用于量子通信的模式耦合接收器和包括所述接收器的量子通
信系统
技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及光通信，并且特别涉及单
光子信号的检测。
背景技术
[0002] 量子密钥分发(QKD)是单光子光通信的一种应用，用于在量子密钥(QK)源与QK接收器之间共享密钥(通常，仅在一个QK源与一个QK接收器之间共享密钥)。在QKD中，使用单光子信号共享密钥信息，该单光子信号是包括单光子流的
光信号，其中每个光子可以与流中的每个其他光子分开检测。一旦这些单光子信号被接收器接收并进行了测量，便会在QK源与QK接收器之间交换附加(未加密的)消息，以决定所测量的光子中的哪一个可用于形成密钥。QKD发送器通常会产生包含许多同时发生的光子的流，然后对该流进行滤光以在任何时候将该流减小到单个光子。
[0003] 诸如量子密钥接收器的单光子信号接收器是复杂且昂贵的。为了降低成本，可以通过使用无源光分路器(也称为无源光
耦合器)来减少所需的单光子信号接收器的数量。常规的分路器是无源光学组件并且可以双向工作(例如，如图3中的318所示)，因此，如果光的方向相反，则在一个方向上充当1x4分路器的分路器将充当1x4耦合器。将理解的是，当分路器在一个方向上工作时可能被认为是输入部的部分，当在相反方向上工作时可以被更适当地认为是输出。为简单起见，我们使用术语“输出”来表示离开分路器或合路器的光纤，而不管光信号是通过该光纤流入还是流出该分路器。
[0004] 无源光分路器的使用允许多个单光子QK源经由一级或更多级的无源光分路器连接到单个单光子信号接收器。分路器可以被认为是在光路中引入了分路，使得输入光纤上的信号在多根输出光纤之间共享。这种方法的缺点在于，每个分路器会产生损耗，并且在不同光纤之间分配的光路越多，这些损耗就会增加。
[0005] 可用于单光子QK源与单光子信号接收器之间的功率预算是有限的。根据单光子QK源的发射功率来计算光路的功率预算，必须从该发射功率减去单光子信号接收器的灵敏度以及由该路径中的任何分路器引入的损耗。可以可靠地实现光通信的光纤长度取决于所得功率预算的大小，然而，由光分路器引入到光路中的损耗会减小该范围。
[0006] 图1示出了常规的QKD PON 100。PON技术依靠无源光分路器，因为工作不需要电源，通常，熔融光纤光分路器(也称为熔融光纤光耦合器)被普遍使用。对于熔融光纤光分路器，当两根光纤汇聚在一起然后再次发散时，光会在这两根光纤之间传输。光分路器的标准设计将来自每根光纤的光的50％交换到另一根光纤。光分路器的标准1x2设计具有单根输出光纤的单
输出侧以及两根输出光纤的双输出侧(也就是说，其中一根光纤在遇到另一根光纤之后终止，并且光纤的一条支路未连接到输出)。然后可以从多个1x2分路器构造具有更大扇出的分路器。例如，可以通过将三个1x2分路器布置为使得第二和第三光分路器的单输出侧连接到第一光分路器的双输出侧中的相应一个来构造1x4分路器。
[0007] 如上所述，这些分路器是双向的，因此，如果光的方向相反，则在一个方向上充当1x2分路器的分路器将充当1x2耦合器。以传输率为50％的分路器为例，单输出上的输入的
50％将到达双输出中的每一个，而双输出中的每一个上的输入的50％将到达单输出(其余
50％去往未连接的光纤支路)。以此方式，光分路器在两个方向上(即，当在多个输出之间分裂单个
输入信号时以及当将多个输入信号耦合到单个输出上时)在光路中引入显著的衰减。
[0008] 返回图1，在QKD PON 100的终端112处有32个QK源110，这些源布置为4组、每组8个源(仅示出一组8个源)。每组8个源连接到第一级150中的8输入单输出(1x8)分路器114的一侧的8根光纤，引入约9dB的损耗。然后，来自第一级150中的每个1x8分路器114的另一侧的单输出馈入第二级152中的4输入单输出(1x4)分路器118一侧的四根光纤之一，引入约6dB的损耗—第一级和第二级的组合总共造成15dB损耗。最后，来自第二级152中的1x4分路器118的另一侧的单光纤输出馈入位于QKD PON 100的头端126处的
