CN1885764B - 通信系统和定时控制方法 - Google Patents

Abstract

一种通信系统和定时控制方法，用于优化发送器中的定时，并使能在正确的定时稳定地传输信息。在接收器中的定时控制器的指令下，使发送器中相位调制器的驱动定时一个步长接一个步长地移位，然后时钟移位量和干涉结果被接收器所监测，并被存储在存储器中。根据所存储的数据来确定最佳定时。因此，可以把用于驱动发送器中相位调制器的时钟设置在正确的定时。这等效于，补偿当光信号信道和时钟信号信道通过波分复用传输进行传输时所发生的、由于波长色散而造成的群速度色散。

Description

通信系统和定时控制方法

技术领域

本发明涉及通信系统，并且尤其涉及一种确定通信设备的操作定时的系统和方法。

背景技术

近些年来，在光通信领域，人们积极地致力于对预期可在传输链路上实现高保密级的量子密钥分发系统的研究，并且提出了各种建议。

作为基本例子，在Bennett and Brassard，“Quantum Cryptography：Public Key Distribution and Coin Tossing，”IEEE InternationalConference on Computers，Systems and Signal Processing，Bangalore，India，pp.175-179中，提出了一种利用两个基底(base)在发送器和接收器之间共享量子加密密钥的系统。根据该建议，发送器发送单光子，每个光子都利用取决于两个基底(D，R)和两个随机数值(0，1)组合的四种类型信息进行了相位调制，这两个基底(D，R)代表量子状态。接收器利用独立于发送器的基底(D，R)来一个接一个地接收单光子，并存储所接收的数据。此后，发送器和接收器利用普通(传统)信道，来检查它们各自在发送和接收中使用的基底是否匹配。因而，由仅仅基于匹配的基底而组成的接收数据，来确定最终公共秘密数据。

尤其是，由瑞士日内瓦大学(University of Geneva，Switzerland)的小组所提出的“即插即用”量子密钥分发系统(见Rivordy，G.，at al.，“Automated‘plug & play’quantum key distribution，”Electronics Letters，Vol.34，No.22，pp.2116-2117)能够补偿沿光纤传输线发生的偏振波动，因此被预期作为将偏振敏感量子密钥分发系统付诸实际使用的有前途方案。图1示出了该即插即用系统的配置示意图。

参考图1，在该即插即用系统中，用于接收量子加密密钥的接收器装备有激光二极管(LD)，该激光二极管产生光脉冲P。光脉冲P在光耦合器中被分成两个部分。作为这两个部分之一的光脉冲P1沿短路径前进，而作为另一部分的光脉冲P2沿长路径行进。因而，它们作为双脉冲被传输到发送器。

发送器装备有法拉第反射镜和相位调制器A。接收到的光脉冲P1和P2被法拉第反射镜单独地反射，借此使每个光脉冲在偏振态旋转90之后返回到接收器。在这种情形下，当光脉冲P2通过相位调制器A时，相位调制器A对光脉冲P2进行相位调制，因此经过相位调制的光脉冲P2^*a返回到了接收器。

在接收器中，因为从发送器收到的光脉冲P1和P2^*a的每一个的偏振态都旋转了90度，所以偏振分束器(PBS)将收到的每个脉冲都导入与脉冲发送时所使用的路径不同的路径。具体地说，所收到的光脉冲P1被导入长路径，并且当它通过相位调制器B时被相位调制。因而，经过相位调制的光脉冲P1^*b到达光耦合器。另一方面，在发送器被相位调制的光脉冲P2^*a沿不同于发送时路径的短路径前进，并到达相同的光耦合器。因此，在发送器被相位调制的光脉冲P2^*a和在接收器被相位调制的光脉冲P1^*b相互干涉，并通过光子探测器APD0和APD1的任何一个来检测该干涉结果。注意，使用雪崩光电二极管作为光子探测器，并在Geiger方式下驱动该光子探测器。

