基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法

本發明屬于集成光學、半導體光學和激光光學的交叉學科領域，具體是指一種將量子光源、非線性光學介質、光學調控器件等各種組分集成到同一芯片上，利用路徑選擇光路等方式實現多種協議靈活切換的量子通信芯片，尤其涉及一種基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法。

背景技術：

1、芯片集成光路具有體積小、功耗低、性能穩定、高度集成等優點，特別適合作為傳統分立器件自由空間光路和全光纖光路的替代方案，構建光通信系統、光計算系統、光學相控陣、微波光子信號處理系統等系統規模龐大、結構功能復雜、器件數量眾多的光學系統。特殊地，以絕緣體上硅為代表的芯片集成光路高度兼容于傳統集成電路工藝，這一特性使得構建芯片級光電混合系統成為可能。芯片集成光電系統由一系列無源器件和有源器件組成：無源器件主要包括光電定向耦合器、光學分束器、偏振分束器、波分復用器等，有源器件主要包括光源、探測器、光學調制器、可調諧濾波器、可調諧衰減器等；無源器件主要涉及光場傳輸，有源器件則為光場控制提供外置接口。

2、量子通信芯片被認為是下一代量子通信系統最有前景的元器件，一是因為量子通信系統使用大量的光學器件，器件之間的插入損耗將會嚴重降低(且不可再生)量子通信信號的輸出速率，二是因為量子通信系統對環境穩定性要求較高，系統調控所需電路控制要求也比其他光電系統高；三是量子通信系統存在多種協議，每一種協議使用的光學自由度不同，如果能夠通過芯片集成光路方式將多種量子通信協議集成到同一芯片上，將會大大提升量子通信系統在多種信道條件、多種用戶需求情況下的普適性。需要明確的是，量子通信系統的“芯片集成”只需將量子通信信號編譯光路放在芯片上，而“全芯片集成”則需解決量子光源、單光子探測器的芯片集成問題。

技術實現思路

1、針對上述缺陷，本發明要解決的技術問題是如何實現小型化、集成化、板卡級量子通信通用系統。

2、針對上述缺陷，本發明提出一種基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，將半導體激光器、非線性介質、多種量子通信協議對應的量子態編譯光路、多種量子通信協議對應的量子態解譯光路、半導體基單光子探測器等各種光學器件集成到同一芯片平臺上并通過芯片集成電路驅動，利用路徑選擇光路為用戶提供量子通信協議按需切換的收發服務，實現小型化、集成化、板卡級量子通信通用系統。

3、為了達到上述效果，本發明提供的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，將半導體激光器、非線性介質、多種量子通信協議對應的量子態編譯光路裝置、多種量子通信協議對應的量子態解譯光路裝置、半導體基單光子探測器集成到同一芯片平臺上并通過芯片集成電路驅動，通過路徑選擇光路實現多種量子通信協議所對應的編譯光路和解譯光路的自由切換，利用路徑選擇光路為用戶提供量子通信協議按需切換的收發服務，實現量子通信通用系統。

4、優選地，上述方法具體包括以下步驟：

5、s101、量子通信系統的全芯片集成，將半導體激光器、非線性介質、多種量子通信協議對應的量子態編譯光路裝置、多種量子通信協議對應的量子態解譯光路裝置、半導體基單光子探測器集成到同一芯片平臺上；

6、s102、量子通信系統的功能復用，通過路徑選擇光路實現多種量子通信協議所對應的編譯光路和解譯光路的自由切換；

7、s103、板卡級量子通信網絡構建，根據信道狀態和通信需求為通信雙方選擇合理的量子通信協議，利用全芯片集成的小型化量子通信系統實現通信雙方各種應用需求。

8、優選地，上述各種光學器件之間通過低損耗波導連接，光電混合集成芯片對外存在兩個接口，一是通過尾纖直接輸出的光學接口，二是通過芯片集成電路實現的可編程邏輯電路控制接口。

9、優選地，上述s103各種應用需求包括通信雙方安全通信、精準授時以及非定域協同。

10、一種基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，包括通信發送方和接收方，具體包括：

11、s201、通過異質結集成方式將激光器集成到芯片上，或通過半導體工藝制備微納激光器再通過倒裝焊工藝將其集成到芯片上；

12、s202、基于氮化硅微環腔中的自發四波混頻效應產生糾纏光子，或者利用微環腔可調諧特征衰減激光功率至單光子量級并觸發誘騙態編碼；

13、s203、通信發送方和接收方雙方根據信道條件和通信需求，選擇不同的通信協議；

14、s204、通過路徑選擇光路的量子通信信號，進入到各協議對應的編碼光路，通過芯片集成電極控制編碼光路完成量子通信信號的編譯；

15、s205、通過光學耦合波導輸出量子通信信號，基于光學封裝方式將光學耦合波導與光纖陣列封裝耦合；

16、s206、接收到的量子通信信號從不同協議的光學路徑中輸入，經過不同協議的解譯光路進行解譯后通過路徑選擇光路輸入到單光子探測器陣列中，通過單光子探測器探測并通過芯片集成電極導出探測結果完成通信信號接收功能；

