CN113497705B - 一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发*** - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发***，包括级联的第一级干涉结构和第二级干涉结构，第一级干涉结构的一臂上置有偏置相移器，第二级干涉结构两臂分别设置有相移器；偏置相移器被配置为通过直流电压驱动，所述相移器被配置为脉冲电压以单端推挽方式驱动；本公开极大提高了***集成度，降低了光学***成本；解决了动态高速调制下偏振态制备不稳定的问题，同时减少了动态驱动电路的个数与驱动电压。

Description

一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发***
技术领域
本公开属于量子密钥分发技术领域，具体涉及一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
偏振编码的量子密钥分发(QKD)***是以光子偏振态为信息载体实现密钥分发。光子偏振态制备在QKD***中至关重要。光子偏振态制备准确度以及稳定性直接决定了商用QKD***长期误码率及安全性。
根据发明人了解，目前主要包括两种光子偏振态制备方案，其中一种是利用现有商用的量子密钥分发方案将经典分立器件(偏振分束器、相移器、光纤、法兰等)组合连接，搭建成所需功能的偏振调制器/模块。此方案制作出的偏振调制器/模块体积庞大，不利于集成。受环境温度、震动影响明显，稳定性较差。
另一种方案是采用硅光子片上集成技术实现量子密钥发送端光学***功能。如图1所示：采用两级马赫曾德干涉仪(MZ干涉仪)结构。偏振调制器由两级MZ干涉仪串联构成，用于制备水平偏振态H、垂直偏振态V、+45°偏振态P和-45°偏振态N。现有QKD产品均采用脉冲光源，这要求两级干涉结构中相移器均需要用脉冲电压来驱动。第一级干涉结构中信号光在两臂的相位差为0和π时，分别对应制备出水平和垂直偏振态。第一级两臂相位差为π/2前提下，第二级两臂相位差为0和π，分别对应制备出+45°偏振态和-45°偏振态。在QKD***中，通常采用几百MHz甚至GHz的信号。在如此高频调制下，驱动很难达到完美的相位差。并且π/2相移在相移-功率的干涉曲线中间位置，斜率最大，相移抖动对干涉功率输出影响较大，第二级干涉结构偏振态调制对第二级干涉结构上下两臂光强比例依赖性较强。因此第一级调制相位差出现稍微偏差对第二级干涉结构偏振态制备影响非常显著。其次，此方案采用两路独立动态驱动电路，成本较高。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种偏振调制器、驱动方法及量子密钥分发***，本公开极大提高了***集成度，降低了光学***成本；解决了动态高速调制下偏振态制备不稳定的问题，同时减少了动态驱动电路的个数与驱动电压。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种偏振调制器，在硅基片上集成，包括级联的第一级干涉结构和第二级干涉结构，第一级干涉结构的一臂上置有偏置相移器，第二级干涉结构两臂分别设置有相移器；
所述偏置相移器被配置为通过直流电压驱动，所述相移器被配置为脉冲电压以单端推挽方式驱动。
在上述技术方案中，首先，各部件在硅基片上集成，有效的解决了现有技术方案中经典分立器件方式中存在的体积庞大、稳定性差等问题，极大提高了集成度，也降低了光学***成本。
其次，以单端推挽方式用脉冲驱动电压驱动第二级干涉结构的相移器，可用一路驱动信号同时驱动两臂相移器，降低半波电压，降低调制器啁啾现象，提高调制器带宽。解决了现有技术中第二种方式存在的必需两路独立动态驱动电路，成本较高，以及两级之间相互影响较大的问题。
作为可选择的实施方式，第一级干涉结构包括1×2分束器、偏置相移器和2×2分束器，所述1×2分束器用于将信号光等比例分为两束，1×2分束器的输出端通过波导分别连接2×2分束器的不同输入端，其中一路上额外设置有所述偏置相移器。
