用于CV-QKD的脉冲调制装置、发射机、系统及方法

摘要

本申请提供一种用于CV‑QKD的脉冲调制装置、发射机、系统及方法，其中脉冲调制装置包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、第三脉冲激光器，光分束器、第一光环形器、第二光环形器、光调模块及偏振合束器，其中光分束器，用于将第一脉冲激光器输出的脉冲光分为第一光脉冲和第二光脉冲，其中第一光脉冲注入至第二脉冲激光器，第二光脉冲注入至第三脉冲激光器，使得第二脉冲激光器和第三脉冲激光器发出同频同相的脉冲，制作出的参考光和信号光不仅光谱质量好，而且不需要通过级联AM的方式得到高消光比的脉冲，因而降低了脉冲调制得到难度，此外还节省了斩波方案的至少两个以上的高性能AM，使得脉冲调制的成本大大降低。

权利要求

1.一种用于CV‑QKD的脉冲调制装置，其特征在于，包括第一脉冲激光器（1）、第二脉冲激光器（2）、第三脉冲激光器（3），光分束器（4）、第一光环形器（5）、第二光环形器（6）、光调模块（7）及偏振合束器（8）：

所述光分束器（4），用于将第一脉冲激光器（1）输出的脉冲光分为第一光脉冲和第二光脉冲，其中所述第一光脉冲通过所述第一光环形器（5）注入至所述第二脉冲激光器（2），用于生成参考光，所述第二光脉冲通过所述第二光环形器（6）注入至所述第三脉冲激光器（3），用于生成信号光；

所述光调模块（7），用于调节信号光的强度和相位，使得信号光的每位信息中包含量子光与反馈光，所述量子光为弱光并用于量子密钥分发，所述反馈光强光并用于相位反馈，具体如下：

所述光调模块（7）包括依次连接的第一强度调制器（701）、相位调制器（702）和第二强度调制器（703）；

所述第一强度调制器（701）与所述相位调制器（702）均采用高频调制器，所述第二强度调制器（703）采用低频调制器；

所述第一强度调制器（701），用于将信号光的每位信息中的一段连续的光脉冲调节至第一阈值范围内得到量子光，将剩余的一段连续的光脉冲调节至第二阈值范围内得到反馈光，且所述量子光的各个脉冲的强度随机；

所述相位调制器（702），用于将量子光的脉冲之间的相位调节为随机，将反馈光的每个脉冲的相位调节为0、π/2、π、3π/2的一种；

所述第二强度调制器（703），用于将量子光调节至单光子强度；

所述偏振合束器（8），用于将所述参考光与所述信号光合束，完成脉冲调制。

2.根据权利要求1所述的用于CV‑QKD的脉冲调制装置，其特征在于，所述相位调制器（702），用于将量子光的脉冲之间的相位调节为随机，将反馈光的第一个脉冲的相位调节为

0，反馈光的第二个脉冲的相位调节为π/2，反馈光的第三个脉冲的相位调节为π，反馈光的第四个脉冲的相位调节为3π/2，反馈光的第五个脉冲的相位调节为0，以此类推将反馈光中的脉冲相位依次按照0、π/2、π、3π/2周期进行调节。

3.根据权利要求1‑2任意一项所述的用于CV‑QKD的脉冲调制装置，其特征在于，所述第一强度调制器（701）还用于根据相位反馈结果调整量子光和反馈光的比例。

4.根据权利要求3所述的用于CV‑QKD的脉冲调制装置，其特征在于，所述第一强度调制器（701）和第二强度调制器（703）均对反馈光不调节。

5.一种用于CV‑QKD的脉冲调制的方法，其特征在于，该方法应用于权利要求1‑4任意一项所述的用于CV‑QKD的脉冲调制装置，具体步骤为：分束第一脉冲激光器输出的脉冲光，得到第一光脉冲和第二光脉冲；

