技术领域
[0001] 本发明属于量子保密通信技术领域，尤其涉及一种连续变量量子密钥分发芯片系统接收端高性能探测方法与装置。
相关背景技术
[0002] 以量子密钥分发(QKD)为代表的量子保密通信技术是量子信息时代网络安全防护的核心，对确保密码安全底线、增强网络空间安全防御能力有重大作用和意义。QKD技术主要有连续变量和离散变量两条技术途径。其中，连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key Distribution，CV‑QKD)采用量子光场的正则分量作为密钥信息的载体，器件与经典相干光通信通用，中短距离传输条件下成码率，非常适用于量子城域网、接入网应用。
[0003] 为实现大规模部署应用，迫切要求CV‑QKD系统具备低成本、高集成度、高稳定性属性，光子芯片集成技术是解决上述问题的重要技术手段。在CV‑QKD系统中，提升本振光功率可以有效提升光放大能力，进而提高量子信号的探测能力。因此在以高性能为代表的本地本振CV‑QKD系统中，为实现足够的光放大，通常要求接收端本振激光器的输出光功率在10mW以上，经过相干探测后到达光电探测器(PD)的功率约为2.5mW以上，有时候为了实现更高的光放大能力，要求本振激光器输出光功率更高。但是，随着PD接收到的光强的增加，探测器响应将不再保持线性，这将直接导致CV‑QKD系统的过噪声增加，严重影响系统的性能。
[0004] 对于基于分立器件的本地本振CV‑QKD系统，其PD探测性能较好，线性工作区间基本能够满足本地本振CV‑QKD使用场景需求。而对于芯片CV‑QKD系统，芯片加工制造厂商提供的片上探测器(如锗硅探测器)库器件，到达PD的光功率在2mW以上将不再保持线性，难以满足CV‑QKD系统使用要求。常规的解决手段是优化芯片上PD的性能，以实现更高的线性饱和功率，但是这种方法一方面对器件优化设计和工艺加工难度的要求变高，成本和时间周期变高；另一方面，要实现更高的线性饱和功率一般意味着器件带宽降低和暗电流增加，同样会降低CV‑QKD接收端的量子探测性能。
[0005] 因此，如何提升接收端量子探测性能是提升CV‑QKD芯片系统性能的核心技术问题。
具体实施方式
[0033] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0034] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0035] 另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
[0036] 实施例1
[0037] 参考图1所示，图中示出了一种连续变量量子密钥分发芯片系统接收端探测装置，所述连续变量量子密钥分发芯片系统接收端探测装置包括：
[0038] 耦合模块1，用于将光纤信道输出的信号光耦合至CV‑QKD接收端芯片。
[0039] 本振光源模块，输出本振光信号至芯片耦合模块2。
[0040] 耦合模块2，用于将本振光源模块输出的本振光耦合至CV‑QKD接收端芯片。
[0041] 分光模块1，将芯片内信号光分为两路，分别与本振光源分出的两路光信号混频相干。
[0042] 分光模块2，将芯片内本振光分为两路，分别与信号光分出的两路光信号混频相干。
[0043] 混频模块1：用于将分束后的其中一路本振光与分束后的其中一路信号光进行相干耦合。
[0044] 混频模块2：用于将分束后的另一路本振光与分束后的另一路信号光进行相干耦合。
[0045] 光电探测模块1，将混频模块1耦合输出的其中一路光信号转换为电信号。
[0046] 光电探测模块2，将混频模块1耦合输出的另一路光信号转换为电信号，并通过加载与光电探测模块1的相反偏压，实现输出电信号与光电探测模块1相反。
[0047] 光电探测模块3，将混频模块2耦合输出的其中一路光信号转换为电信号。
[0048] 光电探测模块4，将混频模块2耦合输出的另一路光信号转换为电信号，并通过加载与光电探测模块3的相反偏压，实现输出电信号与光电探测模块3相反。
[0049] 电输出模块，将光电探测模块1、光电探测模块2、光电探测模块3、光电探测模块4输出的电信号耦合相加，并输出到芯片外部的放大电路模块。
