CN115529088A - 异地光源的频差校准装置及量子密钥分发*** - Google Patents

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CN115529088A
CN115529088A CN202210993320.6A CN202210993320A CN115529088A CN 115529088 A CN115529088 A CN 115529088A CN 202210993320 A CN202210993320 A CN 202210993320A CN 115529088 A CN115529088 A CN 115529088A
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周来
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Abstract

本发明公开了一种异地光源的频差校准装置，所述异地光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源输出第一光信号，所述第二光源输出第二光信号，所述频差校准装置包括：PID控制组件，配置成根据所述第一光信号和所述第二光信号的相位差，输出相位调制信息，并根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制；频率控制模块，与所述PID控制组件耦接，配置成根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差；频率偏移模块，与所述频率控制模块耦接，配置成根据所述频率差对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。本发明所提供的频差校准装置，无需将服务光纤作为传输媒介，也无需掺铒光纤放大器、鉴频鉴相装置等复杂模块。

Description

异地光源的频差校准装置及量子密钥分发***
技术领域
本发明涉及量子保密通讯技术领域，尤其涉及一种异地光源的频差校准装置、量子密钥分发***及使用该频差校准装置进行频差校准的方法。
背景技术
量子保密通信中，通信双方以光纤或自由空间为媒介，根据量子密钥分发的协议生成具有一定长度的密钥。通信双方再通过一次一密的方式加密经典信息进行传输，从而保证信息的安全性。在量子密钥分发中，由于发射的信号是单光子水平，克服传输链路中的衰减成了基本问题。传统的量子密钥分发协议中，量子密钥的生成速率和传输链路中的衰减成线性关系。新型双场量子密钥分发协议基于第三方的单光子干涉，使得密钥的生成速率和衰减的平方根成线性关系，在无中继的情况下陆续突破了500/600/800公里的光纤传输距离。但是双场协议需要在第三方实现高干涉可见度和相位稳定的单光子干涉，给***的实现带来了很大的困难。
影响量子光信号相位稳定的主要因素有：1、长距离光纤引起的相位抖动，2、异地激光源的频率差。百公里量级光纤传输链路的相位抖动速率是kHz级别，可以通过亚MHz级别的反馈补偿信号进行相位稳定，从而消除上述光纤链路抖动造成的相位偏移。基于超稳腔的激光源可以输出Hz级别线宽的激光，但是其内部用于锁频参考的超稳腔也会产生固有的线性漂移。长时间累积后，基于超稳腔的激光源的频率差也将超过相位反馈***的可控范围。因此，相位稳定和频率锁定对于双场量子密钥分发协议至关重要。
目前锁定用户间激光源频率差常用的方法是时间频率传递技术或光锁相环技术。基于时间频率传递技术，用户之间增加服务光纤作为额外的信道，互相传输各自的光源信号。用户自身光源与对方光源信号进行拍频，再根据拍频结果实时调节光路中的移频模块，将激光源之间的频率差降到kHz以内甚至接近0Hz。基于光锁相环技术，用户的光源作为从激光器，处于中间节点的第三方使用另一窄线宽的激光器作为主激光器，同样通过服务光纤传输到用户。通过鉴频鉴相器得出主从激光器之间的频差并转换为误差信号，通过反馈控制调节从激光器的频率，最终与主激光器的频率变化保持一致，从而实现用户之间的光源频率差稳定。
现有的时间频率传递技术或光锁相环技术中，相位稳定和频率锁定是分开的。用户在量子信道上进行相位跟踪补偿，用户之间需要增加服务光纤作为额外的信道，来传输光源信号进行频率锁定。时间频率传递技术或光锁相环技术都需要复杂的反馈***。此外，长距离的服务光纤中也需要在相应节点上加入光放大器，增加了***的资源消耗。依赖服务光纤的频率锁定方法在点对点的通信中消耗资源，在多节点的量子保密通信中则更为明显，给量子保密通信的网络化增加了难度。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供了一种异地光源的频差校准装置，所述异地光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源输出第一光信号，所述第二光源输出第二光信号，所述频差校准装置包括：