光接收器124的输入部
122。分路器114、118中的每一个将损耗引入穿过该分路器的光信号中。损耗量取决于分路程度，因此1x8分路器引入的损耗将是1x4分路器的两倍。分路器引入的损耗在从QK源110到接收器124的路径上累积，因此会显著减少可用于在该路径上传输的功率预算。
[0009] 图2示出了用于将位于QKD PON 200的终端212处的32个QK源210连接到位于QKD PON 200的头端226处的单个接收器224的另选常规PON布置200。图2的大多数要素在图1中具有直接等效项，在此不再赘述。在图2中，代替两级分路器，将32个QK源中的每一个连接到1x32分路器214的一侧的32根光纤之一，引入了约15dB的损耗。将会注意到，图1中两个分路器级引入的总损耗与图2中单个分路器级引入的损耗相同。
[0010] 图3示出了与图1的布置相似的常规QKD PON 300，但是现在，数据信号(双向箭头)在公共路径上与QKD信号(单向箭头)一起传输。从滤光器22到
开关314的每条单路径(例如，光纤)由表示QKD信号的单向箭头和表示数据信号的双向箭头表示。除了位于QKD PON 300的终端312处的QK源322之外，图3还示出了数据源(ONT)320。除了位于QKD PON 300的头端326处的QK接收器328之外，图3还示出了
数据接收器(OLT)324。图3的大多数要素在图1中具有直接等效项，在此不再赘述。图3还示出了滤光器22和24。每个滤光器22具有两个输入部和一个输出部，并且用于将来自32个ONT 320(仅示出一个)之一的数据信号和来自32个QK源322(仅示出一个)中对应的一个的QKD信号组合到通往分路器314之一的光路上。即，每个滤光器22用于将用于承载QKD信号的
光谱的一部分中的信号与用于承载数据的光谱的一部分中的信号进行组合。总共提供了32个滤光器22，每对ONT 320和QK源322具有一个滤光器，并且每个滤光器将信号组合到通往分路器314之一的不同光路上。
[0011] 滤光器24具有两个输入部和两个输出部，并且用于将源自于三十二个QK源322并且经由分路器314、318接收的QKD信号与源自于三十二个ONT 320并且也经由分路器314、318接收的数据信号分开。即，滤光器24的作用是将用于承载QKD信号的光谱的一部分中的信号传递至连接到QK接收器328的第一输出，同时阻止用于承载数据的光谱的一部分中的信号传递至QK接收器。滤光器24还用于将用于承载数据的光谱的一部分中的信号传递至连接到OLT 324的第二滤光器输出，同时阻止用于承载QKD信号的光谱的一部分中的信号传递至OLT。
发明内容
[0012] 根据本发明的第一方面，提供了一种包括模式耦合接收器的光接收器；其中，所述模式耦合接收器包括多个输入部；其中，所述模式耦合接收器被配置为检测所述多个输入部中的各个输入部上的单光子信号的接收，所述单光子信号包括单光子流。
[0013] 根据本发明的第二方面，提供了一种检测多个单光子信号的方法，其中，所述方法包括：操作包括多输入模式耦合接收器的单光子信号接收器；其中，所述多输入模式耦合接收器被配置为检测所述多个输入部中的各个输入部上的单光子信号的接收，所述单光子信号包括单光子流。
[0014] 以此方式，可以提供这样的单光子信号(例如QKD)接入系统：其中，多个单光子信号光发送器(或单光子信号源)连接到同一单光子信号接收器。与常规设计相比，通过增加直接连接到接入系统中的同一单光子信号接收器中的单光子信号的数量，可以创建减少损耗的接入系统。结果，可以显著改善性能并节省成本。