[0050] 放大电路模块，实现光电流信号转换为电压信号，并将微弱信号放大输出给信号采集模块。
[0051] 信号采集模块，实现电压信号的观测采样。
[0052] 进一步的，所述耦合模块可以是端面耦合或光栅耦合方式。
[0053] 进一步的，所述本振光源模块，可以是在芯片外部通过耦合输入芯片，也可以是通过异构、异质等集成在芯片内部。
[0054] 进一步的，所述分光模块分束比可以是50：50、10：90、30：70和其它任意比值，也可以是分束比可变的分光模块。
[0055] 进一步的，所述混频模块接收到的信号光和本振光的分束占比要相同，这样才能达到最佳信号强度。
[0056] 进一步的，所述在同一混频模块下的两个光电探测模块，通过加载方向相反的偏压信号，以实现信号相减。
[0057] 进一步的，所述CV‑QKD芯片模块可以是硅光平台、磷化铟平台、氮化硅平台、铌酸锂平台等，或各类平台的混合集成。
[0058] 实施例2
[0059] 参考图2所示，图中示出了一种连续变量量子密钥分发芯片系统接收端探测装置，所述连续变量量子密钥分发芯片系统接收端探测装置包括：
[0060] 耦合模块1，用于将光纤信道输出的信号光耦合至CV‑QKD接收端芯片。
[0061] 本振光源模块，输出本振光信号至芯片耦合模块2。
[0062] 耦合模块2，用于将本振光源模块输出的本振光耦合至CV‑QKD接收端芯片。
[0063] 分光模块1，将芯片内信号光分为N路，分别与本振光源分出的N路光信号混频相干。
[0064] 分光模块2，将芯片内本振光分N路，分别与信号光分出的N路光信号混频相干。
[0065] N个混频模块，分别接收分光模块1和分光模块2输出的光信号，用于将分束后的其中一路本振光与分束后的其中一路信号光进行相干耦合。
[0066] 2N个光电探测模块，其中每两个光电探测模块为一组，分别与1个混频模块相连，其中，一个光电探测模块用于将相应混频模块耦合输出的其中一路光信号转换为电信号，另一个光电探测模块用于将相应混频模块耦合输出的另一路光信号转换为电信号，并通过加载与同组内另一光电探测模块相反的偏压，实现输出电信号与同组内另一光电探测模块相反。
[0067] 电输出模块，用于将各光电探测模块输出的电信号耦合相加，并输出到芯片外部的放大电路模块。
[0068] 放大电路模块，实现光电流信号转换为电压信号，并将微弱信号放大输出给信号采集模块。
[0069] 信号采集模块，实现电压信号的观测采样。
[0070] 进一步的，所述耦合模块可以是端面耦合或光栅耦合方式。
[0071] 进一步的，所述本振光源模块，可以是在芯片外部通过耦合输入芯片，也可以是通过异构、异质等集成在芯片内部。
[0072] 进一步的，所述分光模块分束比可以是50：50、10：90、30：70和其它任意比值，也可以是分束比可变的分光模块。
[0073] 进一步的，所述混频模块接收到的信号光和本振光的分束占比要相同，这样才能达到最佳信号强度。
[0074] 进一步的，所述在同一混频模块下的两个光电探测模块，通过加载方向相反的偏压信号，以实现信号相减。
[0075] 进一步的，所述分光模块、混频模块以及光电探测模块可以构成N路(N≥2)探测，以满足高线性饱和光强的量子信号探测。
[0076] 进一步的，所述CV‑QKD芯片模块可以是硅光平台、磷化铟平台、氮化硅平台、铌酸锂平台等，或各类平台的混合集成。
[0077] 本发明通过将本振光和信号光进行分束及多路探测，再电学耦合输出的方式，可有效降低芯片系统对光电探测器线性饱和功率的要求，进而提升系统性能。
[0078] 从而，有效解决现有CV‑QKD芯片系统因PD线性饱和功率低导致接收端量子探测性能低的问题，可有效降低芯片系统对PD线性饱和功率的要求，进而提升系统整体探测性能。相比于直接进行PD集成器件优化方法，本发明更简单，可实现性更高，且不会引入额外噪声和带宽损失，且所需时间成本和经济成本更低。
[0079] 实施例3
[0080] 在实施例1和实施例2的基础上，本实施例还公开了一种连续变量量子密钥分发芯片系统接收端高性能探测方法。
[0081] 通过采用前述的连续变量量子密钥分发芯片系统接收端探测装置完成连续变量量子密钥分发芯片系统接收端高性能探测。
[0082] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