将所述第一光脉冲注入至所述第二脉冲激光器，生成参考光；

将所述第二光脉冲注入至所述第三脉冲激光器，用于生成信号光；

调节信号光的强度和相位，使得信号光的每位信息中包含一定比例的量子光和反馈光，具体步骤包括：

将信号光的每位信息中的一段连续的光脉冲调节至第一阈值范围内得到量子光，将剩余的一段连续的光脉冲调节至第二阈值范围内得到反馈光，且所述量子光的各个脉冲的强度随机；

将量子光的脉冲之间的相位调节为随机，将反馈光的第一个脉冲的相位调节为0，反馈光的第二个脉冲的相位调节为π/2，反馈光的第三个脉冲的相位调节为π，反馈光的第四个脉冲的相位调节为3π/2，反馈光的第五个脉冲的相位调节为0，以此类推将反馈光中的脉冲相位依次按照0、π/2、π、3π/2周期进行调节；

量子光为弱光并用于量子密钥分发，反馈光为强光并用于相位反馈；

将所述参考光与所述信号光合束，完成脉冲调制。

6.根据权利要求5所述的用于CV‑QKD的脉冲调制的方法，其特征在于，根据相位反馈结果调整信号光的每位信息中的量子光和反馈光的比例。

说明书

用于CV‑QKD的脉冲调制装置、发射机、系统及方法

技术领域

[0001] 本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种用于CV‑QKD的脉冲调制装置、发射机、系统及方法。

背景技术

[0002] 量子密钥分发(QKD)是利用物质（如光子）的量子特性来设计加解密方案，其安全性是基于量子力学的基本原理而不是数学计算的复杂性。QKD利用海森堡不确定性原理和
未知量子态不可克隆原理来发现窃听的存在，理论上确保了信息的无条件安全性。

[0003] 其中QKD根据调制手段和探测方式的不同可分为离散变量量子密钥分发(DV‑QKD)和连续变量量子密钥分发(CV‑QKD)。其中，现有一种用于CV‑QKD的脉冲调制装置如图1所
示，激光器输出连续光，经过至少两个强度调制器（AM）后被斩波为脉冲光，该脉冲光经过
99:1的分束器（BS）后，一路被输入至不等臂干涉仪的长臂作为参考光，另一路输入至不等
臂干涉仪的短臂作为信号光，信号光通过强度调制器（AM）、相位调制器（PM）和光衰减器
（VOA）等调制后，使得信号光的强度、相位符合要求后，通过偏振合束器（PBS）与参考光合
束，完成脉冲调制。

[0004] 由于信号光的强很弱，通常只有100~1强度量级，而参考光的强度很高，通常在108强度量级，因此为了实现连续变量量子密钥分发系统对脉冲光要达到80dB消光比的要求，
通常在连续变量量子密钥分发系统中至少采用两级强度调制级联调制 (目前一般强度调
制器的消光比≤30dB)，对第一个AM产生的消光比较弱的光脉冲进行二次调制，使有光的部
分更强，“无光”的部分更弱，从而达到脉冲制作的要求。

[0005] 然而，这种AM的消光强度与电压的关系如图2所示，当处于最高消光比附近时，电压较小的波动即可引起较大的消光比变化，而现有的装置中至少需要两个AM级联完成80 
dB的消光比，这对AM控制的稳定性要求极高，从而导致现有技术的脉冲调制装置得到的脉
冲光的光谱质量较差。

