專利名稱：一種自平衡等比分束方法及量子真隨機碼發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)和保密通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及自平衡等比分束方法和光學(xué)器件、量子器件及量子真隨機碼產(chǎn)生裝置。
背景技術(shù)：
隨機數(shù)可分為偽隨機數(shù)和真隨機數(shù)兩種。據(jù)法國馬森出版社1992年出版的《現(xiàn)代密碼學(xué)》(Cryptologie Contemporaine，Masson，1992.)介紹，偽隨機數(shù)是利用復(fù)雜的算法或者算法組合來產(chǎn)生的隨機數(shù)，但是，算法總是有規(guī)律的，只要知道該規(guī)律，偽隨機數(shù)原則上是可以預(yù)測的，因此也就不是真正意義上的隨機數(shù)。
真隨機數(shù)可以通過測量某些物理量的隨機性轉(zhuǎn)換而得，這種隨機數(shù)的隨機性取決于被測量物理過程的隨機性，其在保密通信等領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)比偽隨機數(shù)要好。用來產(chǎn)生真隨機數(shù)的物理過程通常有核衰變過程、電噪聲、光輻射等物理過程?！督y(tǒng)計數(shù)學(xué)學(xué)會年報(東京)》(Ann.Inst.Stat.Math.Tokyo 8，119(1956))介紹了一種利用核衰變過程來產(chǎn)生隨機數(shù)的方法，由于其必須使用放射性材料的裝置，不僅管理困難，設(shè)備復(fù)雜，造價高，而且使用不方便，具有危險性。
近年來，利用量子力學(xué)的基本原理實現(xiàn)的量子隨機碼發(fā)生裝置，不僅安全而且原理清楚、易操作，又不受帶寬的限制。美國《科學(xué)儀器評論》(Rev.Sci.Instr.Vol.71(2000)1675-1680)介紹了這樣一種裝置，其原理是讓單個光子通過1∶1分束器，根據(jù)量子隨機性原理，光子將隨機選擇兩條可能的路徑之一離開分束器；用兩個探測器分別檢測光子選擇的路徑，根據(jù)檢測到的光子實際路徑觸發(fā)后續(xù)電路產(chǎn)生0、1組成的真隨機碼。這種裝置受到分束器的分束比、兩個探測器的量子效率和老化性能不一致等因素的影響。由于工藝限制，實際很難將分束器的分束比嚴(yán)格做到1∶1；探測器的性能也不可能完全一致，即使可以通過其他手段將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到平衡狀態(tài)，但是隨著時間的推移，由于器件的老化性能不一致、光路的污染等都會造成系統(tǒng)的再次失衡，從而使得裝置輸出的隨機碼中的0和1的比例不均勻，影響隨機數(shù)的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種自平衡等比分束方法及裝置，用來自動保證分束比嚴(yán)格滿足1∶1的比例，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)造一種單探頭量子真隨機碼發(fā)生裝置，用來產(chǎn)生0、1比例均勻的隨機碼。
本發(fā)明的自平衡等比分束方法，將入射光分束為反射光和透射光，其特征在于對該反射光和透射光作不等量延時并分別反射后從原路返回。
所述的反射可以是直接反射或等效反射；所述的透射可以是直接透射或等效透射。
本發(fā)明的自平衡等比分束裝置，由分束器、光學(xué)延時器和反射裝置組成，入射光從分束器任意一個端口輸入，分束后在分束器另外一側(cè)的兩個端口出射反射光和透射光；其特征在于在所述反射光或透射光的光路上放置光學(xué)延時器，或者在所述反射光和透射光的光路上同時放置光學(xué)延時器，調(diào)節(jié)光學(xué)延時器使該反射光和透射光形成光程差，經(jīng)放置在反射光路和透射光路末端的反射裝置反射后從原路返回，經(jīng)所述分束器入射光一例的另一個端口輸出。
所述的分束器可以是50∶50(或稱3dB)偏振無關(guān)的光纖分束器，或由分立元件組成的50∶50(或稱3dB)偏振無關(guān)的分束器；入射光是偏振光或非偏振光；所述的反射裝置包括反射鏡或法拉第反射鏡或分束器與空氣、真空的界面或在分束器與空氣、真空的界面鍍反射層；所述的分束器還可以是偏振光纖分束器或由分立元件組成的偏振分束器；此時，入射光是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光；所述的反射裝置包括反射鏡或法拉第反射鏡或分束器與空氣、真空的界面或在分束器與空氣、真空的界面鍍反射層；其中當(dāng)入射光為線偏振光時，其偏振方向與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。
本發(fā)明的量子真隨機碼發(fā)生裝置，將時鐘電路的輸出分別接單光子源的輸入和數(shù)據(jù)處理電路的時鐘輸入，單光子探測器的輸出與數(shù)據(jù)處理電路的數(shù)據(jù)輸入相連，其特征在于所述單光子源的輸出接自平衡等比分束裝置的輸入，自平衡等比分束裝置的輸出接單光子探測器的輸入；所述自平衡等比分束裝置由分束器、光學(xué)延時器和反射裝置組成入射光從分束器的任一端口輸入，分束后分別從分束器另外一側(cè)的兩個端口出射反射光和透射光，在該反射光或透射光的光路上放置光學(xué)延時器，或者在該反射光和透射光的光路上同時放置光學(xué)延時器，調(diào)節(jié)光學(xué)延時器使反射光和透射光形成光程差，經(jīng)放置在反射光路和透射光路末端的反射裝置反射后從原路返回，經(jīng)所述分束器入射光一側(cè)的另一個端口輸出。
與現(xiàn)有方法相比較，本發(fā)明的自平衡等比分束方法采取了對透射光和反射光作相對不等量延時后分別反射回來，再次經(jīng)過分束器后串行輸出的措施。如果輸出的是反射光，則輸出光共經(jīng)過分束器兩次，第一次為反射，第二次為透射，輸出的概率為(反射率×透射率)；如果輸出的是透射光，則輸出光也經(jīng)過分束器兩次，第一次為透射，第二次為反射，輸出的概率為(透射率×反射率)。由以上分析可知，兩者的輸出概率完全相等，即分束比嚴(yán)格滿足1∶1的比例，這樣就自動保證了輸出脈沖的分束比嚴(yán)格滿足1∶1的比例，克服了現(xiàn)有分束方法的分束比隨分束器的改變而變化的問題。
