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CN115001593B - 一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片 - Google Patents

一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片 Download PDF

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CN115001593B
CN115001593B CN202210929215.6A CN202210929215A CN115001593B CN 115001593 B CN115001593 B CN 115001593B CN 202210929215 A CN202210929215 A CN 202210929215A CN 115001593 B CN115001593 B CN 115001593B
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polarization beam
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Abstract

一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，属于量子安全通信技术领域，包括光波导芯片、半波片和法拉第旋光片，所述光波导芯片包括集成在同一衬底上的第一偏振分束旋转器、第二偏振分束旋转器、第三偏振分束旋转器、双向不等臂干涉仪和刻槽。与现有技术相比，本发明实现偏振无关的接收解码，提高了系统的稳定性；并且两个偏振分量脉冲各经过一次干涉仪，不会额外增加接收端的损耗。另外，通过混合集成使用法拉第旋光片对光信号进行45°偏振旋转，不仅可以解决光波导难以实现45°偏振旋转的问题，还可将输出与输入端口分开，避免了环形器的使用。大大减小了接收端光学系统的体积，可实现设备小型化，同时具有免疫信道偏振扰动的特性。

Description

一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片
技术领域
本发明涉及量子安全通信技术领域，特别涉及一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片。
背景技术
量子密钥分发可以为远距离的通信双方提供无条件安全的密钥分发，目前最成熟的是BB84量子密钥分发协议。一方面，光纤量子密钥分发系统一般采用单模光纤作为传输信道，但由于光纤信道存在固有双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会发生变化，且会随着外界环境的变化而改变。然而，传统的基于双不等臂马赫-增德尔干涉环方案在接收端进行解码干涉时，由于光纤信道的扰动导致偏振态随机变化，并且干涉仪长短臂偏振变化不同，从而影响干涉的稳定性，因此该系统稳定性差，容易受到环境干扰。另一方面，现有技术中量子密钥分发系统通常由分立光学元件搭建而成，具有体积大、结构复杂、稳定性差、成本高，难以大批量生产的缺点，并且干涉仪臂长差的制作精度较低，既可能导致系统稳定性较差，也无法满足系统需求集成化、小型化的需求。
由于发送端光信号的偏振态一般较为稳定，无需特殊处理，编码器件易于集成。然而接收端需要接收偏振随机变化的光信号，需要特殊的接收结构来实现偏振无关解码，才能保证系统稳定工作。现有技术中，一种解决偏振扰动的方案是采用光纤法拉第-迈克尔逊干涉仪，这样可以消除光纤双折射效应以及环境扰动对偏振态的影响，并且可以自动补偿长短臂的偏振变化，系统非常稳定。还有一种解决方案如专利CN210041849U所公布的光纤干涉仪，采用了法拉第旋转器，同样基于法拉第效应来自动补偿信道偏振扰动和长短臂不同的偏振变化。专利CN109391471B以及文献Zhang G W, et al. Polarization-insensitive interferometer based on a hybrid integrated planar light-wavecircuit[J]. Photonics Research, 2021, 9(11): 2176-2181将法拉第-迈克尔逊干涉仪进行了混合集成，由于该方案使用反射式结构，有一路信号会从输入端口输出，因而不可避免地需要使用环形器，使得接收端难以进一步小型化。专利CN1106020662A和文献Xu H, etal. Photonic Integrated Phase Decoder Scheme for High-Speed, Efficient andStable Quantum Key Distribution System[J]. arXiv preprint arXiv:1910.08327,2019.提出一种基于三端口偏振分束器的集成波导萨格纳克环结构，可以代替法拉第镜，使得干涉仪便于集成。然而该方案需要使用2个集成波导萨格纳克环结构，降低了长短臂的损耗一致性，从而影响干涉可见度，并且该方案为往返式结构，同样需要使用环形器，无法进一步减小接收端的体积。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，包括光波导芯片、半波片和法拉第旋光片，所述光波导芯片包括集成在同一衬底上的第一偏振分束旋转器、第二偏振分束旋转器、第三偏振分束旋转器、双向不等臂干涉仪和刻槽，
所述第一偏振分束旋转器的第一端口和第四端口分别作为所述接收芯片的输入端口In和第一输出端口Out1，所述第三偏振分束旋转器的第四端口作为所述接收芯片的第二输出端口Out2；
所述第一偏振分束旋转器的第二端口通过光波导L1与第二偏振分束旋转器的第二端口相连，所述第一偏振分束旋转器的第三端口分别通过光波导L2与第二偏振分束旋转器的第三端口相连；
