1";當探測器D1和D2同時響應或同時 都不響應時不予編碼。因此，當密鑰分配完畢后，接收端Bob根據單光子探測器的響應情況 可以推測出相應連續兩個脈沖間的相位差，反過來，若Bob告訴Alice在哪些時隙探測到了 光子，那么Alice就知道Bob的探測器響應情況。 總而言之，基于本實用新型的量子密鑰分配系統的量子密鑰分發過程利用了相位 補償和密鑰分發過程固定時段進行時分復用的原理，一次完整的密鑰分發需要三個步驟， 其過程如下 第一步，接收端(Bob)掃描本實用新型后進行補償發射端(Alice)保持連續兩 個脈沖的相位差A小=小「(^為0或Ji，發送微弱激光脈沖。與此同時，通過調節壓電 陶瓷光纖相位調制器的相位P，讓其從O。到360°每次步進5。，每次步進后相位^持續約 200毫秒不變。在此期間，D1和D2記錄響應的脈沖個數。因此，完成一次從0。到360°的 相位掃描共需要約15秒。掃描結束后，Bob可以計算出Dl和D2在不同的相位^時，記錄到 的最大值Nmax和最小值N_，以及與之相對應的相位^^和^nm , Bob隨后立即將壓電陶瓷相 位調制器的相位P設定在^,。 第二步，根據相位差分量子密鑰分配協議，實現穩定的量子密鑰分發這個過程持 續時間約為2分鐘。發射端(Alice)利用相位調制器5-3，用0或ji隨機調制每一個微弱 激光脈沖的相位，接收端(Bob)根據相位差分量子密鑰分配協議對本實用新型和單光子探 測器進行解碼。 第三步，數據驗證當量子密鑰分發進行一個固定時間段后，發射端(Alice)保持
連續兩個脈沖的相位差為0或Ji ，進行發送微弱激光脈沖，Bob繼續接收。在這個時間內，
Bob接收到的數據用于評估相位漂移情況。若相位漂移在一定范圍內，則表示前一次密鑰分
配成功。這樣就成功完成了一次穩定的密鑰分配，隨后進行下一輪操作。 以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，并非對本實用新型作任何限制，凡是根
據本實用新型技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍
屬于本實用新型技術方案的保護范圍內。
權利要求一種實時補償相位差分干涉裝置，其特征在于包括用于并行傳輸相干光脈沖信號的兩路光纖和兩個分別接在所述兩路光纖中的壓電陶瓷光纖相位調制器，所述兩路光纖的前后端部間分別通過一個光纖耦合器進行連接；所述壓電陶瓷光纖相位調制器包括壓電陶瓷環和兩個分別焊接在所述壓電陶瓷環內外電極面上的電極，所述兩路光纖分別纏繞在兩個壓電陶瓷光纖相位調制器的壓電陶瓷環上，其中一個壓電陶瓷光纖相位調制器由受控電壓源(4)進行控制且其上所焊接的兩個電極分別與受控電壓源(4)相接；所述兩路光纖的光纖長度差為Δl且n·Δl＝c·Δt，式中n為所述兩路光纖中所采用光纖纖芯的折射率，c為光在真空中的傳播速度，Δt為所述相干光脈沖信號中連續兩個脈沖的時間間隔；其中，接在所述兩路光纖后端部間的光纖耦合器為2×2光纖耦合器二(1-2)，2×2光纖耦合器二(1-2)的兩個輸入端分別與所述兩路光纖的后端部相接；接在所述兩路光纖前端部間的光纖耦合器為2×2光纖耦合器一(1-1)或1×2光纖耦合器，2×2光纖耦合器一(1-1)或1×2光纖耦合器的兩個輸出端分別與所述兩路光纖的前端部相接，2×2光纖耦合器一(1-1)的一個輸入端懸空且另一個輸入端通過光纖與相干光脈沖產生及發射裝置的信號輸出端相接，所述1×2光纖耦合器的輸入端通過光纖與相干光脈沖產生及發射裝置的信號輸出端相接。
2. 按照權利要求1所述的實時補償相位差分干涉裝置，其特征在于所述壓電陶瓷環 為圓柱形。
3. 按照權利要求1或2所述的實時補償相位差分干涉裝置，其特征在于所述兩路光 纖分別為光纖一 (3-1)和光纖二 (3-2)，光纖二 (3-2)的光纖長度大于光纖一 (3-1)的光纖 長度，且接在光纖一 (3-1)和光纖二 (3-2)中的壓電陶瓷光纖相位調制器分別為壓電陶瓷 光纖相位調制器一 (2-1)和壓電陶瓷光纖相位調制器二 (2-2)，壓電陶瓷光纖相位調制器 一 (2-1)上所焊接的兩個電極分別與受控電壓源(4)相接。
4. 按照權利要求1或2所述的實時補償相位差分干涉裝置，其特征在于所述兩路光 纖分別纏繞且通過環氧樹脂膠固定在兩個壓電陶瓷光纖相位調制器的壓電陶瓷環上。
專利摘要本實用新型公開了一種實時補償相位差分干涉裝置，包括用于并行傳輸相干光脈沖信號的兩路光纖和兩個分別接在兩路光纖中的壓電陶瓷光纖相位調制器，兩路光纖的前后端部間分別通過一光纖耦合器連接；壓電陶瓷光纖相位調制器包括壓電陶瓷環和兩個分別焊接在壓電陶瓷環內外電極面上的電極，兩路光纖分別纏繞在兩個壓電陶瓷環上，其中一壓電陶瓷光纖相位調制器由受控電壓源控制；兩路光纖的光纖長度差為Δl且n·Δl＝c·Δt，式中n為光纖纖芯的折射率，c為光在真空中的傳播速度，Δt為連續兩個脈沖的時間間隔。本實用新型結構簡單、易于制作、操作簡便且插入損耗低、干涉穩定性好，能有效解決現有相位差分干涉儀所存在的插入損耗高和干涉不穩定等實際問題。
文檔編號G02F1/035GK201550128SQ20092024516
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者趙峰 申請人:陜西理工學院