與現(xiàn)有分束裝置相比較，本發(fā)明的自平衡等比分束裝置在入射光分束后出射的反射光或/和透射光的光路上放置光學(xué)延時器，調(diào)節(jié)光學(xué)延時器使反射光和透射光形成光程差，經(jīng)放置在反射光路和透射光路末端的反射裝置反射后從原路返回，從而使經(jīng)分束器入射光一側(cè)的另一個端口輸出的反射光和透射光在時間上分開而且都經(jīng)過分束器兩次，其中反射光先反射后透射，透射光先透射后反射，因此兩者的輸出概率完全相等，即分束比嚴(yán)格滿足1∶1的比例，且不受元件老化、環(huán)境污染等與時間相關(guān)的各種因素的影響，克服了現(xiàn)有裝置由于采用直接分束方法而引起的分束比不能嚴(yán)格滿足1∶1比例的問題。
本發(fā)明的量子真隨機碼發(fā)生裝置與現(xiàn)有隨機碼發(fā)生裝置相比較，本發(fā)明裝置采用上述自平衡等比分束裝置將入射光分束為時間上分開的兩路光，利用單光子探測器在這兩個時間段分別進(jìn)行探測，根據(jù)探測的結(jié)果產(chǎn)生隨機碼0或1，如果前一個時間段有探測信號而后一個時間段沒有，則輸出隨機碼0，如果后一個時間段有探測信號而前一個時間段沒有，則輸出隨機碼1。因為上述自平衡等比分束裝置輸出光的分束比嚴(yán)格滿足1∶1比例，因而生成的隨機碼中0和1的比例也是嚴(yán)格的1∶1的比例，克服了現(xiàn)有裝置產(chǎn)生的隨機碼0、1比例不均勻而且隨時間變化的問題。


圖1是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第一個實施例的示意圖；圖2是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第二個實施例的示意圖；圖3是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第三個實施例的示意圖；圖4是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第四個實施例的示意圖；圖5是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第五個實施例的示意圖；圖6是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第六個實施例的示意圖；圖7是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第七個實施例的示意圖；圖8是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第八個實施例的示意圖；圖9是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第九個實施例的示意圖；圖10是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十個實施例的示意圖；圖11是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十一個實施例的示意圖；圖12是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十二個實施例的示意圖；圖13是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十三個實施例的示意圖；圖14是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十四個實施例的示意圖；圖15是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十五個實施例的示意圖；圖16是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十六個實施例的示意圖；圖17是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十七個實施例的示意圖；圖18是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十八個實施例的示意圖；圖19是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第十九個實施例的示意圖；圖20是本發(fā)明自平衡等比分束裝置第二十個實施例的示意圖。
圖21是本發(fā)明單探頭量子真隨機碼發(fā)生裝置的原理示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖具體說明本發(fā)明技術(shù)方案的實施方式。
實施例1光纖分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50光纖分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖1給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖光纖分束器(1)的兩個端口(1b)和(1c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(1c)上放置光學(xué)延時器(4)。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從光纖分束器(1)的端口(1a)輸入從端口(1d)輸出，也可以從光纖分束器(1)的端口(1d)輸入從端口(1a)輸出。輸入的光子按照由分束比確定的反射率、透射率被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(1b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(1)；透射光通過端口(1c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(1)。端口(1c)上放置的光學(xué)延時器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(1d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
如果端口(1d)接收的是反射光，則輸出光共經(jīng)過分束器兩次，第一次為反射，第二次為透射，輸出的概率為(反射率×透射率)；如果端口(1d)接收的是透射光，則輸出光也經(jīng)過分束器兩次，第一次為透射，第二次為反射，輸出的概率為(透射率×反射率)。由以上分析可知，兩者的輸出概率完全相等，即分束比嚴(yán)格滿足1∶1的比例，這樣就實現(xiàn)了自平衡等比分束。
