本發(fā)明屬于集成光學(xué)、半導(dǎo)體光學(xué)和激光光學(xué)的交叉學(xué)科領(lǐng)域，具體是指一種將量子光源、非線性光學(xué)介質(zhì)、光學(xué)調(diào)控器件等各種組分集成到同一芯片上，利用路徑選擇光路等方式實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議靈活切換的量子通信芯片，尤其涉及一種基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

1、芯片集成光路具有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定、高度集成等優(yōu)點(diǎn)，特別適合作為傳統(tǒng)分立器件自由空間光路和全光纖光路的替代方案，構(gòu)建光通信系統(tǒng)、光計(jì)算系統(tǒng)、光學(xué)相控陣、微波光子信號(hào)處理系統(tǒng)等系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜、器件數(shù)量眾多的光學(xué)系統(tǒng)。特殊地，以絕緣體上硅為代表的芯片集成光路高度兼容于傳統(tǒng)集成電路工藝，這一特性使得構(gòu)建芯片級(jí)光電混合系統(tǒng)成為可能。芯片集成光電系統(tǒng)由一系列無源器件和有源器件組成：無源器件主要包括光電定向耦合器、光學(xué)分束器、偏振分束器、波分復(fù)用器等，有源器件主要包括光源、探測(cè)器、光學(xué)調(diào)制器、可調(diào)諧濾波器、可調(diào)諧衰減器等；無源器件主要涉及光場(chǎng)傳輸，有源器件則為光場(chǎng)控制提供外置接口。

2、量子通信芯片被認(rèn)為是下一代量子通信系統(tǒng)最有前景的元器件，一是因?yàn)榱孔油ㄐ畔到y(tǒng)使用大量的光學(xué)器件，器件之間的插入損耗將會(huì)嚴(yán)重降低(且不可再生)量子通信信號(hào)的輸出速率，二是因?yàn)榱孔油ㄐ畔到y(tǒng)對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性要求較高，系統(tǒng)調(diào)控所需電路控制要求也比其他光電系統(tǒng)高；三是量子通信系統(tǒng)存在多種協(xié)議，每一種協(xié)議使用的光學(xué)自由度不同，如果能夠通過芯片集成光路方式將多種量子通信協(xié)議集成到同一芯片上，將會(huì)大大提升量子通信系統(tǒng)在多種信道條件、多種用戶需求情況下的普適性。需要明確的是，量子通信系統(tǒng)的“芯片集成”只需將量子通信信號(hào)編譯光路放在芯片上，而“全芯片集成”則需解決量子光源、單光子探測(cè)器的芯片集成問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何實(shí)現(xiàn)小型化、集成化、板卡級(jí)量子通信通用系統(tǒng)。

2、針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明提出一種基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，將半導(dǎo)體激光器、非線性介質(zhì)、多種量子通信協(xié)議對(duì)應(yīng)的量子態(tài)編譯光路、多種量子通信協(xié)議對(duì)應(yīng)的量子態(tài)解譯光路、半導(dǎo)體基單光子探測(cè)器等各種光學(xué)器件集成到同一芯片平臺(tái)上并通過芯片集成電路驅(qū)動(dòng)，利用路徑選擇光路為用戶提供量子通信協(xié)議按需切換的收發(fā)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)小型化、集成化、板卡級(jí)量子通信通用系統(tǒng)。

3、為了達(dá)到上述效果，本發(fā)明提供的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，將半導(dǎo)體激光器、非線性介質(zhì)、多種量子通信協(xié)議對(duì)應(yīng)的量子態(tài)編譯光路裝置、多種量子通信協(xié)議對(duì)應(yīng)的量子態(tài)解譯光路裝置、半導(dǎo)體基單光子探測(cè)器集成到同一芯片平臺(tái)上并通過芯片集成電路驅(qū)動(dòng)，通過路徑選擇光路實(shí)現(xiàn)多種量子通信協(xié)議所對(duì)應(yīng)的編譯光路和解譯光路的自由切換，利用路徑選擇光路為用戶提供量子通信協(xié)議按需切換的收發(fā)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)量子通信通用系統(tǒng)。