[0015] 根据一实施方式，单光子信号包括按不同量子态编码的光子。根据一实施方式，每个光子代表量子密钥信息。
[0016] 根据一实施方式，提供了一种通信系统，其中，所述通信系统包括多输入模式耦合接收器；其中，所述通信系统还包括将多个单光子信号源与所述光接收器相连接的接入网络，其中，所述模式耦合接收器的多个输入部中的各个输入部经由所述接入网络连接以从所述多个单光子信号源中的不同的单光子信号源接收单光子信号。
[0017] 根据一实施方式，所述通信系统还包括光开关，所述光开关被配置为选择开关输入部以连接到开关输出部，所述开关输入部是从多个开关输入部选择的；其中，所述多个开关输入部中的各个开关输入部被连接到所述多个单光子信号源中的不同的一个单光子信号源；其中，所述开关输出部被连接以将来自连接到所选择的开关输入部的所述多个单光子信号源之一的单光子信号发送到所述模式耦合接收器的所述多个输入部中的一个输入部。
[0018] 以此方式，更多的单光子信号源可以有效地连接到同一单光子信号接收器。
[0019] 根据一实施方式，所述光开关包括多个输出部，其中，所述开关被配置为选择所述多个开关输入部中的不同的一个开关输入部以连接到所述多个开关输出部中的各个开关输出部；其中，所述多个开关输出部中的各个开关输出部被连接到所述模式耦合接收器的所述多个输入部中的不同的一个输入部。
[0020] 根据一实施方式，开关输出部的数量等于模式耦合接收器输入部的数量。
附图说明
[0021] 为了更好地理解本发明，现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施方式，附图中：
[0022] 图1、图2和图3示出了不体现本发明的单光子信号PON的示意图；
[0023] 图4、图5和图6示出了体现本发明的单光子信号PON的示意图。
具体实施方式
[0024] 根据实施方式，QKD密钥在单光子信号上从多个QK源
节点发送到接收器。每个QK源节点直接耦合到单个接收器节点的同一光电检测器。根据实施方式，至少一些QK源节点通过光开关耦合到单个接收器节点的同一光电检测器。通过这种方式，通过减少QKD路径中的分路数并以此方式减少引入QKD路径中的损耗，单个接收器可以以提高的范围和可靠性来与多个QK源商定QKD密钥。实施方式通过减少所需的接收器的数量并且通过减少对相关联的低温冷却的需求而导致成本降低。
[0025] 根据实施方式，控制系统确保QK源这样发送其光子：这些光子以交错的方式到达接收器。
[0026] 图4示出了根据本发明的第一实施方式的QKD PON 400，其提供了基于MCR的QKD接收器(QK MCR)428：其是被配置为在单光子检测模式工作的模式耦合接收器(MCR)。之所以命名为MCR，是因为多个模式耦合到同一光电检测器中，每种模式将来自不同光纤的光连接到同一光电检测器中。MCR的大面积光电检测器允许将多根光纤直接耦合到接收器，并在接收器处提供几乎无损耗的光功率合成器。为了配置QK MCR以检测单光子，需要在增加的偏置
电压下对其进行操作以实现单光子
雪崩检测。通过利用碰撞电离，检测器
基板被偏置以对具有雪崩
电流的单光子的到达做出反应。可以利用每米大于3x107伏的偏置电压来实现单光子雪崩检测，尽管该值可能会随着MCR技术的发展而改变。
[0027] 在图4的布置中，多个QK源410通过分路器414的单个级450连接到四输入QK MCR 428中。多输入QK MCR 428允许将多根光纤耦合到同一光电检测器。