實施例2光纖分束器和法拉第反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50光纖分束器和法拉第反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖2給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖光纖分束器(1)的兩個端口(1b)和(1c)的末端分別放置法拉第反射鏡(7)和(8)，端口(1c)上放置光學(xué)延時器(4)。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從光纖分束器(1)的端口(1a)輸入從端口(1d)輸出，也可以從光纖分束器(1)的端口(1d)輸入從端口(1a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(1b)傳播，被法拉第反射鏡(7)反射后原路返回，再次通過分束器(1)；透射光通過端口(1c)傳播，被法拉第反射鏡(8)反射后原路返回，再次通過分束器(1)。端口(1c)上放置的光學(xué)延時器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(1d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例3光纖分束器利用光纖端面反射組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50光纖分束器并利用光纖端面反射組成自平衡等比分束裝置，圖3給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖光纖分束器(1)的端口(1c)上放置光學(xué)延時器(4)。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從光纖分束器(1)的端口(1a)輸入從端口(1d)輸出，也可以從光纖分束器(1)的端口(1d)輸入從端口(1a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(1b)傳播，被端口(1b)的光纖端面反射后原路返回，再次通過分束器(1)；透射光通過端口(1c)傳播，被端口(1c)的光纖端面反射后原路返回，再次通過分束器(1)。端口(1c)上放置的光學(xué)延時器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(1d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例4光纖分束器利用光纖端面鍍反射層反射組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50光纖分束器并利用光纖端面鍍反射層反射組成自平衡等比分束裝置，圖4給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖光纖分束器(1)的兩個端口(1b)和(1c)的光纖端面分別鍍有反射層(5)和(6)，端口(1c)上放置光學(xué)延時器(4)。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從光纖分束器(1)的端口(1a)輸入從端口(1d)輸出，也可以從光纖分束器(1)的端口(1d)輸入從端口(1a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(1b)傳播，被反射層(5)反射后原路返回，再次通過分束器(1)；透射光通過端口(1c)傳播，被反射層(6)反射后原路返回，再次通過分束器(1)。端口(1c)上放置的光學(xué)延時器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(1d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例5光纖分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50光纖分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖5給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖光纖分束器(1)的兩個端口(1b)和(1c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(1b)上放置光學(xué)延時器(4)。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從光纖分束器(1)的端口(1a)輸入從端口(1d)輸出，也可以從光纖分束器(1)的端口(1d)輸入從端口(1a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(1b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(1)；透射光通過端口(1c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(1)。端口(1b)上放置的光學(xué)延時器(4)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(1d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例6光纖分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50光纖分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖6給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖光纖分束器(1)的兩個端口(1b)和(1c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(1b)和(1c)上均放置光學(xué)延時器(4)，但兩者延時量不等。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從光纖分束器(1)的端口(1a)輸入從端口(1d)輸出，也可以從光纖分束器(1)的端口(1d)輸入從端口(1a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(1b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(1)；透射光通過端口(1c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(1)。