所述第二偏振分束旋转器的第一端口通过光波导L3连接第三偏振分束旋转器的第一端口；
所述第三偏振分束旋转器的第二端口、第三端口对应地分别通过光波导L4、光波导L5与双向不等臂干涉仪的两个端口相连；
所述光波导L1、光波导L2、光波导L4和光波导L5相互平行，所述刻槽设置在光波导L1垂直方向上，所述刻槽在光波导L1、光波导L2所处区域的部分宽度为半波片与法拉第旋光片的宽度之和，所述刻槽在光波导L4、光波导L5所处区域的部分宽度与法拉第旋光片的宽度相同；
所述半波片和法拉第旋光片的长度不同，二者一端对齐并紧密贴合后插入所述刻槽中，使得在光波导L1和光波导L2中传输的光信号可通过半波片和法拉第旋光片，以及在光波导L4和光波导L5中传输的光信号可通过法拉第旋光片；
所述双向不等臂干涉仪具有长短臂，用于将光信号两个正交的偏振分量分别分束至长臂和短臂，并调节在长短臂传输的偏振分量之间的相位差之后进行偏振合束。
优选地，所述双向不等臂干涉仪两个端口均可输入光信号或输出光信号，其中一个端口作为输入端口时，另一个端口作为输出端口。
优选地，所述双向不等臂干涉仪包括第四偏振分束旋转器、光波导延时线和第一调相器，
所述第四偏振分束旋转器的第一端口、第四端口对应地分别与光波导L4、光波导L5相连；
所述第四偏振分束旋转器的第二端口通过光波导延时线连接法拉第旋光片，构成双向不等臂干涉仪的长臂；所述第四偏振分束旋转器的第三端口通过第一调相器连接法拉第旋光片，构成双向不等臂干涉仪的短臂；
所述光波导延时线和第一调相器连接法拉第旋光片的另一侧对应位置镀有反射膜。
优选地，所述双向不等臂干涉仪包括第五偏振分束旋转器、第六偏振分束旋转器和第二调相器，
所述第五偏振分束旋转器的第一端口连接光波导L4，所述第六偏振分束旋转器的第一端口连接光波导L5；
所述第五偏振分束旋转器的第二端口与第六偏振分束旋转器的第二端口相连，构成双向不等臂干涉仪的短臂；所述第五偏振分束旋转器的第三端口通过第二调相器连接第六偏振分束旋转器的第三端口，构成双向不等臂干涉仪的长臂。
优选地，所述双向不等臂干涉仪包括第七偏振分束旋转器和第三调相器，
所述第七偏振分束旋转器的第一端口和第二端口对应地分别连接光波导L4和光波导L5；所述第七偏振分束旋转器的第三端口和第四端口通过第三调相器相连，构成双向不等臂干涉仪的长臂。
优选地，所述半波片的快轴方向与光波导中的TE偏振方向夹角为22.5°，所述法拉第旋光片的偏振旋转角度为45°。
优选地，所述光波导L1和光波导L2的长度相等，所述光波导L4和光波导L5的长度相等。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，通过对所接收的光信号进行偏振分束分别进行偏振合成、偏振分束后再进行合并输出，可实现偏振无关的接收解码，提高了系统的稳定性。并且两个偏振分量脉冲各经过一次干涉仪，相当于整个脉冲经过一次干涉仪，不会额外增加接收端的损耗。另外，通过混合集成使用法拉第旋光片对光信号进行45°偏振旋转，不仅可以解决光波导难以实现45°偏振旋转的问题，还可将输出与输入端口分开，避免了环形器的使用。因此，本发明通过混合集成，大大减小了接收端光学系统的体积，可实现设备小型化，同时具有免疫信道偏振扰动的特性，实现系统长期的工作稳定性。
附图说明
图1为本发明用于量子密钥分发的混合集成接收芯片结构示意图；
图2为本发明用于量子密钥分发的混合集成接收芯片结构俯视图；
图3为本发明用于量子密钥分发的混合集成接收芯片实施例一结构俯视图；
图4为本发明用于量子密钥分发的混合集成接收芯片实施例二结构俯视图；
图5为本发明用于量子密钥分发的混合集成接收芯片实施例三结构俯视图。
图中：光波导芯片1，第一偏振分束旋转器1-1，第二偏振分束旋转器1-2，第三偏振分束旋转器1-3，双向不等臂干涉仪1-4，第四偏振分束旋转器1-4-1，光波导延时线1-4-2，第一调相器1-4-3，第五偏振分束旋转器1-4-5，反射膜1-4-4，第六偏振分束旋转器1-4-6，第二调相器1-4-7，第七偏振分束旋转器1-4-8，第三调相器1-4-9，刻槽1-5，半波片2，法拉第旋光片3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1、图2所示，用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，包括光波导芯片1、半波片2和法拉第旋光片3，所述光波导芯片1包括集成在同一衬底上的第一偏振分束旋转器1-1、第二偏振分束旋转器1-2、第三偏振分束旋转器1-3、双向不等臂干涉仪1-4和刻槽1-5，
所述第一偏振分束旋转器1-1的第一端口和第四端口分别作为所述接收芯片的输入端口In和第一输出端口Out1，所述第三偏振分束旋转器1-3的第四端口作为所述接收芯片的第二输出端口Out2；
所述第一偏振分束旋转器1-1的第二端口通过光波导L1与第二偏振分束旋转器1-2的第二端口相连，所述第一偏振分束旋转器1-1的第三端口分别通过光波导L2与第二偏振分束旋转器1-2的第三端口相连；
所述第二偏振分束旋转器1-2的第一端口通过光波导L3连接第三偏振分束旋转器1-3的第一端口；
所述第三偏振分束旋转器1-3的第二端口、第三端口对应地分别通过光波导L4、光波导L5与双向不等臂干涉仪1-4的两个端口相连；
所述光波导L1、光波导L2、光波导L4和光波导L5相互平行，所述刻槽1-5设置在光波导L1垂直方向上，所述刻槽1-5在光波导L1、光波导L2所处区域的部分宽度为半波片2与法拉第旋光片3的宽度之和，所述刻槽1-5在光波导L4、光波导L5所处区域的部分宽度与法拉第旋光片3的宽度相同；
所述半波片2和法拉第旋光片3的长度不同，二者一端对齐并紧密贴合后插入所述刻槽1-5中，使得在光波导L1和光波导L2中传输的光信号可通过半波片2和法拉第旋光片3，在光波导L4和光波导L5中传输的光信号可通过法拉第旋光片3；
所述双向不等臂干涉仪1-4具有长短臂，用于将光信号两个正交的偏振分量分别分束至长臂和短臂，并调节在长短臂传输的偏振分量之间的相位差之后进行偏振合束；所述双向不等臂干涉仪1-4两个端口均可输入和输出光信号，其中一个端口作为输入端口时，另一个端口作为输出端口；
