一种适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测
阵列
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种量子保密通信系统的探测阵列，属于光学通信领域。
背景技术
[0002] 单
光子探测技术是当前国际上的一项研究热点，并且与量子光学呈现了相互促进的发展趋势。在单光子探测新原理方面，尤其是1550nm波段单光子探测技术方面发展迅速，出现了超导探测器等新型的探测方法。例如，超导状态转变探测器和超导带状探测器都是基于超导
热电效应，前者有很高的光子数分辨能
力，其最大可分辨光子数超过11，但是计数率只有20kHz；后者的探测速率达到1GHz，但由于耦合等问题，其探测效率非常低；另外还有
量子点场效应管和量子点共振
隧道二极管等新型的
近红外单光子探测方法。以上四种探测方法都需要液氦制冷，集成度较低且成本极其昂贵，不利于量子保密通信系统的实用化。另一方面，基于传统单光子探测器件的制造工艺、技术和驱动技术也在不断发展，仍旧占据着实用单光子探测器的绝对主力地位。InGaAs/InP APD(Avalanche Photo Diode，APD，雪崩
光电二极管)在1310～1550nm波段的探测效率达到10～30％，但是，因为InGaAs/InPAPD的
半导体工艺技术问题，其暗计数与后脉冲相对较大。常规的方法是令InGaAs/InPAPD的直流偏置
电压略低于雪崩点，另外加载超窄电脉冲，使得在电脉冲内的偏置电压超过雪崩点，进入“盖格模式”，这种技术方法称为“
门模式”，可以有效降低暗计数与后脉冲。在量子密钥分配(QKD)系统、深空探测及通信中，InGaAs/InPAPD已被广泛使用。实现基于InGaAs/InPAPD的高速高效单光子探测，是提升这些系统性能的重要手段。2006年日本大学N.Namekata等提出的正弦滤波方案，2007年东芝欧洲有限公司Z.L.Yuan(袁之良)等提出的自平衡方案，及之后不同单位提出的将二种方案相结合的方案等，均使得InGaAs/InP SPAD(SPAD，单光子探测器)可以在工作重复
频率超过1GHz时正常使用。
[0003] 然而，InGaAs/InPAPD单光子探测器通常被设计用来实现2.5Gbps传统光纤通信，考虑到APD的频率响应特性及最终探测器
信噪比的限制，此类单光子探测器工作重复频率最高约为2.5GHz，极大地限制了量子保密通信成码率的进一步提高。随着，量子保密通信速率的进一步提高，目前的APD已逐渐不能满足需求。此外，单个APD探测器的光子数分辨性能也远没有达到应用的需求。基于时分复用等复用方案可通过APD阵列提高系统工作速率，然后单光子分束过程中的不确定性会导致系统探测效率的降低，从而使得通信系统的成码率并没有提高。
发明内容
[0004] 本发明为解决上述问题，提供了适用于超高速量子保密通信系统的
雪崩光电二极管探测阵列。
[0005]
一种适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列，用于接收外界的
信号光并探测信息，其特征在于包括：第一环行器，第一环行器，具有输入光通路和两个输出光通路，用于接收外界输入的信号光后分两路输出且控制该信号光的输出方向；第一萨格奈克干涉(Sagnac)环，由第一偏振分束器、第一
相位调制器以及第一法拉第旋转器顺
时针通过光路连接构成，第一偏振分束器和第一环行器的一个输出光通路通过光路连接；以及两个分光探测单元，该分光探测单元包括具有三个光通路的环行器、分别与该环行器中两个光通路连接的萨格奈克干涉(Sagnac)环和单光子探测组件，其中，萨格奈克干涉(Sagnac)环由偏振分束器、
相位调制器以及法拉第旋转器顺时针通过光路连接构成，偏振分束器同环行器的一个输出光通路连接；单光子探测组件由探测偏振分束器、两个和该探测偏振分束器光路连接的单光子探测器组成，该单光子探测器用于探测探测偏振分束器输出的
光信号，分光探测单元通过分光器件同第一环行器的另一个输出光通路连通。
[0006] 本发明提供的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列，还可以具有这样的特征：其中，分光器件为偏振分束器。
[0007] 本发明提供的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列，还可以具有这样的特征：其中，分光器件与环行器之间是45°熔接在一起的。