[0028] 当与图1比较时，很明显，图4的布置为相同数量的QK源(即，32个)提供了到QK接收器的连接，但是整个级的分路器(即，第二级120)已被移除，避免了相关联的损耗。在图1中，需要两级的分路器116、120，而在图4中仅使用一级的分路器450。图4的布置减少了分路器级数，从而显著改善了功率预算，结果，使得能够在更大的光纤传输距离上进行通信。例如，在QKD功率输出为20dB的情况下，损耗为9dB的单级分路器会留下11dB的功率预算，这相当于长达44km的光纤(假设光纤损耗为0.25dB/km)。类似地，当与图2进行比较时，很明显，图4的布置为相同数量的QK源(即，32个)提供了到QK接收器的连接，但是在每条路径中使用一个x8分路器414而不是图2的x32分路器214，相应地减少了分路器损耗。与图1和图2相比，图4的布置所提供的每条路径的分路数的减少显著改善了功率预算(如上所述)，结果，使得能够在更大的光纤传输距离上进行通信。
[0029] 图5示出了根据本发明的第二实施方式的、在QKD信号的路径中具有光开关540的QKD PON 500。图5的大多数要素在图4中具有直接等效项，在此不再赘述。与图4相比，图5示出了类似的布置，但现在为位于QKD PON 500的终端512处的大大增加的256个QK源522提供了到位于QKD PON 500的头端526处的单个基于MCR的QK接收器(QK MCR)528的连接，而在每条路径中仅需要单个x8分路器514。由于图5中表示的大量QK源，为清楚起见，一些细节已替换为方框。即，图5中的每个框580包括四个1x8分路器514，每个分路器在一侧连接到八个QK源522(仅示出前八个)，并且在另一侧连接到光开关540的输入部。按照1xN(单输出)配置工作的光开关是已知的。如图5所示，改进的光开关540设有与QK MCR 528的输入部数量相同的输出部(尽管如此，根据其他实施方式，光开关可以设有数量少于QK MCR 528的输入部的输出部)。在本示例中，MCR有四个输入部，使得在图5的布置中选择的NxM开关是由4个输出部和32个输入部(32x4)实现的，其中32个输入部布置为8个组，每组4个输入部，并且每个开关输出部连接到QK MCR 528的不同输入部。每个开关输入部连接到光分路器514，在该示例中，该光分路器514组合来自八个QK源522的组的QKD信号，使得多输入QK MCR 528被连接以从4x8x8＝256个QK源接收。分路器514配置为1x8，具有连接到开关输入部的单输出侧和每根光纤都连接到不同的QK源的八输出侧。根据实施方式，将32个开关输入部分组为8个组(仅示出一组)，每组有4个输入部。开关朝着连接到QK MCR 528的四个输入部的四个开关输出部依次引导来自每个组的四个输入部，使得可以在经过八个组的周期内将接收器连接到每个QK源。由开关引入的损耗通常约为1dB，这比一般分路器引入的损耗要小得多。结果，图5的功率预算将显著高于图1的功率预算。
[0030] 图6示出了与图4类似的布置，但是现在数据信号(双向箭头)通过分路器在公共路径上与QKD信号(单向箭头)一起传输。图6的大多数要素在图3或图4中具有直接等效项，此处不再赘述。图6示出了根据一个实施方式的QKD PON 600，除了三十二个QK源622之外，QKD PON 600在终端612处还包括三十二个数据源(ONT)620(仅示出一个QK源622和一个ONT 620)。除了QK MCR接收器628外，QKD PON 600在头端626处还包括数据接收器(OLT)624。在图6中，第一级650中的分路器614按照与图4和图5中的分路器不同的方式配置。在图6中，分路器614的第一级650配置有双输出侧和八输出侧(2x8)，其中，该双输出侧提供了通往OLT
624和QK MCR接收器628的单独的光路。在分路器614之一处从终端612接收到的组合信号将在两个输出之间划分，使得数据和QKD光子都将出现在每个输出处。来自每个第一级分路器