端口(1b)和(1c)上放置的不等量光學(xué)延時器使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(1d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例7分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖7給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖分束器(9)的兩個端口(9b)和(9c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(9c)上放置光學(xué)延時器(10)。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從分束器(9)的端口(9a)輸入從端口(9d)輸出，也可以從分束器(9)的端口(9d)輸入從端口(9a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(9b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(9)；透射光通過端口(9c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(9)。端口(9c)上放置的光學(xué)延時器(10)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(9d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例8分束器和法拉第反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50分束器和法拉第反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖8給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖分束器(9)的兩個端口(9b)和(9c)的末端分別放置法拉第反射鏡(7)和(8)，端口(9c)上放置光學(xué)延時器(10)。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從分束器(9)的端口(9a)輸入從端口(9d)輸出，也可以從分束器(9)的端口(9d)輸入從端口(9a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(9b)傳播，被法拉第反射鏡(7)反射后原路返回，再次通過分束器(9)；透射光通過端口(9c)傳播，被法拉第反射鏡(8)反射后原路返回，再次通過分束器(9)。端口(9c)上放置的光學(xué)延時器(10)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(9d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例9分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖9給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖分束器(9)的兩個端口(9b)和(9c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(9b)上放置光學(xué)延時器(10)。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從分束器(9)的端口(9a)輸入從端口(9d)輸出，也可以從分束器(9)的端口(9d)輸入從端口(9a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(9b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(9)；透射光通過端口(9c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(9)。端口(9b)上放置的光學(xué)延時器(10)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(9d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例10分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振無關(guān)的50∶50分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖10給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖分束器(9)的兩個端口(9b)和(9c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(9b)和(9c)上均放置光學(xué)延時器(10)，但兩者延時量不等。
使用本裝置時，入射光可以是偏振光，也可以是非偏振光。入射光可以從分束器(9)的端口(9a)輸入從端口(9d)輸出，也可以從分束器(9)的端口(9d)輸入從端口(9a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(9b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(9)；透射光通過端口(9c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(9)。端口(9b)和(9c)上放置的不等量光學(xué)延時器使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(9d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例11偏振光纖分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振光纖分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖11給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振光纖分束器(11)的兩個端口(11b)和(11c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(11c)上放置光學(xué)延時器(12)。