如上所述，接收器所产生的单个光脉冲被分成两部分，并且所得到的光脉冲P1和P2在接收器和发送器之间进行各自的往返行程，同时在此期间它们被单独地相位调制。总体上，光脉冲P1和P2沿相同的光程行进，然后相互干涉。因此，可归因于光纤传输线的延迟变化得以补偿，并且由光子探测器APD0或APD1所观测到的干涉结果只取决于发送器的相位调制量和接收器的相位调制量之差。

具有这种配置的即插即用系统需要如下所述的同步。

(1)在发送器中，需要与发自接收器的光脉冲P2通过相位调制器A的定时同步地，向相位调制器A施加一个与相位调制量对应的电压。

(2)在接收器中，需要与从发送器反射的光脉冲P1通过相位调制器B的定时同步地，向相位调制器B施加一个与相位调制量对应的电压。

(3)进一步在接收器中，需要与返回光脉冲的入射(在门控Geiger方式下的超高灵敏接收)定时同步地向光子探测器APD0和APD1施加偏压。

如上所述，在实践中为了使量子密钥分发系统通过获得高度干涉而稳定地产生量子加密密钥，必须执行定时控制，使得发送器端相位调制器A、接收器端相位调制器B和光子探测器APD的每一个都和光脉冲的到达定时同步地被驱动。

对于普通或传统光通信，这不会成为显著的问题。然而，在量子密钥分发系统中，每脉冲的光子数极少：最多每脉冲一个光子。因此，发自发送器的大多数数据都由于传输线损耗而丢失，并且只有很少的数据到达接收器。除此之外，因为到达数据的值是以概率确定的，所以不能对光子重新定时。因此，采用这样一种方案：除用于密钥分发的量子信号以外，还在发送器和接收器之间交换用于提供时钟信息的时钟信号，以调节定时。

然而，即使在通过光传输线交换时钟信号的情况下，也必须考虑光传输线的伸长和缩短。例如，在超过20km长的光纤的情况下，如果环境温度上升10℃，则出现3.2m的伸长。该伸长量等效于62.5MHz系统时钟的情况下的一位。

通过利用波分复用(WDM)技术对量子信号和时钟信号进行波长复用，以允许它们沿相同的光传输线传播，可以避免由于光传输线的伸长/缩短而造成的量子信号和同步信号之间的定时偏差。

例如，日本待审专利申请公开No.H08-505019提出了一种利用传统信道来校准系统以及位同步的方法。根据该方法，量子信道和传统信道被设置在相同传输线上，并且传统信道用于为光功率弱的量子信道提供时钟同步。

然而，当通过波分复用传输来传输量子信号和时钟信号时，因为不同波长的信道具有不同的群速度色散(GVD)，所以出现了传播延迟差。因此，量子信号和时钟信号之间仍然出现定时偏差。信道之间的这种传播延迟差是要求不同信道信号同步的系统所要解决的重大问题。

另外，在利用相位调制来传输信息的系统，例如如上所述的量子密钥分发系统中，在不参考接收器所获得的检测结果的情况下，不能确定发送器中的相位调制器驱动定时是否正确。因此，即使按照为传播延迟差而补偿的时钟来驱动相位调制器，在不检查接收器的接收结果的情况下，也不能确定该补偿结果是否合适。

发明内容

因此，本发明的目的是解决上述传统问题。尤其是，本发明的目的是提供一种优化发送器中的定时，由此使能在正确的定时稳定地传输信息的通信系统和定时控制方法。

而且，本发明的另一目的是提供一种光通信系统，在通过波分复用传输来传输受到相位调制的光信号及时钟信号的情况下，该光通信系统补偿群速度色散，由此在正确的定时驱动相位调制器，从而使得能够快速稳定地分发加密密钥。

根据本发明的一方面，在利用多个通信信道在第一通信设备和第二通信设备之间传输信息的通信系统中，第一通信设备具有调制器，用于在调制定时根据传输信息对载波信号进行调制，以便通过第一通信信道将经过调制的信号发送给第二通信设备。第二通信设备具有：探测器，用于检测通过第一通信信道收到的信号；以及定时控制器，用于根据探测器的检测结果，通过第二通信信道来控制第一通信设备的调制定时。