PID控制组件，配置成根据所述第一光信号和所述第二光信号的相位差，输出相位调制信息，并根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制；
频率控制模块，与所述PID控制组件耦接，配置成根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差；
频率偏移模块，与所述频率控制模块耦接，配置成根据所述频率差对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
根据本发明的一个方面，其中所述频率控制模块进一步配置成：
待所述PID控制组件输出稳定后，根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
根据本发明的一个方面，其中所述频率控制模块进一步配置成：
根据所述相位调制信息在预设时间范围内的积分结果，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
根据本发明的一个方面，其中所述频率偏移模块进一步配置成：
当所述频率差大于第一阈值时，对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
根据本发明的一个方面，其中所述PID控制组件包括：
相位调制模块，配置成接收所述第一光信号，根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制；
耦合模块，与所述相位调制模块耦接，配置成接收相位调制后的第一光信号与所述第二光信号，耦合后输出；
光电探测器，与所述耦合模块耦接，配置成接收耦合后的光信号，并将所述耦合后的光信号转换为电信号；
相位控制模块，与所述光电探测器耦接，配置成根据所述电信号生成相位调制信息。
根据本发明的一个方面，所述频率校准装置中
所述相位调制模块包括压控相位调制器，所述相位调制信息包括补偿电压信号；
所述耦合模块包括50:50光纤分束器；
所述光电探测器包括单光子探测器。
根据本发明的一个方面，其中所述PID控制组件还包括：
波分解复用器，耦接于所述耦合模块与所述光电探测器之间，配置成从耦合后的光信号中分离出量子光信号，用于量子态探测。
根据本发明的一个方面，其中所述PID控制组件还包括：
第一偏振控制模块，与所述相位调制模块耦接，配置成接收所述第一光信号，进行偏振态调整后输出至所述相位调制模块；
第二偏振控制模块，与所述耦合模块耦接，配置成接收所述第二光信号，进行偏振态调整后输出至所述耦合模块。
根据本发明的一个方面，其中所述第一光源和所述第二光源分别包括：
超稳激光器，配置成输出激光信号；
边带生成模块，与所述超稳激光器耦接，配置成接收所述激光信号，经调制后并提取出两个不同频率的边带信号，分别生成量子光信号和参考光信号；
波分复用器，与所述边带生成模块耦接，配置成接收所述参考光信号和所述量子光信号，耦合后输出。
根据本发明的一个方面，其中所述超稳激光器包括：
激光光源，配置成输出所述激光信号；
分束器，与所述激光光源耦接，配置成将所述激光信号分为第一束激光信号和第二束激光信号，其中第一束激光信号输出至所述边带生成模块；
超稳腔，与所述分束器耦接，配置成接收所述第二束激光信号，通过腔体反射输出锁频信号；
调谐模块，与所述超稳腔耦接，配置成根据所述锁频信号锁定所述激光光源的输出频率。
根据本发明的一个方面，其中所述频率偏移模块设置于所述第一光源的分束器与超稳腔之间，所述频率偏移模块配置成：
根据所述频率差对所述第一光信号的频率进行调整。
根据本发明的一个方面，其中所述频率偏移模块设置于所述第一光源的超稳激光器与所述边带生成模块之间，所述频率偏移模块配置成：
根据所述频率差对所述第一光信号的频率进行调整。
根据本发明的一个方面，其中所述频率偏移模块包括声光调制器。
本发明还提供一种量子密钥分发***，包括进行量子保密通讯的第一用户端和第二用户端，所述量子密钥分发***还包括：
第三方终端，所述第三方终端设置有如上文所述的频率校准装置；其中
所述第一用户端具有所述第一光源，所述第二用户端具有所述第二光源，所述频率校准装置配置成校准所述第一用户端的第一光源与所述第二用户端的第二光源之间的频率差。
本发明还提供一种使用如上文所述的频率校准装置进行频率校准的方法，包括：
通过所述PID控制组件根据所述第一光信号和所述第二光信号的相位差，输出相位调制信息，并根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制；