发明内容

[0006] 本申请提供一种用于CV‑QKD的脉冲调制装置、发射机、系统及方法，以解决现有技术中脉冲调制装置得到脉冲光的光谱质量较差的问题。

[0007] 本申请第一方面提供一种用于CV‑QKD的脉冲调制装置，包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、第三脉冲激光器，光分束器、第一光环形器、第二光环形器、光调模块及偏振
合束器：所述光分束器，用于将第一脉冲激光器输出的脉冲光分为第一光脉冲和第二光脉
冲，其中所述第一光脉冲通过所述第一光环形器注入至所述第二脉冲激光器，用于生成参
考光，所述第二光脉冲通过所述第二光环形器注入至所述第三脉冲激光器，用于生成信号
光；所述光调模块，用于调节信号光的强度和相位，使得信号光的每位信息中包含量子光和
反馈光，量子光为弱光并用于量子密钥分发，反馈光为强光并用于相位反馈，具体如下：所
述光调模块包括依次连接的第一强度调制器、相位调制器和第二强度调制器；所述第一强
度调制器与所述相位调制器均采用高频调制器，所述第二强度调制器采用低频调制器；所
述第一强度调制器，用于将信号光的每位信息中的一段连续的光脉冲调节至第一阈值范围
内得到量子光，将剩余的一段连续的光脉冲调节至第二阈值范围内得到反馈光，且所述量
子光的各个脉冲的强度随机；所述相位调制器，用于将量子光的脉冲之间的相位调节为随
机，将反馈光的每个脉冲的相位调节为0、π/2、π、3π/2的一种；所述第二强度调制器，用于将
量子光调节至单光子强度所述偏振合束器，用于将所述参考光与所述信号光合束，完成脉
冲调制。

[0008] 优选地，所述相位调制器，用于将量子光的脉冲之间的相位调节为随机，将反馈光的第一个脉冲的相位调节为0，反馈光的第二个脉冲的相位调节为π/2，反馈光的第三个脉
冲的相位调节为π，反馈光的第四个脉冲的相位调节为3π/2，反馈光的第五个脉冲的相位调
节为0，以此类推将反馈光中的脉冲相位依次按照0、π/2、π、3π/2周期进行调节。

[0009] 优选地，所述第一强度调制器还用于根据相位反馈结果调整量子光和反馈光的比例。

[0010] 优选地，所述第一强度调制器和第二强度调制器均对反馈光不调节。

[0011] 本申请第二方面提供一种用于CV‑QKD的脉冲调制的方法，该方法应用于上诉的任意一项用于CV‑QKD的脉冲调制装置，具体步骤为：分束第一脉冲激光器输出的脉冲光，得到
第一光脉冲和第二光脉冲；将所述第一光脉冲注入至所述第二脉冲激光器，生成参考光；将
所述第二光脉冲注入至所述第三脉冲激光器，用于生成信号光；调节信号光的强度和相位，
使得信号光的每位信息中包含量子光和反馈光，具体步骤包括：将信号光的每位信息中的
一段连续的光脉冲调节至第一阈值范围内得到量子光，将剩余的一段连续的光脉冲调节至
第二阈值范围内得到反馈光，且所述量子光的各个脉冲的强度随机；将量子光的脉冲之间
的相位调节为随机，将反馈光的第一个脉冲的相位调节为0，反馈光的第二个脉冲的相位调
节为π/2，反馈光的第三个脉冲的相位调节为π，反馈光的第四个脉冲的相位调节为3π/2，反
馈光的第五个脉冲的相位调节为0，以此类推将反馈光中的脉冲相位依次按照0、π/2、π、3π/
2周期进行调节；量子光为弱光并用于量子密钥分发，反馈光为强光并用于相位反馈；将所
述参考光与所述信号光合束，完成脉冲调制。

[0012] 优选地，根据相位反馈结果调整信号光的每位信息中的量子光和反馈光的比例。

[0013] 本申请第三方面提供一种量子密钥发射机，其特征在于：包括上述的用于CV‑QKD的脉冲调制装置。

[0014] 本申请第四方面提供一种CV‑QKD系统，包括发射机和接收机，其中所述接收机采用上述的量子密钥发射机。

[0015] 本申请提供一种用于CV‑QKD的脉冲调制装置、发射机、系统及方法，与现有技术相比有以下优点：

[0016] 1、本申请的用于CV‑QKD的脉冲调制装置包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、第三脉冲激光器，光分束器、第一光环形器、第二光环形器、光调模块及偏振合束器，其中所
述光分束器，用于将第一脉冲激光器输出的脉冲光分为第一光脉冲和第二光脉冲，其中所
述第一光脉冲通过所述第一光环形器注入至所述第二脉冲激光器，用于生成参考光，所述
第二光脉冲通过所述第二光环形器注入至所述第三脉冲激光器，用于生成信号光；因此，本
申请将第一脉冲激光器发出的脉冲分别注入第二脉冲激光器和第三脉冲激光器中，使得第
二脉冲激光器和第三脉冲激光器发出同频同相的脉冲，制作出的参考光和信号光不仅光谱
质量好，而且不需要通过级联AM的方式得到高消光比的脉冲，因而降低了脉冲调制得到难
度，此外还节省了斩波方案的至少两个以上的高性能AM，使得脉冲调制的成本大大降低。