定时控制器可以在使调制定时沿时间轴移位的同时，监测探测器的检测结果，以搜索提供期望的探测器检测结果的调制定时。

优选地，第二通信设备进一步包括用于向探测器提供检测定时的检测定时供给器(supplier)，其中定时控制器在完成调制定时的控制后，根据探测器的检测结果来控制检测定时。

如上所述，通过第二通信设备来控制第一通信设备的调制定时，并且第二通信设备可以通过监测从第一通信设备的受控调制定时所获得的检测结果，来容易地优化它自己的调制定时。

第二通信设备有可能进一步包括调制控制器，用于根据探测器的检测结果，通过第二通信信道来调节调制器的调制深度。例如，该调制器是相位调制器，该相位调制器向载波信号提供取决于施加于相位调制器的调制控制电压的相位差，其中调制定时是载波信号通过相位调制器的时期。进一步，定时控制器可以在使调制控制电压施加于相位调制器的时期在时间上移位的同时，监测探测器的检测结果，以搜索使得获得期望检测结果的调制控制电压施加定时。

根据本发明，可以提供如下的光通信系统。第一通信设备包括：相位调制器，用于在调制定时，根据与传输信息对应的相位控制信号对光信号进行相位调制，以便通过第一通信信道将经过相位调制的光信号发送给第二通信设备；以及第一控制器，用于根据通过第二通信信道从第二通信设备收到的控制信号来控制相位调制器。第二通信设备包括：探测器，用于借助于通过第一通信信道从第一通信设备收到的光信号的光干涉，来检测传输信息；以及第二控制器，用于通过第二通信信道向第一通信设备发送调制定时控制信号，其中该调制定时控制信号是用于根据探测器的检测结果来控制第一通信设备的调制定时的一种控制信号。

第二控制器可以向第一通信设备顺序地发送调制定时控制信号，以使相位控制信号施加于相位调制器的时期在时间上移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把随光干涉而变的探测器检测结果记录到存储器中。第二控制器可以根据存储器中所记录的取决于移位量的检测结果变化，从提供期望的探测器检测结果的移位量来确定相位控制信号的施加时期。

优选地，相位控制信号具有多个值，其中对于相位控制信号的多个值的每个值，第二控制器都向第一通信设备顺序地发送调制定时控制信号，以使相位控制信号值施加于相位调制器的时期在时间上移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把对于相位控制信号的多个值的每个值的、随光干涉而变的探测器检测结果，记录到存储器中。第二控制器可以根据存储器中所记录的、对于相位控制信号的多个值的每个值的、取决于移位量的检测结果变化，从对于相位控制信号的多个值的每个值都提供期望探测器检测结果的移位量，来确定相位控制信号的施加时期。

根据本发明另一方面，在利用多个通信信道在发送器和接收器之间传输信息的过程中，提供一种定时控制方法。发送器在调制定时根据传输信息来调制载波信号，以便通过第一通信信道将经过调制的信号发送给接收器。接收器检测通过第一通信信道从发送器收到的信号；并根据从发送器收到的信号的检测结果，通过第二通信信道向发送器发送定时控制信号，以控制发送器的调制定时。然后，当发送器通过第二通信信道从接收器接收定时控制信号时，发送器根据该定时控制信号来改变调制定时。

根据本发明的又一方面，粗略地搜索调制定时的移位范围，以确定大调制定时区域，该大调制定时区域用作用于执行精密搜索以确定最终调制定时的初始移位范围。

如上所述，根据本发明，通过第二通信设备来控制第一通信设备的调制定时，并且第二通信设备可以通过监测从第一通信设备的受控调制定时所获得的检测结果，来容易地优化它自己的调制定时。