4、優(yōu)選地，上述方法具體包括以下步驟：

5、s101、量子通信系統(tǒng)的全芯片集成，將半導(dǎo)體激光器、非線性介質(zhì)、多種量子通信協(xié)議對(duì)應(yīng)的量子態(tài)編譯光路裝置、多種量子通信協(xié)議對(duì)應(yīng)的量子態(tài)解譯光路裝置、半導(dǎo)體基單光子探測(cè)器集成到同一芯片平臺(tái)上；

6、s102、量子通信系統(tǒng)的功能復(fù)用，通過路徑選擇光路實(shí)現(xiàn)多種量子通信協(xié)議所對(duì)應(yīng)的編譯光路和解譯光路的自由切換；

7、s103、板卡級(jí)量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，根據(jù)信道狀態(tài)和通信需求為通信雙方選擇合理的量子通信協(xié)議，利用全芯片集成的小型化量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信雙方各種應(yīng)用需求。

8、優(yōu)選地，上述各種光學(xué)器件之間通過低損耗波導(dǎo)連接，光電混合集成芯片對(duì)外存在兩個(gè)接口，一是通過尾纖直接輸出的光學(xué)接口，二是通過芯片集成電路實(shí)現(xiàn)的可編程邏輯電路控制接口。

9、優(yōu)選地，上述s103各種應(yīng)用需求包括通信雙方安全通信、精準(zhǔn)授時(shí)以及非定域協(xié)同。

10、一種基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，包括通信發(fā)送方和接收方，具體包括：

11、s201、通過異質(zhì)結(jié)集成方式將激光器集成到芯片上，或通過半導(dǎo)體工藝制備微納激光器再通過倒裝焊工藝將其集成到芯片上；

12、s202、基于氮化硅微環(huán)腔中的自發(fā)四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生糾纏光子，或者利用微環(huán)腔可調(diào)諧特征衰減激光功率至單光子量級(jí)并觸發(fā)誘騙態(tài)編碼；

13、s203、通信發(fā)送方和接收方雙方根據(jù)信道條件和通信需求，選擇不同的通信協(xié)議；

14、s204、通過路徑選擇光路的量子通信信號(hào)，進(jìn)入到各協(xié)議對(duì)應(yīng)的編碼光路，通過芯片集成電極控制編碼光路完成量子通信信號(hào)的編譯；

15、s205、通過光學(xué)耦合波導(dǎo)輸出量子通信信號(hào)，基于光學(xué)封裝方式將光學(xué)耦合波導(dǎo)與光纖陣列封裝耦合；

16、s206、接收到的量子通信信號(hào)從不同協(xié)議的光學(xué)路徑中輸入，經(jīng)過不同協(xié)議的解譯光路進(jìn)行解譯后通過路徑選擇光路輸入到單光子探測(cè)器陣列中，通過單光子探測(cè)器探測(cè)并通過芯片集成電極導(dǎo)出探測(cè)結(jié)果完成通信信號(hào)接收功能；

17、s207、通過一體化集成封裝，對(duì)外保留芯片集成電路接口和光纖尾纖接口，實(shí)現(xiàn)多種量子通信協(xié)議的按需切換，滿足多種業(yè)務(wù)功能需求，實(shí)現(xiàn)功能閉環(huán)的、板卡級(jí)集成化的量子通信系統(tǒng)。

18、優(yōu)選地，上述s203信道條件相對(duì)較為穩(wěn)定且需要高速率通信時(shí)選擇bb84協(xié)議。

19、優(yōu)選地，上述s203信道擾動(dòng)較大且對(duì)通信可靠性需求高于速率需求時(shí)選擇時(shí)間比特相位協(xié)議。

20、優(yōu)選地，上述s203通信雙方需要進(jìn)行量子安全時(shí)間同步業(yè)務(wù)而非密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)時(shí)選擇量子安全同步協(xié)議。