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11a)輸入從端口(11d)輸出，也可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11d)輸入從端口(11a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(11b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(11)；透射光通過端口(11c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(11)。端口(11c)上放置的光學(xué)延時器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(11d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例12偏振光纖分束器和法拉第反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振光纖分束器和法拉第反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖12給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振光纖分束器(11)的兩個端口(11b)和(11c)的末端分別放置法拉第反射鏡(7)和(8)，端口(11c)上放置光學(xué)延時器(12)。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11a)輸入從端口(11d)輸出，也可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11d)輸入從端口(11a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(11b)傳播，被法拉第反射鏡(7)反射后原路返回，再次通過分束器(11)；透射光通過端口(11c)傳播，被法拉第反射鏡(8)反射后原路返回，再次通過分束器(11)。端口(11c)上放置的光學(xué)延時器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(11d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例13偏振光纖分束器利用光纖端面反射組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振光纖分束器并利用光纖端面反射組成自平衡等比分束裝置，圖13給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振光纖分束器(11)的端口(11c)上放置光學(xué)延時器(12)。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11a)輸入從端口(11d)輸出，也可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11d)輸入從端口(11a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(11b)傳播，被端口(11b)的光纖端面反射后原路返回，再次通過分束器(11)；透射光通過端口(11c)傳播，被端口(11c)的光纖端面反射后原路返回，再次通過分束器(11)。端口(11c)上放置的光學(xué)延時器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(11d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例14偏振光纖分束器利用光纖端面鍍反射層反射組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振光纖分束器并利用光纖端面鍍反射層反射組成自平衡等比分束裝置，圖14給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振光纖分束器(11)的端口(11b)和(11c)的光纖端面分別鍍反射層(5)和(6)，端口(11c)上放置光學(xué)延時器(12)。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11a)輸入從端口(11d)輸出，也可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11d)輸入從端口(11a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(11b)傳播，被反射層(5)反射后原路返回，再次通過分束器(11)；透射光通過端口(11c)傳播，被反射層(6)反射后原路返回，再次通過分束器(11)。端口(11c)上放置的光學(xué)延時器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(11d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例15偏振光纖分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振光纖分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖15給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振光纖分束器(11)的兩個端口(11b)和(11c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(11b)上放置光學(xué)延時器(12)。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11a)輸入從端口(11d)輸出，也可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11d)輸入從端口(11a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(11b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(11)；透射光通過端口(11c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(11)。