所述2×2分束器用于汇聚两束光信号，并形成干涉。
作为可选择的实施方式，所述偏置相移器可以是热调谐型相移器或基于载流子色散效应的硅基相移器。
当然，在其他可选择的实施方式中，也可以根据具体情况或要求替换为其他类型的偏置相移器。
作为可选择的实施方式，所述1×2分束器和2×2分束器的分束比为1:1。
作为可选择的实施方式，第二级干涉结构包括两个相移器和偏振合成器，所述2×2分束器的两个输出端分别连接一相移器，两个相移器的输出端分别连接偏振合成器的两个输入端。
作为可选择的实施方式，所述调制器的电极结构中增设BIAS电极，用于输入直流偏置信号，使调制器工作在目标偏置点。
作为可选择的实施方式，所述相移器为PN型相移器。
进一步的，PN型相移器为基于载流子色散效应的硅基相移器，可选的掺杂结构为PIN型或PN型。
当然，在其他可选择的实施方式中，也可以根据具体情况或要求替换为其他类型的相移器。
基于上述偏振调制器的驱动方法，采用直流电压驱动第一级干涉结构中的偏置相移器，以单端推挽方式用脉冲驱动电压驱动第二级干涉结构的相移器。
具体的，动态脉冲电压以推挽的方式驱动两臂相移器，使相移器将四种相位差调制到两路信号光上，在偏振合束器上汇合并合成所需要的偏振态：当第二级干涉两臂信号相位差为0时，合成偏振态为+45°；当相位差为π/2时，合成偏振态为右旋圆偏振；当相位差为π时，合成偏振态为-45°；当相位差为3π/2时，合成偏振态为左旋圆偏振。
一种量子密钥分发***，包括上述偏振调制器。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开的偏振调制器整体结构是在硅基片上单片集成的，提高了集成度、减少了体积，也降低了投入成本。
本公开的第一级干涉结构的一路额外设置有偏置相移器；通过用直流电压驱动所述偏置相移器；可改变波导折射率进而起到调制两臂光信号相位差的作用；可以严格并稳定控制第二级干涉结构的光强分布；并且在制备各个偏振态时，直流驱动的稳定性要远高于动态驱动。
本公开的在传统调制器电极结构基础上增加BIAS电极，用于输入直流偏置信号，以单端推挽方式驱动调制器，用一路脉冲驱动即可同时驱动两个相移器，与其他调制方法相比，在达到相同调制深度，驱动电压幅值可明显降低，而且在降低驱动电压的同时，没有增加驱动电路。
本公开的单端推挽方式驱动调制器可显著降低啁啾现象对调制器的影响，能提升所制备各偏振态功率稳定性，降低半波电压，提高调制器带宽。
本公开的偏振调制器用于量子密钥分发(QKD)***，能够减少QKD光学***的体积，极大提高了QKD***集成度；在高速调制的QKD***中提升了光信号的功率稳定性，有利于商用量子密钥分发***的长期误码率及安全性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开的现有技术中采用两级马赫曾德干涉仪结构示意图；
图2是本实施例的偏振调制器结构示意图；
图3是本实施例的PN型相移器截面结构图；
图4是本实施例的第二级干涉结构示意图；
图5是本实施例的第二级干涉结构调制工作等效电路图。
其中：1、1×2分束器，2、偏置相移器，3、2×2分束器，4、PN型相移器，5、PN型相移器，6、偏振合成器，7、S电极，8、BIAS电极，9、GND电极。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所述的，现有方案一中，现有商用的量子密钥分发方案采用分立器件实现偏振调制，因此装置体积庞大，功耗高，成本高，很难实现***集成并且***稳定性差。现有方案二，如图1所示，在密钥分发***的高频调制下，驱动很难达到完美的相位差。第一级调制相位差出现稍微偏差对第二级干涉结构偏振态制备影响显著，且至少需要两路独立动态驱动电路，成本较高。
