技術領域

本發明屬于量子保密通信類，具體涉及基于法拉第-薩格奈克環的單光子源及其實現方法。

背景技術

量子保密通信的出現是保密通信領域的一次革命，相較于傳統的基于算法復雜度的密鑰分發方法，量子保密通信的安全性是由物理學基本原理所決定的。“量子態不可克隆原理”保證了在量子信道傳輸的信息只能有唯一的腳本；與此同時，“海森堡測不準原理”使得任何第三方的攻擊與竊聽都會破壞原有的信息，收發兩端可以通過校驗誤碼率發現竊聽者的存在，確保傳輸信息的絕對安全。因此，與現行的保密通信方式相比，量子保密通信在應對未來可能出現的安全性攻擊方面將展現巨大的優勢，以其先天的保密特性在在國防、銀行、電子商務等領域發揮巨大的作用。

量子保密通信以單光子為載體傳輸信息，單光子源是量子保密通信系統的重要模塊。雖然實驗上已經可以產生真正意義上的單光子，如金剛石NV色心發光等，但該方法所需儀器復雜、體積龐大，短期內無法應用在量子保密通信的實用化過程中。由于理想的單光子源制備復雜，目前，人們大都利用弱相干光源作為單光子源，具體通過將半導體激光器所產生的激光脈沖衰減至單光子水平實現。弱相干光源具有體積小、結構簡單、脈沖重復頻率可調等優點。但是弱相干光不是嚴格的單光子源，其光子數符合泊松分布，如目前通用的平均光子數為0.1的弱相干光，多光子脈沖在非空脈沖中所占的比例大約是5%，多光子脈沖可能會被第三方通過光子數分離攻擊截獲密文而不被通信雙方發現，“誘騙態”的發明巧妙地解決了這個問題，使得這種光源可以應用在實際的量子保密通信中。

在量子保密通信系統中，為了保證更高的成碼效率與更遠的通信距離，要求單光子源具有窄脈沖寬度、窄光譜寬度、高消光比等特點。弱相干光源一般通過電脈沖信號對激光器進行直接調制獲得，由于激光器工作在高速調制模式，所獲得的輸出光光譜寬度遠大于連續模式的工作條件下。同時，該方法要求恒流源為激光器預置一定的偏置電流，然后將調制電流加載在激光器上，通過增益開關機制輸出光脈沖信號。如果激光器不施加偏置電流，在高調制速率下，僅靠調制調電流無法獲得相干激光輸出，這是因為目前的寬帶功率放大器驅動能力有限。偏置電流的施加意味著激光器在沒有調制電流時，仍有自發輻射光輸出，這會降低輸出脈沖的消光比，進而增大量子保密通信系統接收端單光子探測器的誤碼率，降低系統的成碼效率。另一方面，上述方案在保證一定消光比的情況下，要求所加載的偏置電流在激光器閾值電流之下。此時，激光器所發出的光有一部分為自發輻射光，由于自發輻射譜很寬，會增大輸出激光的光譜寬度，這在長距離量子保密通信系統中會帶來嚴重的色散問題，帶來偏振變化不一致等情況。

發明內容

本發明的目的是根據上述現有技術的不足，提供了基于法拉第-薩格奈克環的單光子源及其實現方法，該方法利用窄線寬激光器產生連續激光，通過調制薩格奈克環內一對相向傳輸的正交偏振光的相位獲得不同的相位差，由振動方向相互垂直的光波疊加原理，不同的相位差可以獲得不同輸出光偏振態，輸出端利用檢偏器的偏振選擇特性產生脈沖光。該方法所產生的單光子信號具有高消光比、窄光譜寬度和寬重復頻率調節范圍等優點。

本發明目的實現由以下技術方案完成：

一種基于法拉第-薩格奈克環的單光子源，其特征在于：所述單光子源的系統包括激光器、環形器、檢偏器，以及一由四端口光纖分束器、相位調制器以及法拉第旋轉鏡構成的法拉第-薩格奈克環，所述激光器輸出的連續光經所述環形器耦合進入所述四端口光纖分束器，所述四端口光纖分束器將所述連續光分為兩束幅度相等、相位相同的正交線偏振光，所述線偏振光沿所述法拉第-薩格奈克環相向傳輸并在不同時刻接受所述相位調制器的調制，經過調制的所述線偏振光在所述四端口光纖分束器內疊加后，經所述環形器耦合進入所述檢偏器。

所述連續光經由所述四端口光纖分束器分為兩束所述正交線偏振光，是通過將所述四端口光纖分束器的輸入端口的保偏尾纖慢軸與其內部的晶體S光成45°耦合。

所述激光器為處于連續輸出模式的窄線寬半導體激光器，所述激光器的尾纖采用保偏光纖耦合輸出并保證所述激光器輸出的連續光的偏振態與所述保偏光纖的慢軸之間成平行。

所述保偏光纖可為熊貓光纖、橢圓光纖、領結光纖以及其它具有快軸和慢軸偏振保持效果的保偏光纖。

一種涉及上述的基于法拉第-薩格奈克環的單光子源的實現方法，其特征在于：所述方法至少包括以下步驟：

將所述窄線寬半導體激光器設置為連續輸出模式使其輸出連續光；