端口(11b)上放置的光學(xué)延時器(12)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(11d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例16偏振光纖分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振光纖分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖16給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振光纖分束器(11)的兩個端口(11b)和(11c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(11b)和(11c)上均放置光學(xué)延時器(12)，但兩者延時量不相等。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11a)輸入從端口(11d)輸出，也可以從偏振光纖分束器(11)的端口(11d)輸入從端口(11a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(11b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(11)；透射光通過端口(11c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(11)。端口(11b)和(11c)上的不等量光學(xué)延時器使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(11d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例17偏振分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖17給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振分束器(13)的兩個端口(13b)和(13c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(13c)上放置光學(xué)延時器(14)。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振分束器(13)的端口(13a)輸入從端口(13d)輸出，也可以從偏振分束器(13)的端口(13d)輸入從端口(13a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(13b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(13)；透射光通過端口(13c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(13)。端口(13c)上放置的光學(xué)延時器(14)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(13d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例18偏振分束器和法拉第反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振分束器和法拉第反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖17給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振分束器(13)的兩個端口(13b)和(13c)的末端分別放置法拉第反射鏡(7)和(8)，端口(13c)上放置光學(xué)延時器(14)。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振分束器(13)的端口(13a)輸入從端口(13d)輸出，也可以從偏振分束器(13)的端口(13d)輸入從端口(13a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(13b)傳播，被法拉第反射鏡(7)反射后原路返回，再次通過分束器(13)；透射光通過端口(13c)傳播，被法拉第反射鏡(8)反射后原路返回，再次通過分束器(13)。端口(13c)上放置的光學(xué)延時器(14)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(13d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例19偏振分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖19給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振分束器(13)的兩個端口(13b)和(13c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(13b)上放置光學(xué)延時器(14)。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振分束器(13)的端口(13a)輸入從端口(13d)輸出，也可以從偏振分束器(13)的端口(13d)輸入從端口(13a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(13b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(13)；透射光通過端口(13c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(13)。端口(13b)上放置的光學(xué)延時器(14)使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(13d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例20偏振分束器和反射鏡組成的自平衡等比分束裝置本實施例中采用偏振分束器和反射鏡組成自平衡等比分束裝置，圖20給出了本實施例的自平衡等比分束裝置的示意圖偏振分束器(13)的兩個端口(13b)和(13c)的末端分別放置反射鏡(2)和(3)，端口(13b)和(13c)上均放置光學(xué)延時器(14)，但兩者延時量不相等。