通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差；
通过所述频率偏移模块根据所述频率差对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
根据本发明的一个方面，其中所述通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差进一步包括：
待所述PID控制组件输出稳定后，通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
根据本发明的一个方面，其中所述通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差进一步包括：
通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息在预设时间范围内的积分结果，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
根据本发明的一个方面，其中所述通过所述频率偏移模块根据所述频率差对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整进一步包括：
当所述频率差大于第一阈值时，通过所述频率偏移模块对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
本发明还提供一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述指令被处理器执行时，使得所述处理器执行如上文所述的方法。
本发明提供一种基于第三方相位锁定***的异地光源的频差校准装置及频差校准的方法。基于快速相位稳定***中的反馈信号，可以提取出异地用户激光源间的频率差，而且可以实时监控用户激光源频率差的漂移情况。异地用户的激光源即使相隔数百公里光纤，当频差偏移超过所设阈值，便可以向用户发送频差信号，相应地校准漂移激光源的频率。
本发明所提供的装置及方法兼容了基于波分复用的快速漂移相位稳定***，通过单一信道完成异地用户激光源的频率调谐，不需要将服务光纤作为传输媒介，也无需掺铒光纤放大器、鉴频鉴相装置等复杂模块，就可以完成异地用户激光源的频差校准。这大大有利于双场量子密钥分发***在多节点的量子保密网络中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。
图1示出了进行量子保密通讯的其中一个用户的信号发射装置；
图2示出了本发明的一个实施例所提供的异地光源的频率校准装置；
图3示出了本发明的一个实施例所提供的异地光源的频率校准装置及其频率偏移模块在用户端的设置方式；
图4示出了本发明的一个实施例所提供的异地光源的频率校准装置及其频率偏移模块在用户端的设置方式；
图5示出了本发明的一个实施例所提供的异地光源的频率校准装置中PID控制组件的实现方式；
图6示出了示出了本发明的一个实施例所提供的异地光源的频率校准装置；
图7示出了本发明的一个实施例所提供的量子密钥分发***；
图8示出了本发明的一个实施例所提供的进行频率校准的方法；
图9示出了本发明的一个实施例所提供的进行频率校准的方法流程图；
图10示出了本发明的一个实施例计算获得频率差与实际频差的对比关系。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
在量子密钥分发***中，通讯双方均设置有发射量子光信号的光源设备，不妨设：进行量子保密通讯的第一用户和第二用户分别具有第一光源和第二光源。如图1所示，所述第一光源和所述第二光源分别包括：超稳激光器10、边带生成模块20、编码模块30和波分复用器40。其中：
超稳激光器10进一步包括：激光光源11、分束器12、超稳腔13和调谐模块14。
其中激光光源11输出激光信号，经过分束器12后分为第一束和第二束。第一束激光信号用于锁定激光光源11自身的发射频率，第二束激光信号提供给用户使用，通过边带生成模块20调制出边带信号，再通过编码模块30将待传输的有效信息编码在边带信号上，生成量子光信号并发送。
超稳腔13与分束器12耦接，配置成接收所述第一束激光信号。超稳腔13具有固定的腔长，第一束激光信号在腔体内不断反射，生成锁频信号。
调谐模块14与超稳腔13耦接，配置成根据所述锁频信号调节激光光源11的输出信号频率，最终将输出信号频率锁定。