17、s207、通過一體化集成封裝，對外保留芯片集成電路接口和光纖尾纖接口，實現多種量子通信協議的按需切換，滿足多種業務功能需求，實現功能閉環的、板卡級集成化的量子通信系統。

18、優選地，上述s203信道條件相對較為穩定且需要高速率通信時選擇bb84協議。

19、優選地，上述s203信道擾動較大且對通信可靠性需求高于速率需求時選擇時間比特相位協議。

20、優選地，上述s203通信雙方需要進行量子安全時間同步業務而非密鑰分發業務時選擇量子安全同步協議。

21、優選地，上述s206通過光纖陣列、光學耦合波導接收量子通信信號。

22、本發明提供一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，該程序被處理器執行時實現上述方法。

23、與現有技術相比，本發明達到了以下技術效果：

24、首先，本發明提出“全芯片集成”概念，將量子光源和單光子探測器集成到同一芯片上，克服了傳統芯片集成量子通信系統“片下光源、片上處理、片下探測”帶來的插入損耗和系統不穩定性；

25、其次，本發明提出的全芯片集成技術方案，光電芯片對外只有集成電路和耦合光纖兩種接口，前者可以通過金絲鍵合等方式與可編程邏輯電路集成在一起，后者可以通過機械封裝、模場適配器等各種結構低損連接，此時量子通信系統稱為板卡級、集成化的小型系統，可以通過嵌入式部署的方式與經典通信網絡結合，實現量子通信網絡的快速溝通；

26、最后，本發明提出的功能定義量子通信系統思路，通過用戶需求和信道特征切換各種量子通信業務功能，實現“一套通用系統、多種支撐能力”的服務化定制，為量子通信網絡推廣應用提供解決方案。

技術特征：

1.一種基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，其特征在于包括：將半導體激光器、非線性介質、多種量子通信協議對應的量子態編譯光路裝置、多種量子通信協議對應的量子態解譯光路裝置、半導體基單光子探測器集成到同一芯片平臺上并通過芯片集成電路驅動，通過路徑選擇光路實現多種量子通信協議所對應的編譯光路和解譯光路的自由切換，利用路徑選擇光路為用戶提供量子通信協議按需切換的收發服務，實現量子通信通用系統。

2.根據權利要求1所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，其特征在于所述方法具體包括以下步驟：

3.根據權利要求1所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，其特征在于，所述各種光學器件之間通過低損耗波導連接，光電混合集成芯片對外存在兩個接口，一是通過尾纖直接輸出的光學接口，二是通過芯片集成電路實現的可編程邏輯電路控制接口。

4.根據權利要求2所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，其特征在于，所述s103各種應用需求包括通信雙方安全通信、精準授時以及非定域協同。

5.根據權利要求1所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，包括通信發送方和接收方，其特征在于所述方法具體包括：

6.根據權利要求5所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，其特征在于，所述s203信道條件相對較為穩定且需要高速率通信時選擇bb84協議。

7.根據權利要求5所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，其特征在于，所述s203信道擾動較大且對通信可靠性需求高于速率需求時選擇時間比特相位協議。

8.根據權利要求5所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，其特征在于，所述s203通信雙方需要進行量子安全時間同步業務而非密鑰分發業務時選擇量子安全同步協議。

9.根據權利要求5所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，其特征在于，所述s206通過光纖陣列、光學耦合波導接收量子通信信號。

10.一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，該程序被處理器執行時實現權利要求1-9任一項所述方法。

技術總結
本發明提出的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統實現方法，基于倒裝焊技術和異質結集成技術將量子光源、單光子探測器等有源器件集成到芯片上，通過芯片構建多種不同協議類型的量子通信系統并通過路徑選擇光路等方式實現協議切換，通過芯片集成電路控制芯片集成光路實現“協議可定制”量子通信業務功能。

技術研發人員：郭凱,王亞男
受保護的技術使用者：中國人民解放軍軍事科學院系統工程研究院
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21