所述半波片2的快轴方向与光波导中的TE偏振方向夹角为22.5°，所述法拉第旋光片3的偏振旋转角度为45°。
所述光波导L1和光波导L2的长度相等，所述光波导L4和光波导L5的长度相等。
具体接收解码过程如下：
发送端发出的相位编码态前后两个时间模式相位差为
Figure 597598DEST_PATH_IMAGE001
，且偏振相同，可写为
Figure 402743DEST_PATH_IMAGE002
假设时间模式|0>和|1>的偏振态均为水平偏振。在经过单模光纤信道之后，由于存在双折射效应以及信道所处环境存在扰动，导致相位编码态在到达接收端时变成随机的偏振态，因此进入解码装置的相位编码脉冲的偏振态可写为
Figure 518467DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 420564DEST_PATH_IMAGE004
。
如图2所示，任意偏振的光脉冲进入混合集成接收芯片的输入端口In，首先进入第一偏振分束旋转器1的第一端口，被分为偏振相同的第一信号光分量和第二信号光分量。二者分别从第一偏振分束旋转器1的第二端口和第三端口出射，分别沿光波导L1和光波导L2以TE偏振模式传播，二者同时到达半波片2，由于半波片2的快轴与TE偏振方向夹角为22.5°，则水平偏振光经过半波片之后偏振态变为
Figure 963540DEST_PATH_IMAGE005
其效果是将光的偏振旋转45°，则经过半波片2后第一信号光分量和第二信号光分量变为45°偏振态。
由于法拉第旋光片3的偏振旋转角度为45°，则45°线偏振光经过法拉第旋光片3之后偏振态变为
Figure 521561DEST_PATH_IMAGE006
因此，第一信号光分量和第二信号光分量相对于进入半波片2之前偏振旋转了90°，二者均变为TM偏振分别传输至第二偏振分束旋转器1-2的第二端口和第三端口，被其合束为第三信号光，偏振态变为
Figure 175396DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 197579DEST_PATH_IMAGE008
包括了光波导L1、光波导L2引入的相位差。
第三信号光经过光波导L3到达第三偏振分束旋转器1-3的第一端口，被分束为偏振相同的第四信号光分量和第五信号光分量，分别从其第二端口和第三端口出射，分别沿光波导L4和光波导L5以TE偏振模式传播，二者经过法拉第旋光片3之后变为45°偏振，均分别包含幅度相同的TE偏振分量和TM偏振分量。
其中第四信号光分量经过光波导L4进入双向不等臂干涉仪1-4的一个端口，其TE 偏振分量和TM偏振分量分别走双向不等臂干涉仪1-4的短臂和长臂，走长臂的分量调制了 相位
Figure 849140DEST_PATH_IMAGE009
，在双向不等臂干涉仪1-4中进行偏振合束之前，在长短臂传播的量子态可分别写 为
Figure 691194DEST_PATH_IMAGE010
其中，由于
Figure 679878DEST_PATH_IMAGE011
的时间模式
Figure 556568DEST_PATH_IMAGE012
与分量
Figure 379030DEST_PATH_IMAGE013
的时间模式
Figure 708380DEST_PATH_IMAGE014
所走的光程 相等，二者在时间上重叠，在双向不等臂干涉仪1-4中偏振合成为第六信号光，偏振态为
Figure 969597DEST_PATH_IMAGE015
其中，相位差
Figure 638476DEST_PATH_IMAGE016
。而
Figure 694157DEST_PATH_IMAGE017
的时间模式
Figure 510803DEST_PATH_IMAGE018
与
Figure 513394DEST_PATH_IMAGE019
的时间模 式
Figure 99096DEST_PATH_IMAGE020
与第六信号光在时间上不重叠，通过设置单光子探测器的开门时间位置，可以滤除， 因此可以不用考虑后续的传播过程。
第六信号光沿光波导L5传播，经法拉第旋光片3进行45°偏振旋转后，偏振态变为
Figure 528941DEST_PATH_IMAGE021
第六信号光随后进入第三偏振分束旋转器1-3的第三端口进行偏振分束，其TM偏 振分量从第三偏振分束旋转器1-3的第四端口直接出射，并从接收芯片的第二输出端口 Out2输出，光强为
Figure 832883DEST_PATH_IMAGE022
。第六信号光的TE偏振分量从第三偏振分束旋 转器1-3的第一端口出射，变为TM偏振，并经过光波导L3到达第二偏振分束旋转器1-2的第 一端口，从其第三端口出射，沿光波导L2以TM模式传播。随后依次经过法拉第旋光片3和半 波片2，偏振先旋转45°再选择45°，相当于偏振不发生旋转，仍为TM偏振，最后到达第一偏振 分束旋转器1-1的第三端口，从其第四端口出射，并从接收芯片的第一输出端口Out1输出， 光强为
Figure 441762DEST_PATH_IMAGE023
。
类似地，第五信号光分量经过光波导L5进入双向不等臂干涉仪1-4的另一个端口， 其TE偏振分量和TM偏振分量分别走双向不等臂干涉仪1-4的短臂和长臂，走长臂的分量调 制了相位
Figure 819654DEST_PATH_IMAGE024
，在双向不等臂干涉仪1-4中进行偏振合束之前，在长短臂传播的量子态可分 别写为
Figure 482716DEST_PATH_IMAGE025
其中，由于
Figure 8375DEST_PATH_IMAGE026
的时间模式
Figure 352769DEST_PATH_IMAGE027
与分量
Figure 647484DEST_PATH_IMAGE028
的时间模式
Figure 481448DEST_PATH_IMAGE029