将超稳激光器10作为第一用户和第二用户的独立光源，可以达到Hz级别的线宽。然而，在作为参考腔的超稳腔13正常工作期间，其长度也会发生波动，往往使得激光光源11输出的激光信号频率存在缓慢的线性漂移。即使初始状态下第一用户与第二用户的超稳激光器10的输出信号频率一致，经过长时间工作后，两者之间的频率差也会增加。
边带生成模块20与分束器12耦接，配置成接收所述第二束激光信号。可选地，边带生成模块20包括宽带相位调制器和光滤波器(图中未示出)。宽带相位调制器接收所述第二束激光信号作为载波，在载波的两旁调制出边频分量，其中一侧的边频分量作为量子光信号，另一侧的边频分量作为参考光信号。光滤波器与宽带相位调制器耦接，用于将不同频率的量子光信号和参考光信号从边频分量中过滤出来。其中，量子光信号进入编码模块30，将待传输的有效信息编码在量子光信号上。可选地，编码模块30还包括光衰减器(图中未示出)，将编码后的量子光信号衰减到单光子水平。参考光信号用于校准链路相位差以及激光器频差。
波分复用器40接收编码后的量子光信号和参考光信号，将量子光信号和参考光信号进行合路后，作为第一光源/第二光源的输出信号实现共纤传输。共纤传输是指采用同一条长光纤进行传输，以此保证量子光信号和参考光信号在传输过程中受到相同的外部干扰。量子光信号由于保密通讯的特性，需要将功率降到单光子水平才能进入光纤，而参考光信号可以保持较强的光功率。
第一用户的第一光源和第二用户的第二光源发射出的量子光信号和参考光信号经过长光纤链路传输后到达第三方，在第三方探测量子态。
通过光纤链路传输后，第一用户和第二用户发送的量子光信号和参考光信号的相位均受到了光纤链路抖动的影响，以及由于发射端的激光器频率漂移造成的影响。则：
Figure BDA0003804605850000091
其中，
Figure BDA0003804605850000094
表示第一用户和第二用户发送的参考光信号/量子光信号之间的相位差(相位波动)，v是激光信号的频率，Δv是第一用户和第二用户实际输出的激光频率之差，s是光纤中的光速，L是光纤链路的长度，ΔL是第一用户和第二用户到第三方的光纤长度差(光程差)。则括号中的第一项ΔvL表示用户光源之间的频率差带来的相位漂移，第二项vΔL表示光纤链路带来的相位漂移。将上式对时间取微分后可得：
Figure BDA0003804605850000092
Δv的抖动由光源带来，特别是超稳腔本身存在漂移。
Figure BDA0003804605850000093
通常反映着数百里的光纤链路的相位变化，主要由温度、振动等环境因素引起，可以达到kHz级别的速率。若取一定的积分时间Δt，Δv带来的相位的变化线性累加，而由于外部环境变化带来的相位变化因素
Figure BDA0003804605850000101
会发生正负波动，所以总的相位变化围绕ΔvΔt波动。
本发明提供一种利用上述理论，通过测量一定时间内异地光源的相位差的累积变化量，计算异地光源的频率差，进而进行频率校准的装置及校准方法。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，本发明提供一种异地光源的频差校准装置100，所述异地光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源输出第一光信号，所述第二光源输出第二光信号。在上述量子保密通讯的应用场景下，所述第一光源通过波分复用器输出第一光信号，所述第一光信号包括第一量子光信号和第一参考光信号；所述第二光源通过波分复用器输出第二光信号，所述第二光信号包括第二量子光信号和第二参考光信号。
频差校准装置100包括：PID控制组件110、频率控制模块120和频率偏移模块130。其中：
PID控制组件110配置成根据所述第一光信号和所述第二光信号的相位差，输出相位调制信息，并根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制。异地用户分别输出量子光信号，在第三方进行干涉后探测量子态。为了稳定干涉信号的相位，第三方设置相位反馈***，通过对异地用户的参考光信号的相位差进行测量，输出相位调制信息，从而对量子光信号和参考光信号的相位进行调制。第三方的相位反馈***通常采用PID算法，通过闭环控制使所述第一光信号与所述第二光信号的相位差波动稳定在小于预设值的范围之内。
可选地，如图2所示，PID控制组件110包括：相位调制模块111、耦合模块112、波分解复用器113、光电探测器114和相位控制模块115。其中：
相位调制模块111包括压控相位调制器，通过输出电压对所述第一光信号的相位进行调制(补偿)。所述第一光信号经过相位调制模块111，施加在相位调制模块111上的电压大小引起输入光相位的变化
Figure BDA0003804605850000102
为：
Figure BDA0003804605850000111