[0017] 2、由激光器的器件特性可知，通过注入锁定的方式激光器可带来至少25dB的偏振隔离度，PBS至少具有30dB的偏振隔离度，因此本申请可达到55dB的偏振隔离度，而现有技
术只有30dB的偏振隔离度，因此本申请比现有技术的偏振隔离度高。

[0018] 3、现有技术中需要在额外添加一个光源，发射反馈光，通过测量该反馈光产生反馈电压到本征光路上的相位调制器，从而实现相位补偿，现有技术中由于需要较高的控制
精度且会也会额外引入噪声，其补偿精度较差。而本申请通过所述光调模块调节信号光的
强度和相位，使得信号光的每位信息中包含用于量子密钥分发的量子光和用于相位反馈的
反馈光，因此本申请不需要再添置相位反馈光源，补偿精度高。

[0019] 4、现有技术中斩波之后通常采用99:1的BS，因此得到的量子光与参考光的强度比值是固定的。而本申请可通过光调模块根据需求动态调整量子光与参考光的强度比值。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还
可以根据这些附图获得其他的附图。

[0021] 图1为现有技术中的脉冲调制装置的结构示意图；

[0022] 图2为强度调制器的电压与强度对应的关系曲线图；

[0023] 图3为本申请的一种脉冲调制装置的结构示意图；

[0024] 图4为本申请的另一种脉冲调制装置的结构示意图；

[0025] 图5为本申请的一种信号光的脉冲结构示意图；

[0026] 图6为本申请的一种量子密钥分发系统的结构示意图。

具体实施方式

[0027] 为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，
而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通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，都属于本发明的保护范围。

[0028] 本申请第一方面提供一种CV‑QKD系统，包括发射机和接收机，其中所述接收机采用权利要求9所述的量子密钥发射机。一种用于CV‑QKD的脉冲调制装置，所示脉冲调制装置
的结构可参考图3所示的示意图，该脉冲调制装置包括第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器
2、第三脉冲激光器3，光分束器4、第一光环形器5、第二光环形器6、光调模块7及偏振合束器
8：所述光分束器4用于将第一脉冲激光器1输出的脉冲光分为第一光脉冲和第二光脉冲，其
中所述光分束器4可采用分束器BS也可采用偏振分束器PBS，此外这里的光分束器4可采用
常规的50:50的BS，也可采用99:1的BS，当然也可适用其他规格的BS，只要分出的光脉冲能
够激发第二脉冲激光器和第三脉冲激光器发出同频同相的脉冲即可。

[0029] 所述第一光脉冲通过所述第一光环形器5注入至所述第二脉冲激光器2，用于生成参考光，所述第一光环形器5至少具有三个端口，第一光环形器5的Ⅰ端口与所述光分束器4
的一个输出端连接，可将输入第一光环形器5的Ⅰ端口的第一光脉冲从第一光环形器5的Ⅱ
端口输出，所述第一光环形器5的Ⅱ端口与所述第二光脉冲激光器2连接，使得第一光脉冲
注入至所述第二光脉冲激光器2中，用以激发所述第二光脉冲激光器2得到参考光，所述第
二光脉冲激光器2发出的参考光输入至所述第一光环形器5的Ⅱ端口，参考光从第一光环形
器5的Ⅲ端口输出。