所走的光程相 等，二者在时间上重叠，在双向不等臂干涉仪1-4中偏振合成为第七信号光，偏振态为
Figure 900928DEST_PATH_IMAGE030
其中，相位差
Figure 845750DEST_PATH_IMAGE031
。
第七信号光沿光波导L4传播，经法拉第旋光片3进行45°偏振旋转后，偏振态变为
Figure 198234DEST_PATH_IMAGE032
第七信号光随后进入第三偏振分束旋转器1-3的第二端口进行偏振分束，其TM偏 振分量从第三偏振分束旋转器1-3的第四端口直接出射，并从接收芯片的第二输出端口 Out2输出，光强为
Figure 203099DEST_PATH_IMAGE033
。第七信号光的TE偏振分量从第三偏振分 束旋转器1-3的第一端口出射，仍为TE偏振，并经过光波导L3到达第二偏振分束旋转器1-2 的第一端口，从其第二端口出射，沿光波导L1以TM模式传播。随后依次经过法拉第旋光片3 和半波片2，偏振仍为TM偏振，最后到达第一偏振分束旋转器1-1的第二端口，从其第四端口 出射，并从接收芯片的第一输出端口Out1输出，光强为
Figure 641034DEST_PATH_IMAGE034
。
因此，从接收芯片的第一输出端口Out1的光强为
Figure 389547DEST_PATH_IMAGE035
从接收芯片的第二输出端口Out2输出的光强为
Figure 658854DEST_PATH_IMAGE036
由此可见，从接收芯片的两个输出端口输出的结果仅与所调制的相位差有关，而与入射偏振态无关，因此可以实现偏振无关接收解码。另外，干涉光强的最大值为1/2，这是由于只有一半的脉冲参与了干涉，因此光子的能量利用率为1/2。
如图3所示，本发明用于量子密钥分发的混合集成接收芯片实施例一：
所述混合集成接收芯片的结构为：所述双向不等臂干涉仪1-4包括第四偏振分束旋转器1-4-1、光波导延时线1-4-2和第一调相器1-4-3，所述第四偏振分束旋转器1-4-1的第一端口、第四端口对应地分别与光波导L4、光波导L5相连；所述第四偏振分束旋转器1-4-1的第二端口通过光波导延时线1-4-2连接法拉第旋光片3，构成双向不等臂干涉仪1-4的长臂；所述第四偏振分束旋转器1-4-1的第三端口通过第一调相器1-4-3连接法拉第旋光片3，构成双向不等臂干涉仪1-4的短臂；所述光波导延时线1-4-2和第一调相器1-4-3连接法拉第旋光片3的另一侧对应位置镀有反射膜1-4-4。
实施例一具体接收解码过程如下：
任意偏振的光脉冲进入混合集成接收芯片的输入端口In，首先进入第一偏振分束旋转器1的第一端口，被分为偏振相同的第一信号光分量和第二信号光分量。二者分别从第一偏振分束旋转器1的第二端口和第三端口出射，分别沿光波导L1和光波导L2以TE偏振模式传播，二者同时到达半波片2，由于半波片2的快轴与TE偏振方向夹角为22.5°，则水平偏振光经过半波片之后偏振态变为
Figure 772304DEST_PATH_IMAGE037
其效果是将光的偏振旋转45°，则经过半波片2后第一信号光分量和第二信号光分量变为45°偏振态。
由于法拉第旋光片3的偏振旋转角度为45°，则45°线偏振光经过法拉第旋光片3之后偏振态变为
Figure 759852DEST_PATH_IMAGE038
因此，第一信号光分量和第二信号光分量相对于进入半波片2之前偏振旋转了90°，二者均变为TM偏振分别传输至第二偏振分束旋转器1-2的第二端口和第三端口，被其合束为第三信号光，偏振态变为
Figure 46476DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 967028DEST_PATH_IMAGE040
包括了光波导L1、光波导L2引入的相位差。
第三信号光经过光波导L3到达第三偏振分束旋转器1-3的第一端口，被分束为偏振相同的第四信号光分量和第五信号光分量，分别从其第二端口和第三端口出射，分别沿光波导L4和光波导L5以TE偏振模式传播，二者经过法拉第旋光片3之后变为45°偏振，均分别包含幅度相同的TE偏振分量和TM偏振分量。
其中第四信号光分量经过光波导L4进入第四偏振分束旋转器1-4-1的第一端口， 其TE偏振分量从第二端口出射，经光波导延时线1-4-2到达法拉第旋光片3，由于法拉第旋 光片3的另一侧镀有反射膜，其作用相对于法拉第反射镜，因此TE偏振分量被反射后变为TM 偏振，再次经过光波导延时线1-4-2后，从第四偏振分束旋转器1-4-1的第二端口传输至第 四端口，变为TE偏振；第四信号光分量的TM偏振分量从第四偏振分束旋转器1-4-1的第三端 端口出射，变为TE偏振，经第一调相器1-4-3后到达法拉第旋光片3和反射膜被反射，变为TM 偏振，再次经第一调相器1-4-3调相后，从第四偏振分束旋转器1-4-1的第三端口传输至第 四端口，仍为TM偏振，两次共调制相位
Figure 985799DEST_PATH_IMAGE041
。在第四偏振分束旋转器1-4-1第四端口处的量子 态可分别写为
Figure 460643DEST_PATH_IMAGE042
其中，由于
Figure 550959DEST_PATH_IMAGE043
的时间模式
Figure 732542DEST_PATH_IMAGE044
与分量
Figure 250111DEST_PATH_IMAGE045
的时间模式
Figure 946671DEST_PATH_IMAGE046
所走的光程 相等，二者在时间上重叠，被第四偏振分束旋转器1-4-1偏振合成为第六信号光，偏振态为
Figure 569239DEST_PATH_IMAGE047
其中，相位差
Figure 870907DEST_PATH_IMAGE048
。而
Figure 762640DEST_PATH_IMAGE049
的时间模式
Figure 884180DEST_PATH_IMAGE050
与
Figure 316298DEST_PATH_IMAGE051
的时间 模式
Figure 534790DEST_PATH_IMAGE052