其中，ΔV是施加在相位调制模块111上的电压，Vπ是相位调制模块111的半波电压。
耦合模块112包括50:50光纤分束器，经过相位调制模块111调制后的第一光信号及所述第二光信号到达耦合模块112后产生干涉。其中频率相同或相近的第一参考光信号与第二参考光信号发生干涉，生成第一干涉信号；频率相同或相近的第一量子光信号与第二量子光信号发生干涉，生成第二干涉信号。耦合模块112的输出信号经过波分解复用器113，将所述第一干涉信号与第二干涉信号分离。其中，所述第二干涉信号用于探测量子态。所述第一干涉信号的功率较强，用于生成相位反馈***的反馈信号。
光电探测器114包括单光子探测器，光电探测器114与波分解复用器113耦接，配置成接收所述第一干涉信号，并将所述第一干涉信号转换为电信号(电脉冲信号)。当所述第一光信号与所述第二光信号的相位差波动越小时，所述第一参考光信号与所述第二参考光信号呈现越稳定的干涉，输出的所述第一干涉信号的光强波动越小，光电探测器114输出的电脉冲数量越稳定。
相位控制模块115与光电探测器114耦接，配置成根据所述电信号生成相位调制信息。相位控制模块115对光电探测器114生成的脉冲进行计数，得到脉冲光子数，根据所述脉冲光子数确定所述第一光信号与所述第二光信号的相位差(相位波动)，再根据所述第一光信号与所述第二光信号的相位差计数得到补偿电压V,输出补偿电压信号驱动相位调制模块111，相位调制模块111根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制。也即，相位调制模块111根据相位控制模块115输出的补偿电压信号施加补偿电压，使所述第一光信号的相位发生变化。
继续参照图2，频率校准装置100中，频率控制模块120与PID控制组件110耦接，配置成根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
在所述相位反馈***(PID闭环控制***)稳定后，PID控制组件110输出的所述相位调制信息和所述第一光信号与所述第二光信号的相位差相关。
可选地，频率控制模块120进一步配置成：
待PID控制组件110输出稳定后，根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
在PID控制组件110稳定工作的基础上，频率控制模块120根据所述相位调制信息计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。可选地，频率控制模块120可以通过分析光电探测器114的光子计数N判断PID控制组件110是否稳定工作，当光子计数N的标准差σ(N)小于预设阈值σ0时，则认为PID控制组件110稳定工作，频率控制模块120对相位调制信息(即补偿电压)进行进一步的分析处理。
根据本发明的一个实施例，对计算获得的所述频率差设置阈值，当所述频率差Δf超过第一阈值f0时，则可发送设定频率Δf到频率偏移模块130，校准异地用户激光源间的频率差。
根据上文的分析，造成所述第一光信号和所述第二光信号存在相位差的因素主要有两项：由于所述第一光源与所述第二光源的输出信号频率差造成的相位漂移，以及光纤链路抖动造成的相位漂移。其中所述第一光源与所述第二光源的输出信号频率差主要来自超稳腔腔长本身的漂移。光纤链路抖动主要由温度、振动等环境因素引起。若取一定的积分时间Δt，则所述第一光源与所述第二光源的输出信号频率差带来的相位漂移线性累加，而光纤链路抖动造成的相位漂移会发生正负波动，因此，通过在预设时间内取相位差的积分值，可以使相位差与频率差的相关性增强。
根据本发明的一个实施例，频率控制模块120进一步配置成：
根据所述相位调制信息在预设时间范围内的积分结果，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。选取一定的积分时间，在光纤链路抖动积累的相位变化量可忽略的情况下，便可准确估计频率差引起的变化量。
继续参照图2，频率校准装置100中，频率偏移模块130与频率控制模块120耦接，配置成根据所述频率差对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。频率偏移模块130可以设置在所述第一光源处或所述第二光源处，用于调整所述第一光信号或所述第二光信号的频率，根据频率控制模块120计算获得的频率差，调整所述第一光信号或所述第二光信号的频率偏移值大小相等，正负相反。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，频率偏移模块130设置在第一光源处，耦接于所述第一光源的超稳激光器10的分束器12与超稳腔13之间，当激光光源11发射出具有频率v的激光信号并通过频率偏移模块130后，施加在频率偏移模块130上的射频信号Δf使得激光信号的频率产生偏移v±Δf。激光信号通过作为参考腔的超稳腔13，匹配腔体的传输模式。根据腔体的反射信号，调谐模块14调节激光光源11的输出信号频率，最终将激光光源11的输出信号频率锁定在v±Δf上，达到激光信号的稳定输出。