614的一个输出被引导至第二级分路器618。分路器618类似于先前附图中所示的第二级分路器，并且具有四个输入部(每个输入部连接到第一级分路器614中的一个的第一输出部)和连接到OLT 624的单个输出部。QK MCR接收器628具有四个输入部，每个输入部连接到第一级分路器614中的不同的一个分路器的第二输出。图6还示出了滤光器62和64。每个滤光器62具有连接到ONT 620之一的输出部的第一输入部和连接到QK源622之一的输出部的第二输入部。每个滤光器62具有通过光路连接到第一级分路器614的输入部的输出部。每个滤光器62将来自ONT 620的数据信号和来自对应的QK源622的QKD信号组合到通往分路器的第一级650的光路上。即，每个滤光器62用于将用于承载QKD信号的光谱的一部分中的信号与用于承载数据的光谱的一部分中的信号进行组合。从滤光器62到开关614的每条单路径(例如，光纤)在图6中由表示QKD信号的单向箭头和表示数据信号的双向箭头表示。
[0031] 滤光器64连接在第一级分路器614的每个第二输出部与QK MCR接收器628的输入部之间。滤光器64滤出经由第一级分路器614从ONT 620接收到的数据信号。即，滤光器64的作用是使用于承载QKD信号的光谱的一部分中的信号通过，但是阻挡用于承载数据的光谱的一部分中的信号。滤光器引入的损耗通常约为0.5dB，这比一般分路器引入的损耗小得多。
[0032] 滤光器64防止数据信号到达QK接收器。滤光器(未示出)也可以设置在通往OLT 624的路径上。根据一个实施方式，在通往OLT 624的路径上没有设置滤光器，因为当与数据信号相比时，沿着该路径的任何QKD光子将代表使得QKD光子在OLT处的影响可忽略不计的弱信号。当与图3比较时，很明显，在从QK源到QK接收器的路径中已经避免了一整级的分路器(即，图3中的352)和相关联的损耗(在这种情况下为6dB)。换句话说，与图3相比，图6的布置所提供的每条路径的分路数的减少显著改善了功率预算，结果，使得能够在更大的光纤传输距离上进行QK信号的通信。也就是说，与图3中的等效路径中的32个分路(＝4x8)相比，图6中从任何一个QK源622到QK MCR 628的路径总共有8个分路。如先前参照图5所述，通过引入光开关来增加连接到单个QK MCR接收器的QK源的数量，可以扩展图6的布置。
[0033] 常规的QK接收器无法区分多个同时到达的光子的到达。然而，这种同时到达的影响是增加了噪声
水平，并且常见的QKD协议具有可以应对多个光子以低速率同时到达的小的容错度。
[0034] 为了降低由于多个光子的同时到达而导致的错误率，可以在单光子信号接收器与多个单光子信号源之间提供同步，使得光子传输是定时的，以避免光子同时到达MCR处。控制协议(例如COW或BB84)从单光子信号源接收对发送机会的
请求。控制协议以准许在独特的时隙期间发送来答复。控制协议可以通过这种方式确保每个单光子信号源在与其他单光子信号源不同的时隙中发送，使得单光子信号一次仅从一个单光子信号源到达头端。控制协议还知道在特定时间到达接收器的单光子信号的来源，因为控制协议已经分配了发送单光子信号的时隙。可以在相关联的
数据网络的QK接收器处或OLT处执行控制协议。用于控制协议的信令可以通过相关联的数据网络(例如，在图6中的OLT与ONT之间示出的PON)承载在
帧的头部中。
[0035] 可以将控制协议配置为使得控制每个QK源依次采取该控制协议，从而以接收器可以应付的速率R(“可接受”速率)提供足够长时间的光子突发来建立密钥。否则，可以将控制协议配置为使得控制N个QK源在不同的时隙中发送光子，从而以1/N倍的可接受速率形成交错图案。
[0036] 本领域技术人员应当明白，尽管已经关于上述示例实施方式对本发明进行了描述，但本发明不限于此，而是存在落入本发明的范围内的许多可能变型例和
修改例。尽管在上面关于将单光子信号应用于QKD进行了描述，但是本发明可以应用于任何单光子信号的通信和检测。本发明可以使用具有多于或少于四个输入部的MCR。本发明可以与多于一级分路器一起使用，但是仍然将减少特定PON中QK源与接收器之间的每个光路中所需的分路总数。本发明不限于任何特定级数的分路器，而是可以根据情况以多于两级来实现。