与第六信号光在时间上不重叠，通过设置单光子探测器的开门时间位置，可以滤 除，因此可以不用考虑后续的传播过程。
第六信号光沿光波导L5传播，经法拉第旋光片3进行45°偏振旋转后，偏振态变为
Figure 394162DEST_PATH_IMAGE053
第六信号光随后进入第三偏振分束旋转器1-3的第三端口进行偏振分束，其TM偏 振分量从第三偏振分束旋转器1-3的第四端口直接出射，并从接收芯片的第二输出端口 Out2输出，光强为
Figure 2997DEST_PATH_IMAGE054
。第六信号光的TE偏振分量从第三偏振分 束旋转器1-3的第一端口出射，变为TM偏振，并经过光波导L3到达第二偏振分束旋转器1-2 的第一端口，从其第三端口出射，沿光波导L2以TM模式传播。随后依次经过法拉第旋光片3 和半波片2，偏振先旋转45°再选择45°，相当于偏振不发生旋转，仍为TM偏振，最后到达第一 偏振分束旋转器1-1的第三端口，从其第四端口出射，并从接收芯片的第一输出端口Out1输 出，光强为
Figure 973228DEST_PATH_IMAGE055
。
类似地，第五信号光分量经过光波导L5进入第四偏振分束旋转器1-4-1的第四端 口，其TE偏振分量从第二端口出射，变为TM偏振，经光波导延时线1-4-2到达法拉第旋光片 3，随后被反射变为TE偏振，再次经过光波导延时线1-4-2后，从第四偏振分束旋转器1-4-1 的第二端口传输至第一端口，仍为TE偏振；第四信号光分量的TM偏振分量从第四偏振分束 旋转器1-4-1的第三端端口出射，仍为TM偏振，经第一调相器1-4-3后到达法拉第旋光片3和 反射膜被反射，变为TE偏振，再次经第一调相器1-4-3调相后，从第四偏振分束旋转器1-4-1 的第三端口传输至第一端口，变为TM偏振，两次共调制相位
Figure 46226DEST_PATH_IMAGE056
。在第四偏振分束旋转器1- 4-1第一端口处的量子态可分别写为
Figure 76499DEST_PATH_IMAGE057
其中，由于
Figure 766106DEST_PATH_IMAGE058
的时间模式
Figure 540027DEST_PATH_IMAGE059
与分量
Figure 405215DEST_PATH_IMAGE060
的时间模式
Figure 606389DEST_PATH_IMAGE061
所走的光程 相等，二者在时间上重叠，被第四偏振分束旋转器1-4-1偏振合成为第七信号光，偏振态为
Figure 252134DEST_PATH_IMAGE062
其中，相位差
Figure 767429DEST_PATH_IMAGE063
。
第七信号光沿光波导L4传播，经法拉第旋光片3进行45°偏振旋转后，偏振态变为
Figure 549440DEST_PATH_IMAGE064
第七信号光随后进入第三偏振分束旋转器1-3的第二端口进行偏振分束，其TM偏 振分量从第三偏振分束旋转器1-3的第四端口直接出射，并从接收芯片的第二输出端口 Out2输出，光强为
Figure 921516DEST_PATH_IMAGE065
。第七信号光的TE偏振分量从第三偏振分 束旋转器1-3的第一端口出射，仍为TE偏振，并经过光波导L3到达第二偏振分束旋转器1-2 的第一端口，从其第二端口出射，沿光波导L1以TM模式传播。随后依次经过法拉第旋光片3 和半波片2，偏振仍为TM偏振，最后到达第一偏振分束旋转器1-1的第二端口，从其第四端口 出射，并从接收芯片的第一输出端口Out1输出，光强为
Figure 992240DEST_PATH_IMAGE066
。
因此，从接收芯片的第一输出端口Out1的光强为
Figure 107963DEST_PATH_IMAGE067
从接收芯片的第二输出端口Out2输出的光强为
Figure 416585DEST_PATH_IMAGE068
由此可见，从接收芯片的两个输出端口输出的结果仅与所调制的相位差有关，而与入射偏振态无关，因此可以实现偏振无关接收解码。
如图4所示，本发明用于量子密钥分发的混合集成接收芯片实施例二：
所述混合集成接收芯片的结构为：所述双向不等臂干涉仪1-4包括第五偏振分束旋转器1-4-5、第六偏振分束旋转器1-4-6和第二调相器1-4-7，所述第五偏振分束旋转器1-4-5的第一端口连接光波导L4，所述第六偏振分束旋转器1-4-6的第一端口连接光波导L5；所述第五偏振分束旋转器1-4-5的第二端口与第六偏振分束旋转器1-4-6的第二端口相连，构成双向不等臂干涉仪1-4的短臂；所述第五偏振分束旋转器1-4-5的第三端口通过第二调相器1-4-7连接第六偏振分束旋转器1-4-6的第三端口，构成双向不等臂干涉仪1-4的长臂。
实施例二具体接收解码过程如下：
任意偏振的光脉冲进入混合集成接收芯片的输入端口In，首先进入第一偏振分束旋转器1的第一端口，被分为偏振相同的第一信号光分量和第二信号光分量。二者分别从第一偏振分束旋转器1的第二端口和第三端口出射，分别沿光波导L1和光波导L2以TE偏振模式传播，二者同时到达半波片2，由于半波片2的快轴与TE偏振方向夹角为22.5°，则水平偏振光经过半波片之后偏振态变为
Figure 959562DEST_PATH_IMAGE069
其效果是将光的偏振旋转45°，则经过半波片2后第一信号光分量和第二信号光分量变为45°偏振态。
由于法拉第旋光片3的偏振旋转角度为45°，则45°线偏振光经过法拉第旋光片3之后偏振态变为
Figure 517582DEST_PATH_IMAGE070
因此，第一信号光分量和第二信号光分量相对于进入半波片2之前偏振旋转了90°，二者均变为TM偏振分别传输至第二偏振分束旋转器1-2的第二端口和第三端口，被其合束为第三信号光，偏振态变为
Figure 177277DEST_PATH_IMAGE071
其中，
Figure 871563DEST_PATH_IMAGE072
包括了光波导L1、光波导L2引入的相位差。