根据本发明的一个实施例，如图4所示，频率偏移模块130设置在第一光源处，耦接于所述第一光源的超稳激光器10的分束器12与边带生成模块20之间。可选地，频率偏移模块130包括声光调制器。激光光源11输出的激光信号经分束器12分离，其中一束激光信号在进入边带调制模块20之前，通过声光调制器使激光信号发生频移，同样可以达到频率差校准的技术目的。
根据本发明的一个实施例，如图5所示，本发明所提供的异地光源的频率校准装置100中，PID控制组件110也具有不同的实现方式。如图所示，PID控制组件110包括：相位调制模块111、第一波分解复用器113-1、第二波分复用器113-2、耦合模块112、光电探测器114和相位控制模块115。其中：
相位调制模块111配置成接收所述第一光信号，根据相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制。
第一波分解复用器113-1与所述相位调制模块111耦接，配置成将相位调制后的所述第一光信号分解成第一量子光信号和第一参考光信号。
第二波分解复用器113-2配置成将所述第二光信号分解成第二量子光信号和第二参考光信号。
耦合模块112与第一波分解复用器113-1、第二波分解复用器113-2分别耦接，配置成接收所述第一参考光信号与所述第二参考光信号，耦合后输出。
光电探测器114与耦合模块112耦接，配置成接收耦合后的光信号，并将所述耦合后的光信号转换为电信号。
相位控制模块115与光电探测器114耦接，配置成根据所述电信号生成相位调制信息。
其中，第一波分解复用器113-1输出的所述第一量子光信号，与第二波分解复用器113-2输出的所述第二量子光信号用于探测量子态。
根据本发明的一个实施例，如图6所示，用于异地光源的频率校准装置100中，PID控制组件110还包括：第一偏振控制模块116-1和第二偏振控制模块116-2。其中：
第一偏振控制模块116-1与相位调制模块111耦接，配置成接收所述第一光信号，进行偏振态调整后输出至相位调制模块111。
第二偏振控制模块116-2与耦合模块112耦接，配置成接收所述第二光信号，进行偏振态调整后输出至耦合模块112。
所述第一光信号和所述第二光信号分别经过第一偏振控制模块116-1和第二偏振控制模块116-2后，其偏振态可受到调节，使得所述第一光信号和所述第二光信号以相同且稳定的偏振态进入耦合模块112，从而实现最大的干涉可见度。
根据本发明的一个实施例，本发明所提供的异地光源的频率稳定装置100，也可以适用于其他应用场景。例如：仅通过相位反馈***(PID闭环控制***)将异地光源的相位锁定，并通过PID控制***输出的中间数据，进行频差校准。在这种应用场景之下，PID控制组件110中无需设置波分解复用装置，同样可以实现对于两路光信号的相位锁定及频率锁定。本领域技术人员容易理解，这些变化的实施例均在本发明的保护范围之内。
根据本发明的一个实施例，如图7所示，本发明还提供一种量子密钥分发***200，包括进行量子保密通讯的第一用户210和第二用户220，以及第三方230。其中：
第三方230设置如上文所述的频率校准装置100。其中所述第一用户210具有所述第一光源，第二用户220具有所述第二光源，所述频率校准装置100配置成校准第一用户210的第一光源与第二用户220的第二光源之间的频率差。
根据本发明的一个实施例，如图8所示，本发明还提供一种使用如上文所介绍的频率校准装置100进行频率校准的方法20，包括步骤S201至步骤S203。其中：
在步骤S201中，通过所述PID控制组件根据所述第一光信号和所述第二光信号的相位差，输出相位调制信息，并根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制。
在步骤S202中，通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
在步骤S203中，通过所述频率偏移模块根据所述频率差对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
根据本发明的一个实施例，进行频率校准的方法20中，步骤S202进一步包括：
待所述PID控制组件输出稳定后，通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