为了解决上述问题，本公开提出了一种硅基片上集成的高稳定偏振调制器。将传统QKD***中的相移器、分束器等分立器件在硅基上实现单片集成，极大提高了***集成度，降低了光学***成本。
本公开还给出了调制器的电极设计结构及驱动方法，能够解决动态高速调制下偏振态制备不稳定的问题，同时减少动态驱动电路的个数与驱动电压。
为了使本领域技术人员更加清楚实现上述目的的技术方案，下面以实施例的方式进行详细叙述。
实施例一
一种硅基片上集成的高稳定偏振调制器，包括1×2分束器1，偏置相移器2，2×2分束器3，PN型相移器4，PN型相移器5和偏振合成器件6。
如图2所示，1×2分束器1，偏置相移器2与2×2分束器3，共同构成偏振调制器的第一级干涉结构。1×2分束器将信号光等比例分为两束，两出口通过光波导分别连接2×2分束器3的两个输入端。
在部分实施例中，1×2分束器和2×2分束器的分束比为1:1。
需要说明的是，由于2×2分束器3为第一级干涉结构和第二级干涉结构共用部分，因此，在本实施例中，第一级干涉结构和第二级干涉结构均包括2×2分束器3，但在其他实施例的叙述中，也可以将2×2分束器3单独划分为第一级干涉结构或第二级干涉结构的一部分，这些仅仅是表达方式的不同，并不代表技术方案的不同，或保护范围的不同。
TE模信号光经过1×2分束器1后被分为两束，分别输入第一级干涉结构的上下两臂。其中一路会额外经过偏置相移器2。
用直流电压驱动所述偏置相移器2，可改变波导折射率进而起到调制两臂光信号相位差的作用。带有相位差的两臂光信号在2×2分束器处汇聚并形成干涉。
如图3所示，PN型相移器截面结构包括依次布设的P+、P、N、N+，其中P、N部分为脊波导部分。
其中P+、N+分别为P型重掺杂和N型重掺杂，P、N分别为P型掺杂和N型掺杂。
本实施例中，第一级偏置相移器采用恒定直流电信号驱动，可以严格并稳定控制第二级干涉结构的光强分布。与制备H、V、P、N的方案相比，本实施例减少了一路动态驱动电路的需求。并且在制备各个偏振态时，直流驱动的稳定性要远高于动态驱动。
在部分实施例中，第一级干涉结构中的偏置相移器可选用热调谐型相移器，也可选用基于载流子色散效应的硅基相移器。
当然，这并不代表偏置相移器只能使用上述两种类型，在其他实施例中，也可以替换为其他相移器。
如图4所示，第二级干涉结构具体包括：2×2分束器3，PN型相移器4，PN型相移器5、偏振合成器6、S电极7、BIAS电极8、GND电极9。
信号光于2×2分束器3干涉后，分别从两出光口输出，通过光波导分别连接PN型相移器4，PN型相移器5。两个PN型相移器由动态脉冲电压驱动并调制上下两臂信号光的相位差。之后信号经过偏振合成器件6汇合并合成偏振态。偏振合成器件6接收两路输入光信号，将其中一路输入信号偏振态旋转90°，另外一路保持不变，之后将两路信号进行偏振合成并输出。
脉冲驱动电压信号VS通过S电极输入调制器中，BIAS电极用于使调制器工作在目标偏置点VBIAS。GND电极9用于接入GND信号。
通过动态驱动电路控制PN型相移器4，PN型相移器5的相移量，采用单端推挽的方式用一路驱动电路同时驱动两臂相移器。
如图5所示，在理想的工作等效电路图中，二极管i、ii分别为MZ干涉结构第二级上下两臂上的相移器掺杂区域构成的等效PN或PIN型二极管，电阻iii用于输入信号端阻抗匹配。
本实施例在传统调制器电极结构基础上增加BIAS电极，用于输入直流偏置信号。
信号电极(S电极)在两波导的一侧，驱动电信号通过信号电极作用到PN结或者PIN结。
脉冲驱动电压信号VS可正可负。可以形成以VBIAS为偏置的，驱动电压在-VS/2和VS/2之间交替变化的推挽式驱动。
动态驱动电压通过S电极输入调制器，分别下发四种脉冲电压，以单端推挽的方式驱动两臂相移器，使相移器将四种相位差(0、π/2、π、3π/2)调制到两路信号光上。之后在偏振合束器上汇合并合成所需要的偏振态：
当第二级干涉两臂信号相位差为0时，合成偏振态为+45°；当相位差为π/2时，合成偏振态为右旋圆偏振；当相位差为π时，合成偏振态为-45°；当相位差为3π/2时，合成偏振态为左旋圆偏振。