第三信号光经过光波导L3到达第三偏振分束旋转器1-3的第一端口，被分束为偏振相同的第四信号光分量和第五信号光分量，分别从其第二端口和第三端口出射，分别沿光波导L4和光波导L5以TE偏振模式传播，二者经过法拉第旋光片3之后变为45°偏振，均分别包含幅度相同的TE偏振分量和TM偏振分量。
其中第四信号光分量经过光波导L4进入第五偏振分束旋转器1-4-5的第一端口， 其TE偏振分量从第二端口出射，传输至第六偏振分束旋转器1-4-6的第二端口，并从其第一 端口出射，仍为TE偏振；第四信号光分量的TM偏振分量从第五偏振分束旋转器1-4-5的第三 端端口出射，变为TE偏振，经第二调相器1-4-7调制相位
Figure 851020DEST_PATH_IMAGE073
后到达第六偏振分束旋转器1-4- 6的第三端口，并从其第一端口出射，仍为TM偏振。在第六偏振分束旋转器1-4-6第一端口处 的量子态可分别写为
Figure 693075DEST_PATH_IMAGE074
其中，由于
Figure 150601DEST_PATH_IMAGE075
的时间模式
Figure 27290DEST_PATH_IMAGE076
与分量
Figure 115332DEST_PATH_IMAGE077
的时间模式
Figure 444682DEST_PATH_IMAGE078
所走的光 程相等，二者在时间上重叠，被第六偏振分束旋转器1-4-6偏振合成为第六信号光，偏振态 为
Figure 643582DEST_PATH_IMAGE079
其中，相位差
Figure 374777DEST_PATH_IMAGE080
。
第六信号光沿光波导L5传播，经法拉第旋光片3进行45°偏振旋转后，偏振态变为
Figure 368141DEST_PATH_IMAGE081
第六信号光随后进入第三偏振分束旋转器1-3的第三端口进行偏振分束，其TM偏 振分量从第三偏振分束旋转器1-3的第四端口直接出射，并从接收芯片的第二输出端口 Out2输出，光强为
Figure 184788DEST_PATH_IMAGE082
。第六信号光的TE偏振分量从第三偏振分束 旋转器1-3的第一端口出射，变为TM偏振，并经过光波导L3到达第二偏振分束旋转器1-2的 第一端口，从其第三端口出射，沿光波导L2以TM模式传播。随后依次经过法拉第旋光片3和 半波片2，偏振先旋转45°再选择45°，相当于偏振不发生旋转，仍为TM偏振，最后到达第一偏 振分束旋转器1-1的第三端口，从其第四端口出射，并从接收芯片的第一输出端口Out1输 出，光强为
Figure 984116DEST_PATH_IMAGE083
。
类似地，其中第五信号光分量经过光波导L5进入第六偏振分束旋转器1-4-6的第 一端口，其TE偏振分量从第二端口出射，传输至第五偏振分束旋转器1-4-5的第二端口，并 从其第一端口出射，仍为TE偏振；第五信号光分量的TM偏振分量从第六偏振分束旋转器1- 4-6的第三端端口出射，变为TE偏振，经第二调相器1-4-7调制相位
Figure 507502DEST_PATH_IMAGE084
后到达第五偏振分束 旋转器1-4-5的第三端口，并从其第一端口出射，仍为TM偏振。在第五偏振分束旋转器1-4-5 第一端口处的量子态可分别写为
Figure 999663DEST_PATH_IMAGE085
其中，由于
Figure 897080DEST_PATH_IMAGE086
的时间模式
Figure 172204DEST_PATH_IMAGE087
与分量
Figure 877992DEST_PATH_IMAGE088
的时间模式
Figure 213158DEST_PATH_IMAGE089
所走的光程 相等，二者在时间上重叠，被第五偏振分束旋转器1-4-5偏振合成为第七信号光，偏振态为
Figure 4397DEST_PATH_IMAGE090
其中，相位差
Figure 145528DEST_PATH_IMAGE091
。
第七信号光沿光波导L4传播，经法拉第旋光片3进行45°偏振旋转后，偏振态变为
Figure 643506DEST_PATH_IMAGE092
第七信号光随后进入第三偏振分束旋转器1-3的第二端口进行偏振分束，其TM偏 振分量从第三偏振分束旋转器1-3的第四端口直接出射，并从接收芯片的第二输出端口 Out2输出，光强为
Figure 477469DEST_PATH_IMAGE093
。第七信号光的TE偏振分量从第三偏振分 束旋转器1-3的第一端口出射，仍为TE偏振，并经过光波导L3到达第二偏振分束旋转器1-2 的第一端口，从其第二端口出射，沿光波导L1以TM模式传播。随后依次经过法拉第旋光片3 和半波片2，偏振仍为TM偏振，最后到达第一偏振分束旋转器1-1的第二端口，从其第四端口 出射，并从接收芯片的第一输出端口Out1输出，光强为
Figure 508003DEST_PATH_IMAGE094
。
因此，从接收芯片的第一输出端口Out1的光强为
Figure 452825DEST_PATH_IMAGE095
从接收芯片的第二输出端口Out2输出的光强为
Figure 274151DEST_PATH_IMAGE096
由此可见，从接收芯片的两个输出端口输出的结果仅与所调制的相位差有关，而与入射偏振态无关，因此可以实现偏振无关接收解码。
如图5所示，本发明用于量子密钥分发的混合集成接收芯片实施例三：
所述混合集成接收芯片的结构为：所述双向不等臂干涉仪1-4包括第七偏振分束旋转器1-4-8和第三调相器1-4-9，所述第七偏振分束旋转器1-4-8的第一端口和第二端口对应地分别连接光波导L4和光波导L5；所述第七偏振分束旋转器1-4-8的第三端口和第四端口通过第三调相器1-4-9相连，构成双向不等臂干涉仪1-4的长臂。
实施例三具体接收解码过程如下：
任意偏振的光脉冲进入混合集成接收芯片的输入端口In，首先进入第一偏振分束旋转器1的第一端口，被分为偏振相同的第一信号光分量和第二信号光分量。二者分别从第一偏振分束旋转器1的第二端口和第三端口出射，分别沿光波导L1和光波导L2以TE偏振模式传播，二者同时到达半波片2，由于半波片2的快轴与TE偏振方向夹角为22.5°，则水平偏振光经过半波片之后偏振态变为