使用本裝置時，入射光必須是自然偏振光、圓偏振光或線偏振光，其中當(dāng)入射為線偏振光時，其偏振方向必須與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。入射光可以從偏振分束器(13)的端口(13a)輸入從端口(13d)輸出，也可以從偏振分束器(13)的端口(13d)輸入從端口(13a)輸出。入射光被分束為反射光和透射光，反射光通過端口(13b)傳播，被反射鏡(2)反射后原路返回，再次通過分束器(13)；透射光通過端口(13c)傳播，被反射鏡(3)反射后原路返回，再次通過分束器(13)。端口(13b)和(13c)上的不等量光學(xué)延時器使得反射光和透射光存在光程差，因此從端口(13d)輸出的反射光和透射光在時間上是分開的。
實施例21單探頭量子真隨機碼發(fā)生裝置的示意圖本實施例以自平衡等比分束裝置為基礎(chǔ)構(gòu)造一種量子真隨機碼發(fā)生裝置，圖21給出了本實施例的單探頭量子真隨機碼發(fā)生裝置的原理示意圖時鐘電路(15)的輸出分別接單光子源(16)的輸入和數(shù)據(jù)處理電路(19)的時鐘輸入，單光子源(16)的輸出接自平衡等比分束裝置(17)的輸入，自平衡等比分束裝置(17)的輸出接單光子探測器(18)的輸入，單光子探測器(18)的輸出接數(shù)據(jù)處理電路(19)的數(shù)據(jù)輸入。其中自平衡等比分束裝置(17)可以是上述實施例1～實施例20中的任意一種。
使用本裝置時，時鐘電路(15)產(chǎn)生三路時鐘信號，其中一路時鐘控制單光子源(16)產(chǎn)生單光子，另外兩路時鐘接數(shù)據(jù)處理電路(19)的時鐘輸入端。單光子源(16)輸出的光經(jīng)自平衡等比分束裝置(17)分束為時間上分開的兩路光送到單光子探測器(18)進(jìn)行探測，數(shù)據(jù)處理電路(19)監(jiān)測光子探測器(18)的輸出，并根據(jù)接收到的時鐘信號來確定輸出。如果兩個時間段都有探測信號或者都沒有探測信號，則輸出被禁止；如果僅在一個時間段有探測信號，則允許輸出，根據(jù)事先的約定輸出隨機碼0或1并產(chǎn)生輸出時鐘信號。本實施例中，如果前一個時間段有探測信號而后一個時間段沒有，則輸出0，如果后一個時間段有探測信號而前一個時間段沒有，則輸出1。數(shù)據(jù)處理電路(19)產(chǎn)生的隨機碼以及輸出時鐘信號通過ISA/PCI卡(20)送給計算機(21)進(jìn)行后續(xù)處理。
本裝置既可以封裝在標(biāo)準(zhǔn)的計算機ISA/PCI卡上，也可以作為單獨的電路模塊使用。
權(quán)利要求
1.一種自平衡等比分束方法，將入射光分束為反射光和透射光，其特征在于對該反射光和透射光作不等量延時并分別反射后從原路返回。
2.一種自平衡等比分束裝置，由分束器、光學(xué)延時器和反射裝置組成，從分束器任一端口輸入的入射光分束后在分束器另外一側(cè)的兩個端口出射反射光和透射光；其特征在于在所述反射光或/和透射光的光路上放置光學(xué)延時器，調(diào)節(jié)光學(xué)延時器使該反射光和透射光形成光程差，經(jīng)放置在反射光路和透射光路末端的反射裝置反射后從原路返回，經(jīng)所述分束器入射光一側(cè)的另一個端口輸出。
3.如權(quán)利要求1或2所述的自平衡等比分束方法或裝置，特征在于所述的反射為直接反射或等效反射；所述的透射為直接透射或等效透射。
4.如權(quán)利要求1或2所述的自平衡等比分束方法或裝置，特征在于所述的分束器是50∶50偏振無關(guān)的光纖分束器，或由分立元件組成的50∶50偏振無關(guān)的分束器；入射光為偏振光或非偏振光；所述的反射裝置包括反射鏡或法拉第反射鏡或分束器與空氣、真空的界面或在分束器與空氣、真空的界面鍍反射層。
5.如權(quán)利要求1或2所述的自平衡等比分束方法或裝置，特征在于所述的分束器為偏振光纖分束器或由分立元件組成的偏振分束器；入射光為自然偏振光、圓偏振光或線偏振光；所述的反射裝置包括反射鏡或法拉第反射鏡或分束器與空氣、真空的界面或在分束器與空氣、真空的界面鍍反射層。
6.如權(quán)利要求5所述的自平衡等比分束方法或裝置，特征在于當(dāng)入射光為線偏振光時，其偏振方向與偏振分束器的偏振方向成45度夾角。
7.一種量子真隨機碼發(fā)生裝置，將時鐘電路的輸出分別接單光子源的輸入和數(shù)據(jù)處理電路的時鐘輸入，單光子探測器的輸出與數(shù)據(jù)處理電路的數(shù)據(jù)輸入相連，其特征在于所述單光子源的輸出接自平衡等比分束裝置的輸入，自平衡等比分束裝置的輸出接單光子探測器的輸入；所述自平衡等比分束裝置由分束器、光學(xué)延時器和反射裝置組成在分束器的一個端口輸入的入射光分束后從另外一側(cè)的兩個端口出射的反射光或/和透射光的光路上放置光學(xué)延時器，調(diào)節(jié)光學(xué)延時器使反射光和透射光形成光程差，經(jīng)放置在反射光路和透射光路末端的反射裝置反射后從原路返回，經(jīng)所述分束器入射光一側(cè)的另一個端口輸出。
全文摘要
本發(fā)明的自平衡等比分束方法及裝置并由此構(gòu)造的單探頭量子真隨機碼發(fā)生裝置，特征是將時鐘電路的輸出分別接單光子源的輸入和數(shù)據(jù)處理電路的時鐘輸入，單光子探測器的輸出與數(shù)據(jù)處理電路的數(shù)據(jù)輸入相連，單光子源的輸出接自平衡等比分束裝置的輸入，自平衡等比分束裝置的輸出接單光子探測器的輸入；在入射光分束后出射的反射光或/和透射光的光路上放置光學(xué)延時器，調(diào)節(jié)光學(xué)延時器使反射光和透射光形成光程差，經(jīng)放置在反射光路和透射光路末端的反射裝置反射后從原路返回，經(jīng)所述分束器入射光一側(cè)的另一個端口輸出；本發(fā)明的自平衡等比分束方法及裝置可保證分束比滿足1∶1；本發(fā)明的單探頭量子真隨機碼發(fā)生裝置可產(chǎn)生0、1比例均勻的隨機碼。
文檔編號G02B27/10GK1707309SQ200510040259
公開日2005年12月14日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者韓正甫, 吳青林, 莫小范, 郭光燦 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)