根据本发明的实施例，在接收器的控制下使发送器的相位调制定时移位一个步长(step)，并且每当移位一个步长时，接收器都存储从所收到的经过相位调制的信号所获得的检测结果。基于该存储的检测结果数据，接收器能够确定发送器的相位调制最佳定时。据此，接收器能够确认发送器的相位调制定时是否正确，允许接收器中的光子探测器的驱动定时和光子入射定时精确地重合。这意味，可以补偿由于经过相位调制的光信号及时钟信号的波分复用所造成的群速度色散(GVD)。换句话说，可以在稳定的调制定时驱动相位调制器，由此导致了光载波信号的期望相位调制。

另外，根据本发明的光通信系统可以实现稳定的相位调制和光子检测。因此，在本发明应用于量子密钥分发系统的情况下，它可以补偿在通过波分复用传输来传输受到相位调制的光信号及时钟信号的情况下，由于波长散布(wavelength distribution)而造成的光信号和时钟信号之间的定时差，由此在正确的定时驱动相位调制器，从而使能快速稳定地分发加密密钥。

附图说明

图1所示为即插即用系统的图解配置框图。

图2所示为根据本发明第一实施方式的光通信系统的配置框图。

图3所示为根据本发明第一实施例的温度无关即插即用系统的配置框图。

图4是用于说明发送器10中PBS环的操作的示意图。

图5所示为沿PBS环传播的光脉冲的时序说明图。

图6所示为根据本发明第一实施例的定时控制程序流程图。

图7所示为相对于基底和随机数四种组合的发送器定时控制顺序的握手图。

图8A至8D分别是图解示出了相对于基底和随机数四种组合，接收器所测得的平均功率变化的曲线图。

图9图解示出了当基底和随机数组合为(+，0)时，发送器所实施的定时偏移与接收器所获得的测量结果之间的关系。

图10图解示出了当基底和随机数组合为(+，1)时，发送器所实施的定时偏移与接收器所获得的测量结果之间的关系。

图11图解示出了当基底和随机数组合为(×，0)时，发送器所实施的定时偏移与接收器所获得的测量结果之间的关系。

图12图解示出了当基底和随机数组合为(×，1)时，发送器所实施的定时偏移与接收器所获得的测量结果之间的关系。

图13图解示出了存储在存储器250中的时钟移位量和APD0和APD1所观测的光功率数据的数据表。

图14所示为相对于基底和随机数四种组合的接收器定时控制顺序的握手图。

图15A至15D分别是图解示出了相对于基底和随机数四种组合，接收器所检测到的功率变化的曲线图。

图16所示为根据本发明第二实施例的量子密钥分发系统的配置框图。

图17A至17D分别是图解示出了相对于基底和随机数四种组合，接收器所测量的平均功率变化的曲线图。

图18所示为根据本发明第三实施例的定时控制程序的流程图。

图19所示为根据本发明第四实施例的定时控制程序的流程图。

图20所示为根据本发明第二实施方式的光通信系统的配置框图。

图21所示为根据本发明第五实施例的发送器定时控制程序的握手图。

图22所示为根据本发明第五实施例的发送器定时控制程序的流程图

图23所示为根据本发明第五实施例的对施加于发送器中相位调制器的电压的控制程序的流程图。

具体实施方式

第一方式

图2所示为根据本发明第一实施方式的光通信系统的配置框图。举例来说，在此示出了其中两个通信设备通过光传输线30光学上连接的一种系统配置。在这两个通信设备中，位于量子通信发送方的一个通信设备被称为发送器10，并且位于量子通信接收方的另一通信设备被称为接收器20。

发送器10装备有量子模块(quantum block)100，该量子模块100包括用于根据原始传输信息对光信号进行调制的调制装置，并根据来自于同步模块(synchronization block)110的时钟信号CLK进行操作。而且，发送器10还装备有数据通信部分120和通信控制器130。通过数据通信部分120，发送器10与接收器20交换控制信号。通信控制器130根据来自于接收器20的控制信号，来控制量子模块100和同步模块110。