Figure 279016DEST_PATH_IMAGE097
其效果是将光的偏振旋转45°，则经过半波片2后第一信号光分量和第二信号光分量变为45°偏振态。
由于法拉第旋光片3的偏振旋转角度为45°，则45°线偏振光经过法拉第旋光片3之后偏振态变为
Figure 779267DEST_PATH_IMAGE098
因此，第一信号光分量和第二信号光分量相对于进入半波片2之前偏振旋转了90°，二者均变为TM偏振分别传输至第二偏振分束旋转器1-2的第二端口和第三端口，被其合束为第三信号光，偏振态变为
Figure 199884DEST_PATH_IMAGE099
其中，
Figure 734771DEST_PATH_IMAGE100
包括了光波导L1、光波导L2引入的相位差。
第三信号光经过光波导L3到达第三偏振分束旋转器1-3的第一端口，被分束为偏振相同的第四信号光分量和第五信号光分量，分别从其第二端口和第三端口出射，分别沿光波导L4和光波导L5以TE偏振模式传播，二者经过法拉第旋光片3之后变为45°偏振，均分别包含幅度相同的TE偏振分量和TM偏振分量。
其中第四信号光分量经过光波导L4进入第七偏振分束旋转器1-4-8的第一端口， 其TE偏振分量直接从第二端口出射，仍为TE偏振；第四信号光分量的TM偏振分量从第七偏 振分束旋转器1-4-8的第三端端口出射，变为TE偏振，经第三调相器1-4-9调制相位
Figure 848220DEST_PATH_IMAGE101
后到 达第七偏振分束旋转器1-4-8的第四端口，并从其第二端口出射，仍为TM偏振。在第七偏振 分束旋转器1-4-8第二端口处的量子态可分别写为
Figure 835768DEST_PATH_IMAGE102
其中，由于
Figure 122393DEST_PATH_IMAGE103
的时间模式
Figure 183890DEST_PATH_IMAGE104
与分量
Figure 858453DEST_PATH_IMAGE105
的时间模式
Figure 270980DEST_PATH_IMAGE106
所走的光程 相等，二者在时间上重叠，被第七偏振分束旋转器1-4-8偏振合成为第六信号光，偏振态为
Figure 361296DEST_PATH_IMAGE107
其中，相位差
Figure 542879DEST_PATH_IMAGE108
。
第六信号光沿光波导L5传播，经法拉第旋光片3进行45°偏振旋转后，偏振态变为
Figure 794868DEST_PATH_IMAGE109
第六信号光随后进入第三偏振分束旋转器1-3的第三端口进行偏振分束，其TM偏 振分量从第三偏振分束旋转器1-3的第四端口直接出射，并从接收芯片的第二输出端口 Out2输出，光强为
Figure 757008DEST_PATH_IMAGE110
。第六信号光的TE偏振分量从第三偏振分 束旋转器1-3的第一端口出射，变为TM偏振，并经过光波导L3到达第二偏振分束旋转器1-2 的第一端口，从其第三端口出射，沿光波导L2以TM模式传播。随后依次经过法拉第旋光片3 和半波片2，偏振先旋转45°再选择45°，相当于偏振不发生旋转，仍为TM偏振，最后到达第一 偏振分束旋转器1-1的第三端口，从其第四端口出射，并从接收芯片的第一输出端口Out1输 出，光强为
Figure 385436DEST_PATH_IMAGE111
。
类似地，其中第五信号光分量经过光波导L5进入第七偏振分束旋转器1-4-8的第 二端口，其TE偏振分量直接从第一端口出射，仍为TE偏振；第五信号光分量的TM偏振分量从 第七偏振分束旋转器1-4-8的第四端口出射，变为TE偏振，经第三调相器1-4-9调制相位
Figure 687104DEST_PATH_IMAGE112
后到达第七偏振分束旋转器1-4-8的第三端口，并从其第一端口出射，仍为TM偏振。在第七 偏振分束旋转器1-4-8第一端口处的量子态可分别写为
Figure 109995DEST_PATH_IMAGE113
其中，由于
Figure 559431DEST_PATH_IMAGE114
的时间模式
Figure 398074DEST_PATH_IMAGE115
与分量
Figure 350986DEST_PATH_IMAGE116
的时间模式
Figure 148041DEST_PATH_IMAGE117
所走的光程 相等，二者在时间上重叠，被第七偏振分束旋转器1-4-8偏振合成为第七信号光，偏振态为
Figure 825053DEST_PATH_IMAGE118
其中，相位差
Figure 998546DEST_PATH_IMAGE119
。
第七信号光沿光波导L4传播，经法拉第旋光片3进行45°偏振旋转后，偏振态变为
Figure 71544DEST_PATH_IMAGE120
第七信号光随后进入第三偏振分束旋转器1-3的第二端口进行偏振分束，其TM偏 振分量从第三偏振分束旋转器1-3的第四端口直接出射，并从接收芯片的第二输出端口 Out2输出，光强为
Figure 101817DEST_PATH_IMAGE121
。第七信号光的TE偏振分量从第三偏振分 束旋转器1-3的第一端口出射，仍为TE偏振，并经过光波导L3到达第二偏振分束旋转器1-2 的第一端口，从其第二端口出射，沿光波导L1以TM模式传播。随后依次经过法拉第旋光片3 和半波片2，偏振仍为TM偏振，最后到达第一偏振分束旋转器1-1的第二端口，从其第四端口 出射，并从接收芯片的第一输出端口Out1输出，光强为
Figure 197949DEST_PATH_IMAGE122
。
因此，从接收芯片的第一输出端口Out1的光强为
Figure 971870DEST_PATH_IMAGE123
从接收芯片的第二输出端口Out2输出的光强为
Figure 899374DEST_PATH_IMAGE124