[0008] 本发明提供的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列，还可以具有这样的特征：其中，单光子探测器包括雪崩光电二极管。
[0009] 本发明提供的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列，还可以具有这样的特征：其中，雪崩光电二极管为InGaAs雪崩光电二极管。
[0010] 本发明提供的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列，还可以具有这样的特征：其中，第一环行器的输入光路与外界的信号光是45°熔接在一起的。
[0011] 发明作用与效果
[0012] 本发明所提供的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列，由于通过多通道复用的方案实现了基于雪崩光电二极管(APD)的高速单光子探测阵列，可满足10GHz及以上量子保密通信系统的需求。
[0013] 与传统的复用方案不同，该系统通过萨格奈克干涉(Sagnac)环实现单光子信号的分束，避免了单光子探测阵列总体探测效率的降低，保证了量子保密通信系统在提高工作速率的同时提高成码率。
附图说明
[0014] 图1为本发明
实施例1的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列的结构示意图；
[0015] 图2为本发明的实施例1中的光信号示意图。
具体实施方式
[0016] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列的结构和工作原理作具体阐述。
[0017] 实施例1
[0018] 图1为本实施例的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列的结构示意图。
[0019] 如图1所示，适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列100，具有第一环行器10、第一萨格奈克干涉(Sagnac)环20以及分光探测单元30。其中，[0020] 第一环行器10具有输入光通路11和两个输出光通路12a、12b，输入光路11与外界的信号光是45°熔接在一起的。
[0021] 第一萨格奈克干涉(Sagnac)环20，由第一偏振分束器21、第一相位调制器22以及第一法拉第旋转器23顺时针通过光路(如光纤)连接构成。
[0022] 第一偏振分束器21具有三个光路，公共端和第一环行器10的一个输出光通路12a通过光纤连接，输出端同第一相位调制器22以及第一法拉第旋转器23通过光纤连通。
[0023] 两个分光探测单元30a和30b，通过分光器件同第一环行器10的另一个输出光通路12b连通。本实施例中分光器件为偏振分束器，命名为第二偏振分束器30c。分光探测单元
30a和30b结构相同。
[0024] 这里以分光探测单元30a为例，它包括具有三个光通路的第二环行器31、分别与该环行器31中两个光通路连接的萨格奈克干涉(Sagnac)环32和单光子探测组件33。
[0025] 第二环行器31a，结构同第一环行器10相同，也具有三个光通路，连接关系如图1所示，第二环行器31a的输入光路与第二偏振分束器30c的一个输出光路通过45°熔接在一起，另外两个输出光路分别同萨格奈克干涉(Sagnac)环32和单光子探测组件33连通。
[0026] 萨格奈克干涉(Sagnac)环32和第一萨格奈克干涉(Sagnac)环20结构相同，也是由偏振分束器、相位调制器以及法拉第旋转器顺时针通过光路连接构成，偏振分束器同环行器的一个输出光通路连接，如图所示，分别将偏振分束器、相位调制器以及法拉第旋转器命名为第三偏振分束器321、第二相位调制器322、第二法拉第旋转器323。
[0027] 单光子探测组件33，包括探测偏振分束器即第四偏振分束器331、两个和该探测偏振分束器331光路连接的单光子探测器332a、332b组成，该单光子探测器组332连通在探测偏振分束器331的两个输出光通路上，用于探测探测偏振分束器331不同输出口输出的光信号。