根据本发明的一个实施例，进行频率校准的方法20中，步骤S202进一步包括：
所述频率控制模块根据所述相位调制信息在预设时间范围内的积分结果，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
根据本发明的一个实施例，进行频率校准的方法20中，步骤S203进一步包括：
当所述频率差大于第一阈值时，对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
上述进行频率校准的方法20的具体限定与频率校准装置100中的具体限定相似，可以参见上文中关于频率校准装置100的介绍，在此不再赘述。
本发明还提供一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述指令被处理器执行时，使得所述处理器执行如上文所介绍的方法20。
下面通过实验对本发明所提供的频率校准装置100、进行频率校准的方法20进行验证：
图3是实施例中基于相位锁定补偿电压分析的光源频差。为了验证本实验方案，在实验过程中，人为地使两激光源产生频率差Δv，并根据相位锁定补偿电压，在Δt为500ms的积分时间下计算出频率差Δf，与实际频差Δv基本一致。
实验流程图如图9所示，开始实验时，频率偏移模块130输出的初始频率为f，超稳激光器10输出稳定，偏振控制稳定，相位调制模块输出的补偿电压值ΔV＝0。
根据光电探测器114获得的干涉后的光子计数N进行计算，当光子计数N的标准差σ(N)小于预设阈值σ0时，PID组件110稳定输出中，频率控制模块120根据补偿电压分析计算两激光源的频率差Δf，当计算获得的频率差Δf大于第一阈值时，发送偏移量至频率偏移模块130。
图10示出了实验中计算获得的异地光源频差与实际设置的频差的关系，可见两者基本一致。
本发明提供一种基于第三方相位锁定***的异地光源的频差校准装置及频差校准的方法。基于快速相位稳定***中的反馈信号，可以提取出异地用户激光源间的频率差，而且可以实时监控异地用户激光源频率差的漂移情况。异地用户的激光源即使相隔数百公里光纤，当频差偏移超过所设阈值，便可以向用户发送频差信号，相应地校准漂移激光源的频率。
本发明所提供的装置及方法兼容了基于波分复用的快速漂移相位稳定***，通过单一信道完成异地用户激光源的频率调谐，不需要将服务光纤作为传输媒介，也无需掺铒光纤放大器、鉴频鉴相装置等复杂模块，就可以完成异地用户激光源的频差校准。这大大有利于双场量子密钥分发***在多节点的量子保密网络中的应用。

Claims (19)

1.一种异地光源的频差校准装置，所述异地光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源输出第一光信号，所述第二光源输出第二光信号，其特征在于，所述频差校准装置包括：
PID控制组件，配置成根据所述第一光信号和所述第二光信号的相位差，输出相位调制信息，并根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制；
频率控制模块，与所述PID控制组件耦接，配置成根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差；
频率偏移模块，与所述频率控制模块耦接，配置成根据所述频率差对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
2.如权利要求1所述的频率校准装置，其中所述频率控制模块进一步配置成：
待所述PID控制组件输出稳定后，根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
3.如权利要求1或2所述的频率校准装置，其中所述频率控制模块进一步配置成：
根据所述相位调制信息在预设时间范围内的积分结果，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
4.如权利要求1或2所述的频率校准装置，其中所述频率偏移模块进一步配置成：
当所述频率差大于第一阈值时，对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
5.如权利要求1或2所述的频率校准装置，其中所述PID控制组件包括：
相位调制模块，配置成接收所述第一光信号，根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制；
耦合模块，与所述相位调制模块耦接，配置成接收相位调制后的第一光信号与所述第二光信号，耦合后输出；
光电探测器，与所述耦合模块耦接，配置成接收耦合后的光信号，并将所述耦合后的光信号转换为电信号；