由此可见，从接收芯片的两个输出端口输出的结果仅与所调制的相位差有关，而与入射偏振态无关，因此可以实现偏振无关接收解码。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，通过对所接收的光信号进行偏振分束分别进行偏振合成、偏振分束后再进行合并输出，可实现偏振无关的接收解码，提高了系统的稳定性。并且两个偏振分量脉冲各经过一次干涉仪，相当于整个脉冲经过一次干涉仪，不会额外增加接收端的损耗。另外，通过混合集成使用法拉第旋光片对光信号进行45°偏振旋转，不仅可以解决光波导难以实现45°偏振旋转的问题，还可将输出与输入端口分开，避免了环形器的使用。因此，本发明通过混合集成，大大减小了接收端光学系统的体积，可实现设备小型化，同时具有免疫信道偏振扰动的特性，实现系统长期的工作稳定性。

Claims (7)

1.一种用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，其特征在于，包括光波导芯片（1）、半波片（2）和法拉第旋光片（3），所述光波导芯片（1）包括集成在同一衬底上的第一偏振分束旋转器（1-1）、第二偏振分束旋转器（1-2）、第三偏振分束旋转器（1-3）、双向不等臂干涉仪（1-4）和刻槽（1-5），
所述第一偏振分束旋转器（1-1）的第一端口和第四端口分别作为所述接收芯片的输入端口In和第一输出端口Out1，所述第三偏振分束旋转器（1-3）的第四端口作为所述接收芯片的第二输出端口Out2；
所述第一偏振分束旋转器（1-1）的第二端口通过光波导L1与第二偏振分束旋转器（1-2）的第二端口相连，所述第一偏振分束旋转器（1-1）的第三端口通过光波导L2与第二偏振分束旋转器（1-2）的第三端口相连；
所述第二偏振分束旋转器（1-2）的第一端口通过光波导L3连接第三偏振分束旋转器（1-3）的第一端口；
所述第三偏振分束旋转器（1-3）的第二端口、第三端口对应地分别通过光波导L4、光波导L5与双向不等臂干涉仪（1-4）的两个端口相连；
所述光波导L1、光波导L2、光波导L4和光波导L5相互平行，所述刻槽（1-5）设置在光波导L1垂直方向上，所述刻槽（1-5）在光波导L1、光波导L2所处区域的部分宽度为半波片（2）与法拉第旋光片（3）的宽度之和，所述刻槽（1-5）在光波导L4、光波导L5所处区域的部分宽度与法拉第旋光片（3）的宽度相同；
所述半波片（2）和法拉第旋光片（3）的长度不同，二者一端对齐并紧密贴合后插入所述刻槽（1-5）中，使得在光波导L1和光波导L2中传输的光信号可通过半波片（2）和法拉第旋光片（3），以及在光波导L4和光波导L5中传输的光信号可通过法拉第旋光片（3）；
所述双向不等臂干涉仪（1-4）具有长短臂，用于将光信号两个正交的偏振分量分别分束至长臂和短臂，并调节在长短臂传输的偏振分量之间的相位差之后进行偏振合束。
2.如权利要求1所述的用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，其特征在于，所述双向不等臂干涉仪（1-4）两个端口均可输入光信号或输出光信号，其中一个端口作为输入端口时，另一个端口作为输出端口。
3.如权利要求1所述的用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，其特征在于，所述双向不等臂干涉仪（1-4）包括第四偏振分束旋转器（1-4-1）、光波导延时线（1-4-2）和第一调相器（1-4-3），
所述第四偏振分束旋转器（1-4-1）的第一端口、第四端口分别对应地与光波导L4、光波导L5相连；
所述第四偏振分束旋转器（1-4-1）的第二端口通过光波导延时线（1-4-2）连接法拉第旋光片（3），构成双向不等臂干涉仪（1-4）的长臂；所述第四偏振分束旋转器（1-4-1）的第三端口通过第一调相器（1-4-3）连接法拉第旋光片（3），构成双向不等臂干涉仪1-4的短臂；
所述光波导延时线（1-4-2）和第一调相器（1-4-3）连接法拉第旋光片（3）的另一侧对应位置镀有反射膜（1-4-4）。
4.如权利要求1所述的用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，其特征在于，所述双向不等臂干涉仪（1-4）包括第五偏振分束旋转器（1-4-5）、第六偏振分束旋转器（1-4-6）和第二调相器（1-4-7），
所述第五偏振分束旋转器（1-4-5）的第一端口连接光波导L4，所述第六偏振分束旋转器（1-4-6）的第一端口连接光波导L5；
所述第五偏振分束旋转器（1-4-5）的第二端口与第六偏振分束旋转器（1-4-6）的第二端口相连，构成双向不等臂干涉仪（1-4）的短臂；所述第五偏振分束旋转器（1-4-5）的第三端口通过第二调相器（1-4-7）连接第六偏振分束旋转器（1-4-6）的第三端口，构成双向不等臂干涉仪（1-4）的长臂。
5.如权利要求1所述的用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，其特征在于，所述双向不等臂干涉仪（1-4）包括第七偏振分束旋转器（1-4-8）和第三调相器（1-4-9），
所述第七偏振分束旋转器（1-4-8）的第一端口和第二端口分别对应地连接光波导L4和光波导L5；所述第七偏振分束旋转器（1-4-8）的第三端口和第四端口通过第三调相器（1-4-9）相连，构成双向不等臂干涉仪（1-4）的长臂。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述的用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，其特征在于，所述半波片（2）的快轴方向与光波导中的TE偏振方向夹角为22.5°，所述法拉第旋光片（3）的偏振旋转角度为45°。
7.如权利要求1或2或3或4或5所述的用于量子密钥分发的混合集成接收芯片，其特征在于，所述光波导L1和光波导L2的长度相等，所述光波导L4和光波导L5的长度相等。
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