21、優(yōu)選地，上述s206通過光纖陣列、光學(xué)耦合波導(dǎo)接收量子通信信號(hào)。

22、本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述方法。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明達(dá)到了以下技術(shù)效果：

24、首先，本發(fā)明提出“全芯片集成”概念，將量子光源和單光子探測(cè)器集成到同一芯片上，克服了傳統(tǒng)芯片集成量子通信系統(tǒng)“片下光源、片上處理、片下探測(cè)”帶來的插入損耗和系統(tǒng)不穩(wěn)定性；

25、其次，本發(fā)明提出的全芯片集成技術(shù)方案，光電芯片對(duì)外只有集成電路和耦合光纖兩種接口，前者可以通過金絲鍵合等方式與可編程邏輯電路集成在一起，后者可以通過機(jī)械封裝、模場(chǎng)適配器等各種結(jié)構(gòu)低損連接，此時(shí)量子通信系統(tǒng)稱為板卡級(jí)、集成化的小型系統(tǒng)，可以通過嵌入式部署的方式與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)的快速溝通；

26、最后，本發(fā)明提出的功能定義量子通信系統(tǒng)思路，通過用戶需求和信道特征切換各種量子通信業(yè)務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)“一套通用系統(tǒng)、多種支撐能力”的服務(wù)化定制，為量子通信網(wǎng)絡(luò)推廣應(yīng)用提供解決方案。

技術(shù)特征：

1.一種基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于包括：將半導(dǎo)體激光器、非線性介質(zhì)、多種量子通信協(xié)議對(duì)應(yīng)的量子態(tài)編譯光路裝置、多種量子通信協(xié)議對(duì)應(yīng)的量子態(tài)解譯光路裝置、半導(dǎo)體基單光子探測(cè)器集成到同一芯片平臺(tái)上并通過芯片集成電路驅(qū)動(dòng)，通過路徑選擇光路實(shí)現(xiàn)多種量子通信協(xié)議所對(duì)應(yīng)的編譯光路和解譯光路的自由切換，利用路徑選擇光路為用戶提供量子通信協(xié)議按需切換的收發(fā)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)量子通信通用系統(tǒng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述方法具體包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述各種光學(xué)器件之間通過低損耗波導(dǎo)連接，光電混合集成芯片對(duì)外存在兩個(gè)接口，一是通過尾纖直接輸出的光學(xué)接口，二是通過芯片集成電路實(shí)現(xiàn)的可編程邏輯電路控制接口。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述s103各種應(yīng)用需求包括通信雙方安全通信、精準(zhǔn)授時(shí)以及非定域協(xié)同。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，包括通信發(fā)送方和接收方，其特征在于所述方法具體包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述s203信道條件相對(duì)較為穩(wěn)定且需要高速率通信時(shí)選擇bb84協(xié)議。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述s203信道擾動(dòng)較大且對(duì)通信可靠性需求高于速率需求時(shí)選擇時(shí)間比特相位協(xié)議。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述s203通信雙方需要進(jìn)行量子安全時(shí)間同步業(yè)務(wù)而非密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)時(shí)選擇量子安全同步協(xié)議。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述s206通過光纖陣列、光學(xué)耦合波導(dǎo)接收量子通信信號(hào)。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出的基于全芯片集成功能定義的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，基于倒裝焊技術(shù)和異質(zhì)結(jié)集成技術(shù)將量子光源、單光子探測(cè)器等有源器件集成到芯片上，通過芯片構(gòu)建多種不同協(xié)議類型的量子通信系統(tǒng)并通過路徑選擇光路等方式實(shí)現(xiàn)協(xié)議切換，通過芯片集成電路控制芯片集成光路實(shí)現(xiàn)“協(xié)議可定制”量子通信業(yè)務(wù)功能。

技術(shù)研發(fā)人員：郭凱,王亞男
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21