相位控制模块，与所述光电探测器耦接，配置成根据所述电信号生成相位调制信息。
6.如权利要求5所述的频率校准装置，其中
所述相位调制模块包括压控相位调制器，所述相位调制信息包括补偿电压信号；
所述耦合模块包括50:50光纤分束器；
所述光电探测器包括单光子探测器。
7.如权利要求5所述的频率校准装置，其中所述PID控制组件还包括：
波分解复用器，耦接于所述耦合模块与所述光电探测器之间，配置成从耦合后的光信号中分离出量子光信号，用于量子态探测。
8.如权利要求5所述的频率校准装置，其中所述PID控制组件还包括：
第一偏振控制模块，与所述相位调制模块耦接，配置成接收所述第一光信号，进行偏振态调整后输出至所述相位调制模块；
第二偏振控制模块，与所述耦合模块耦接，配置成接收所述第二光信号，进行偏振态调整后输出至所述耦合模块。
9.如权利要求1或2所述的频率校准装置，其中所述第一光源和所述第二光源分别包括：
超稳激光器，配置成输出激光信号；
边带生成模块，与所述超稳激光器耦接，配置成接收所述激光信号，经调制后并提取出两个不同频率的边带信号，分别生成量子光信号和参考光信号；
波分复用器，与所述边带生成模块耦接，配置成接收所述参考光信号和所述量子光信号，耦合后输出。
10.如权利要求9所述的频率校准装置，其中所述超稳激光器包括：
激光光源，配置成输出所述激光信号；
分束器，与所述激光光源耦接，配置成将所述激光信号分为第一束激光信号和第二束激光信号，其中第一束激光信号输出至所述边带生成模块；
超稳腔，与所述分束器耦接，配置成接收所述第二束激光信号，通过腔体反射输出锁频信号；
调谐模块，与所述超稳腔耦接，配置成根据所述锁频信号锁定所述激光光源的输出频率。
11.如权利要求10所述的频率校准装置，其中所述频率偏移模块设置于所述第一光源的分束器与超稳腔之间，所述频率偏移模块配置成：
根据所述频率差对所述第一光信号的频率进行调整。
12.如权利要求10所述的频率校准装置，其中所述频率偏移模块设置于所述第一光源的超稳激光器与所述边带生成模块之间，所述频率偏移模块配置成：
根据所述频率差对所述第一光信号的频率进行调整。
13.如权利要求12所述的频率校准装置，其中所述频率偏移模块包括声光调制器。
14.一种量子密钥分发***，包括进行量子保密通讯的第一用户端和第二用户端，其特征在于，所述量子密钥分发***还包括：
第三方终端，所述第三方终端设置有如权利要求1-13中任一项所述的频率校准装置；其中
所述第一用户端具有所述第一光源，所述第二用户端具有所述第二光源，所述频率校准装置配置成校准所述第一用户端的第一光源与所述第二用户端的第二光源之间的频率差。
15.一种使用如权利要求1-13中任一项所述的频率校准装置进行频率校准的方法，其特征在于，包括：
通过所述PID控制组件根据所述第一光信号和所述第二光信号的相位差，输出相位调制信息，并根据所述相位调制信息对所述第一光信号的相位进行调制；
通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差；
通过所述频率偏移模块根据所述频率差对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
16.如权利要求15所述的进行频率校准的方法，其中所述通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差进一步包括：
待所述PID控制组件输出稳定后，通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
17.如权利要求15或16所述的进行频率校准的方法，其中所述通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差进一步包括：
通过所述频率控制模块根据所述相位调制信息在预设时间范围内的积分结果，计算所述第一光信号与所述第二光信号的频率差。
18.如权利要求15或16所述的进行频率校准的方法，其中所述通过所述频率偏移模块根据所述频率差对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整进一步包括：
当所述频率差大于第一阈值时，通过所述频率偏移模块对所述第一光信号或所述第二光信号的频率进行调整。
19.一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述指令被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求15-18中任一项所述的方法。
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