以单端推挽方式驱动相移器，用一路脉冲驱动即可同时驱动两个相移器，与其他调制方法相比，在达到相同调制深度，驱动电压幅值可明显降低。
单端推挽方式驱动调制器可显著降低啁啾现象对调制器的影响。采用了双相移器串联结构，降低电容值，可减少驱动信号在行波电极上的传输损耗，提高调制带宽。
在部分实施例中，PN型相移器为基于载流子色散效应的硅基相移器，可选的掺杂结构为PIN型或PN型。
在实施例一中，采用直流电压驱动第一级干涉结构中的偏置相移器，偏振态制备更加稳定，并减少一路动态驱动电路需求，以单端推挽方式用脉冲驱动电压驱动第二级干涉结构的调制器，可用一路驱动信号同时驱动两臂相移器，降低半波电压，降低调制器啁啾现象，提高调制器带宽。能够制备得到偏振态为+45°偏振态、右旋圆偏振态、﹣45°偏振态与左旋圆偏振态四种，适用范围广泛。
实施例二
量子密钥分发(QKD)***，包括实施例一提供的硅基集成偏振调制器。
本实施例提供的量子密钥分发***，由于将偏振调制器在硅基上集成，降低了QKD光学***的体积，极大提高了QKD***集成度。
同时降低了光学***成本。
采用直流电压驱动第一级干涉结构中的偏置相移器，能严格控制第二级干涉结构中两臂信号光强比例，提升了所制备各偏振态的偏振角度稳定性。并且减少一路动态驱动电路的需求，降低了***驱动电路成本。
采用单端推挽方式驱动第二级干涉结构，可以制备四种偏振态，只需要一路驱动电路即可，降低驱动电压的同时，没有增加驱动电路。并且降低了啁啾现象对调制器影响，进一步的在高速调制的QKD***中提升了光信号的功率稳定性。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种偏振调制器，在硅基片上集成，包括级联的第一级干涉结构和第二级干涉结构，其特征是：第一级干涉结构的一臂上置有偏置相移器，第二级干涉结构两臂分别设置有相移器；
所述偏置相移器被配置为通过直流电压驱动，所述相移器被配置为脉冲电压以单端推挽方式驱动；
第一级干涉结构包括1×2分束器、偏置相移器和2×2分束器，所述1×2分束器用于将信号光等比例分为两束，1×2分束器的输出端通过波导分别连接2×2分束器的不同输入端，其中一路上额外设置有所述偏置相移器；
第二级干涉结构包括两个相移器和偏振合成器，所述2×2分束器的两个输出端分别连接一相移器，两个相移器的输出端分别连接偏振合成器的两个输入端。
2.如权利要求1所述的一种偏振调制器，其特征是：所述偏置相移器为热调谐型相移器或基于载流子色散效应的硅基相移器。
3.如权利要求1所述的一种偏振调制器，其特征是：所述1×2分束器和2×2分束器的分束比为1:1。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种偏振调制器，其特征是：所述调制器的电极结构中增设BIAS电极，用于输入直流偏置信号，使调制器工作在目标偏置点。
5.如权利要求1-3中任一项所述的一种偏振调制器，其特征是：所述相移器为PN型相移器；
PN型相移器为基于载流子色散效应的硅基相移器，掺杂结构为PIN型或PN型。
6.如权利要求1-5中任一项所述的偏振调制器的驱动方法，其特征是：采用直流电压驱动第一级干涉结构中的偏置相移器，以单端推挽方式用脉冲驱动电压驱动第二级干涉结构的相移器。
7.如权利要求6所述的驱动方法，其特征是：动态脉冲电压以单端推挽的方式驱动两臂相移器，使相移器将四种相位差调制到两路信号光上，在偏振合束器上汇合并合成所需要的偏振态：
当第二级干涉两臂信号相位差为0时，合成偏振态为+45°；当相位差为π/2时，合成偏振态为右旋圆偏振；当相位差为π时，合成偏振态为-45°；当相位差为3π/2时，合成偏振态为左旋圆偏振。
8.一种量子密钥分发***，其特征是：包括如权利要求1-5中任一项所述的偏振调制器。
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