[0030] 所述第二光脉冲通过所述第二光环形器6注入至所述第三脉冲激光器3，用于生成信号光，所述第二光环形器6至少具有三个端口，第二光环形器6的Ⅰ端口与所述光分束器4
的另一个输出端连接，可将输入第二光环形器6的Ⅰ端口的第二光脉冲从第二光环形器6的
Ⅱ端口输出，所述第二光环形器6的Ⅱ端口与所述第三光脉冲激光器3连接，使得第二光脉
冲注入至所述第三光脉冲激光器3中，用以激发所述第三光脉冲激光器3得到信号光，所述
第三光脉冲激光器3发出的信号光输入至所述第二光环形器6的Ⅱ端口，参考光从第二光环
形器6的Ⅲ端口输出。

[0031] 由上述可知，本申请将第一脉冲激光器1发出的脉冲分别注入第二脉冲激光器2和第三脉冲激光器3中，使得第二脉冲激光器2和第三脉冲激光器3发出同频同相的脉冲，制作
出的参考光和信号光不仅光谱质量好，而且不需要通过级联AM的方式得到高消光比的脉
冲，因而降低了脉冲调制得到难度，此外还节省了斩波方案的至少两个以上的高性能AM，使
得脉冲调制的成本大大降低。

[0032] 所述光调模块7，用于调节信号光的强度和相位，使得信号光的每位信息中包含一定比例的量子光和反馈光。在通信领域，通常信息以位为单位进行传输，每位信息中包含一
定数量的信息帧，因此本申请通过所述光调模块7将每一位信息调制出两种强度的信息帧，
每一位信息中的第一段信息帧的每帧强度调节至第一阈值范围内，每一位信息中的第二段
信息帧的每帧强度调节至第二阈值范围内，第一段信息帧的强度比第二段信息帧的强度
弱，本申请将第一段信息帧称为量子光，将第二段信息帧称为反馈光。除此之外，量子光若
1 4
为10强度量级/脉冲，则反馈光至少为10强度量级/脉冲以上，因此本申请的反馈光相对于
量子光来说，则反馈光为强光，量子光为弱光。此外控制所述光调模块7按照量子密钥分发
的要求调制第一段信息帧的相位，使得量子光能用于量子密钥分发，控制所述光调模块7按
照量子密钥分发的要求调解第一段信息帧的相位，使得反馈光能用于相位反馈。因此本申
请通过所述光调模块调节信号光的强度和相位，使得信号光的每位信息中包含用于量子密
钥分发的量子光和用于相位反馈的反馈光，因此本申请不需要再添置相位反馈光源，补偿
精度高。

[0033] 所述偏振合束器8，用于将所述参考光与所述信号光合束，完成脉冲调制。由激光器的器件特性可知，通过注入锁定的方式激光器可带来至少25dB的偏振隔离度，PBS至少具
有30dB的偏振隔离度，因此本申请可达到55dB的偏振隔离度，而现有技术只有30dB的偏振
隔离度，因此本申请比现有技术的偏振隔离度高。

[0034] 所述光调模块7的一种具体结构可参阅图4所示的示意图，所述光调模块7包括依次连接的第一强度调制器701、相位调制器702和第二强度调制器703；所述第一强度调制器
701与所述相位调制器702均采用高频调制器，所述第二强度调制器703采用低频调制器；所
述第一强度调制器701，用于将信号光的每位信息中的一段连续的光脉冲调节至第一阈值
范围内得到量子光，将剩余的一段连续的光脉冲调节至第二阈值范围内得到反馈光，且所
1
述量子光的各个脉冲的强度随机，如图5所示的示意图，量子光若为10强度量级/脉冲，则
4
反馈光至少为10强度量级/脉冲以上，甚至所述第一强度调制器701和第二强度调制器703
8
均对反馈光不调节，从而反馈光相对于量子光至少具有10强度量级/脉冲的反差，因此本
申请的反馈光相对于量子光来说，则反馈光为强光，量子光为弱光，此外量子光与反馈光的
比例也可根据相位反馈结果实时调整，由于光的相位随外界环境的变化而变化，例如温度、
振动、光纤折射率等等的变化均会引起光的相位的变化，因此本申请可根据相位反馈结果
动态调整量子光与反馈光的比例，例如相位发生较大波动时，则控制量子光的比例较小一
些与反馈光的比例较大一些；若相位变化比较稳定时，则控制量子光的比例较大一些与反
馈光的比例较小一些，以获得更好的成码效果或者反馈效果，从而使得系统具有良好的适
用性。