[0028] 分光探测单元30b结构同上述的分光探测单元30a相同，其具有的第三环行器31b的输入光通路和第二偏振分束器30c的另一个输出光路通过45°熔接在一起。其他元器件连通情况同上述的分光探测单元30a相同，对应的也包括第五偏振分束器324、第三相位调制器325以及第三法拉第旋转器326组成的萨格奈克干涉(Sagnac)环和由第六偏振分束器333、两个和该探测偏振分束器333光路连接的单光子探测器334a、334b组成的单光子探测组件。
[0029] 图2为本发明的实施例1中的光信号示意图
[0030] 工作原理
[0031] Bob端接收到光脉冲信号(假设此信号为线偏光，若偏振相关，则可再此之前增加一个偏振分束器，及一套相同的APD阵列)通过第一萨格奈克干涉(Sagnac)环20。光脉冲经过第一萨格奈克干涉(Sagnac)环20之后先被分成两个方向的偏振光，强度比为1：1，通过控制第一萨格奈克干涉(Sagnac)环20内三个元件之间的光路长度以及
现场可编程门阵列(FPGA)触发信号到第一相位调制器22(PM)的时间，使得两束脉冲在不同时间经过PM22并且只有一束光脉冲被PM22调制，调制相位的大小由FPGA产生的信号决定。0为不调制(0π)，1对应调制电压5V(π)，FPGA产生的信号分别触发不同的调制板给出调制信号，
电路板上所输出的电压合路后，送到相位调制器。由此，经过Sagnac环的出射光将存在2种偏振态：0°线偏光、90°线偏光。此时脉冲通过环行器10，进入另一出口。
[0032] 光脉冲信号经过Sagnac环20进行调制，此时相位调制器22的调制重复频率为系统工作重复频率的1/2。随后光脉冲信号经过偏振分束器30c，将2种偏振态的光脉冲信号分别送入第二环行器、第三环行器。经过第二环行器的光信号进入萨格奈克干涉(Sagnac)环32进行偏振调制，其调制信号如图2所示，重复频率的系统工作重复频率的1/4。调制后的光脉冲信号通过第二环行器，送入单光子探测器332a、332b进行探测，此时探测器的工作重复频率为系统工作重复频率的1/4。经过第三环行器的光信号进入Sagnac环进行偏振调制，其调制信号如图2所示，重复频率的系统工作重复频率的1/4。调制后的光脉冲信号通过第三环行器，送入单光子探测器334a、334b进行探测，此时探测器的工作重复频率为系统工作重复频率的1/4。此时，单光子探测器332a探测光脉冲1、5、9～～(4n+1)；单光子探测器332b探测光脉冲3、7、11～～(4n+3)；单光子探测器334a探测光脉冲2、6、10～～(4n+2)；单光子探测器334b探测光脉冲4、8、12～～(4n+4)；通过该分束方案光脉冲信号均被送入确定的探测器进行探测，避免了分束的不确定性引起的探测效率的降低，保证了量子保密通信系统在提高工作速率的同时提高成码率。
[0033] 当我们需要10GHz单光子探测器进行探测时，该四通道复用方案将APD的工作重复频率降低至2.5GHz。而通过8通道复用，APD工作频率可降至1.25GHz，进一步降低对单路APD工作频率的要求。当然，随着复用通道的增加，其集成难度及通道间串扰的抑制的难度也在提高。
[0034] 实施例的作用和有益效果
[0035] 本实施例所提供的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列，由于通过多通道复用的方案实现了基于雪崩光电二极管(APD)的高速单光子探测阵列，可满足10GHz及以上量子保密通信系统的需求。
[0036] 而与传统的复用方案不同，该系统通过萨格奈克干涉(Sagnac)环实现单光子信号的分束，避免了单光子探测阵列总体探测效率的降低，保证了量子保密通信系统在提高工作速率的同时提高成码率。
[0037] 本实施例提供的适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列，利用了单一或多个基于萨格奈克干涉(Sagnac)环的单光子分束系统，每个小系统包括时序相关的调制部分，分光部分。在环中利用控制电路产生的GHz高速序列作为调制信号，加载在调制部分上，将不同时刻到来的光子调制为不同的量子态，并通过光路中的分光部分，使得单光子依照量子态的不同进行分束，从而实现多通道时分复用。该技术方案可将光脉冲信号分束至确定的探测器进行探测，避免了分束的不确定性引起的探测效率的降低，保证了量子保密通信系统在提高工作速率的同时提高成码率。
[0038] 多通道APD探测阵列。将多个性能相似的探测器集成形成探测阵列，提高集成度及
稳定性，减小功耗。各通道探测器工作重复频率可达GHz，集成后可满足10GHz及以上量子保密通信系统的需求。
