ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ КОММУТАТОР ДЛЯ СИСТЕМ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ С ФАЗОВЫМ КОДИРОВАНИЕМ

Предлагаемое устройство относится к технике связи и может быть использовано как элемент в системах квантовой криптографии с дифференциальной фазовой модуляцией оптического сигнала.
Известен интегрально-оптический переключатель волоконных систем связи на основе интерферометра Маха-Цендера и направленных ответвителей, состоящий из волноводных плеч интерферометра, соединенных оптическими разветвителями. Для изменения показателя преломления в одном из плеч интерферометра используется термооптический эффект. В зависимости от величины вносимого сдвига фазы оптическое излучение направляется в один из двух выходов направленного ответвителя интерферометра. (Espinola R.L., Tsu M.-C., Yardley J.Т. and Osgood R.M. "Fast and low-power thermooptic switch on thin silicon-on-insulator," J. IEЕЕ Photon. Technol. Lett, 1999, V.15, pp.1366.).
Недостатками данного устройства являются: невозможность отправки квантово-криптографического ключа нескольким получателям и построения оптической сети. Применяемый в квантовой криптографии интегрально-оптический переключатель позволяет передать секретный ключ только двум получателям. При необходимости передачи информации большому количеству пользователей возникает необходимость в использовании сложного соединения нескольких отдельных коммутаторов, что приводит к потерям однофотонного импульсного излучения и искажению переданного секретного ключа.
Целью предлагаемого устройства является построение квантово-криптографической сети с несколькими приемниками квантового ключа.
Цель достигается тем, что из интегрально-оптических переключателей на основе интерферометра Маха-Цендера формируется матрица коммутатора, состоящая из 64-х переключателей, соединенных
направленными ответвителями. Интегрально-оптический коммутатор имеет 8 входов и 8 выходов.
В результате проведенного математического анализа предлагаемое устройство позволяет построить квантово-криптографическую сеть для передачи ключа нескольким пользователям и управлять оптическим путем по отношению к слабым сигналам на оптических фотонах совместно с высокоскоростными потоками цифровых данных, использующих мощные световые импульсы. Матрица-переключатель 8×8 может быть использована в волоконно-оптических сетях, в которых оптический путь должен контролироваться без преобразования в электрические сигналы.
На схеме 1 изображено устройство интегрально-оптического коммутатора 8×8 для сетей квантовой криптографии с фазовым кодированием. Устройство содержит стеклянную подложку, на которой находятся микроволноводные интерферометры Маха-Цендера. Плечи интерферометров соединены интегрально-оптическими разветвителями. В плечах интерферометров могут быть встроены фазовые модуляторы на основе термооптического эффекта.
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от лазера вводится на один из входов коммутатора, с помощью разветвителя оно разделяется на два луча одинаковой интенсивности. На выходе первого интерферометра лучи, проходя через второй разветвитель, образуют интерференционную картину. Если в плечо интерферометра встроен фазовый модулятор, то в зависимости от вносимого сдвига фазы оптическое излучение выходит из первого или второго выхода разветвителя. Выбор фазовых сдвигов, создаваемых в плечах интерферометров, позволяет направлять оптическое излучение на различные выходы коммутатора. Каждый выход коммутатора может быть соединен волоконной линией связи с получателем квантово-криптографического ключа. Как известно из квантовой оптики при прохождении единичных фотонов через две щели получается такая же интерференционная картина, как и при интерференции
световых волн. Поэтому для единичных фотонов коммутатор будет работать так же, как и для световой волны. При прохождении коммутационных узлов однофотонный оптический сигнал не должен частично или полностью трансформироваться в электрический сигнал, так как в этом случае квантовое состояние фотона будет разрушено во время прохождения коммутатора. Поэтому оптический путь в системах квантовой криптографии должен контролироваться без преобразования в электрические сигналы, что позволяет сделать интегрально-оптическая матрица-переключатель 8×8. При совмещении слабых сигналов с мощными информационными потоками будет происходить их пересечение в матрице коммутатора. При этом нет никакой необходимости в разнесении сигналов во времени. Они могут посылаться одновременно и независимо друг от друга, а выделение сигнала, соответствующего передаваемому ключу, может быть произведено с помощью оптического спектрального фильтра в портах приема одиночных импульсов. Соединение большого количества переключателей на одной подложке дает возможность избежать потерь мощности излучения при стыковке интегрально-оптических элементов, что существенно улучшает передачу слабых однофотонных импульсов.
Применение коммутатора 8×8 в системах квантовой криптографии по сравнению с прототипом дает возможность передать секретный ключ нескольким получателям, построить сеть передачи квантовой информации, осуществлять передачу секретного ключа по волоконно-оптическим сетям общего пользования.