[0035] 所述相位调制器702，用于将量子光的脉冲之间的相位调节为随机，将反馈光的每个脉冲的相位调节为0、π/2、π、3π/2的一种；优选地，所述相位调制器702，用于将量子光的
脉冲之间的相位调节为随机，即反馈光的第一个脉冲的相位调节为0，反馈光的第二个脉冲
的相位调节为π/2，反馈光的第三个脉冲的相位调节为π，反馈光的第四个脉冲的相位调节
为3π/2，反馈光的第五个脉冲的相位调节为0，以此类推，反馈光的脉冲相位周期性调节的
方式简单易操作、相位补偿精度高，相位补偿效果好。

[0036] 所述第二强度调制器703，用于将量子光调节至单光子强度。由于本申请的信号光的每位信息中均包含一段量子光与一段反馈光，因此相比现有技术中信号光中只含有量子
光而言，信号光的每位信息中含有的量子光加上反馈光和现有技术中每位信息中含有的量
子光数量相同，因此本申请的量子光或者反馈光相对于现有技术而言每位信息中含有的数
量少，从而调制的频率低，对器件的要求低。此外由于量子光通常为单光子强度，因此这就
意味着绝大多数的量子光不会被探测到，通常平均一千个脉冲中只有一个能被探测到，因
此本申请编入一部分反馈光，并不会对量子光探测效率产生较大影响，通常量子光与反馈
光的比例为9:1左右，因此本申请可在几乎不降低量子光探测效率的前提下在信号光中编
入反馈光。

[0037] 一种用于CV‑QKD的脉冲调制的方法，该方法应用于上述的任意一项用于CV‑QKD的脉冲调制装置，具体步骤为：分束第一脉冲激光器输出的脉冲光，得到第一光脉冲和第二光
脉冲；将所述第一光脉冲注入至所述第二脉冲激光器，生成参考光；将所述第二光脉冲注入
至所述第三脉冲激光器，用于生成信号光；调节信号光的强度和相位，使得信号光的每位信
息中包含一定比例的量子光和反馈光，量子光为弱光并用于量子密钥分发，反馈光为强光
并用于相位反馈；将所述参考光与所述信号光合束，完成脉冲调制。

[0038] 优选地所述调节信号光的强度和相位，使得信号光的每位信息中包含一定比例的量子光和反馈光，量子光为弱光并用于量子密钥分发，反馈光为强光并用于相位反馈包括：

[0039] 将信号光的每位信息中的一段连续的光脉冲调节至第一阈值范围内得到量子光，将剩余的一段连续的光脉冲调节至第二阈值范围内得到反馈光，且所述量子光的各个脉冲
的强度随机；

[0040] 将量子光的脉冲之间的相位调节为随机，将反馈光的第一个脉冲的相位调节为0，反馈光的第二个脉冲的相位调节为π/2，反馈光的第三个脉冲的相位调节为π，反馈光的第
四个脉冲的相位调节为3π/2，反馈光的第五个脉冲的相位调节为0，以此类推将反馈光中的
脉冲相位依次按照0、π/2、π、3π/2周期进行调节；量子光为弱光并用于量子密钥分发，反馈
光为强光并用于相位反馈。

[0041] 优选地，根据相位反馈结果调整信号光的每位信息中的量子光和反馈光的比例。

[0042] 一种量子密钥发射机，包括上述任意一项所述的用于CV‑QKD的脉冲调制装置。

[0043] 一种CV‑QKD系统，包括发射机和接收机，其具体结构如图6所示，该CV‑QKD系统中的所述接收机采用上述的量子密钥发射机，接收机通过测量该反馈光产生反馈信号，并将
该反馈信号传输至发射机，发射机根据该反馈信号控制光调模块7，以到达根据反馈信号调
节信号光的强度和相位的目的。

[0044] 以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，
可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请
的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。