接收器20装备有量子模块200，该量子模块200包括用于检测来自发送器10的入射光信号的检测装置，并根据来自于同步模块210的时钟信号CLK进行操作。而且，接收器20也装备有与发送器10交换控制信号的数据通信部分220，以及控制量子模块200和同步模块210的通信控制器230。

接收器20进一步装备有定时控制器240，该定时控制器240控制通信控制器230优化发送器10的定时和接收器20的定时。存储用于确定最佳定时的测量数据的存储器250，以及存储定时控制程序(control procedure)的程序存储器260，连接到定时控制器240。顺便提及，波分复用用于传输时钟信号和量子信号。为发送器10而设的同步模块110和为接收器20而设的同步模块210以不同于量子信号的波长来执行时钟信号的传输。同步模块110和210的每一个都具有波长稳定的激光器，作为发送时钟信号的光源，并且分别向量子模块100和200提供稳定的时钟信号CLK。

在发送器10中，同步模块110向量子模块100提供时钟信号CLK，由此确定量子通信的光调制定时。在此，同步模块110可以根据来自接收器20的指令，来对该时钟信号进行相移。因而，有可能沿时间轴移动光调制的定时。

同样，在接收器20中，同步模块210向量子模块200提供时钟信号CLK，由此确定量子通信的检测定时(具体地说，是光调制定时和光检测定时)。类似，同步模块210可以在定时控制器240的控制下，对该时钟信号进行相移。因而，有可能沿时间轴移动这些定时。

根据本发明，有可能根据来自接收器20中的定时控制器240的指令，来优化发送器10中的光调制定时和接收器20中的检测定时，接收器20中的定时控制器240将在后面描述。可以用执行程序存储器260中所存储的定时控制程序的程序控制处理器，来实施定时控制器240。

1.第一实施例

图3所示为根据本发明第一实施例的温度无关即插即用系统的配置框图。注意，与图2中所示部件相似的部件被赋予和图2中一样的附图标记。根据本发明的即插即用系统的基本配置和操作如参考图1所描述的，除了采用PBS环来代替发送器中的法拉第反射镜。

发送器10(在此，Alice)中的量子模块100具有PBS环104和可变光衰减器105。PBS环104包括相位调制器102和偏振分束器(PBS)103。

相位调制器102按照来自于同步时钟110的时钟信号CLK对通过它自己的光脉冲序列执行相位调制。通过通信控制器130所给出的相位控制信号，来确定相位调制深度。在此，有四种相位调制深度(0，π/2，π，3π/2)，对应于基底(+/×)和随机数(0/1)的四种组合。相位控制信号是对应于任一调制深度的电压。在光脉冲通过相位调制器102的定时，相位控制信号施加于相位调制器102，借此执行光脉冲的相位调制。

PBS环104具有类似于法拉第反射镜的功能，借此输出偏振态旋转了90度的入射光。后面将讨论该实施例的PBS环。

接收器20(在此，Bob)中的量子模块200的配置基本上和图1所示的配置相同。由激光器201根据来自于同步模块210的时钟信号所产生的光脉冲P被光循环器202导入光耦合器203中，在光耦合器203中光脉冲P被分成两部分。作为这两部分之一的光脉冲P1沿短路径204前进，并被发送到PBS 207。作为这两部分中另一部分的光脉冲P2沿长路径205行进，通过被设置在长路径205上的相位调制器206，并被发送到PBS 207。这些光脉冲P1和P2在PBS 207被组合，然后在通过波分复用/解复用滤波器50和光传输线30之后，作为双脉冲被发送到发送器10。注意，短路径204和长路径205由偏振保持光纤组成，并且光循环器202和光耦合器203为偏振保持类型。而且，在同步模块110和210之间交换的时钟信号是具有不同于从量子模块100发送到量子模块200的光脉冲的波长的光信号。这些信号被复用/解复用滤波器40和50执行波长复用/解复用，并通过波分复用传输，经光传输线30传输。

发送器10通过传输线30从接收器20接收双脉冲P1和P2。通过波长复用/解复用滤波器40和可变光衰减器105的双脉冲P1和P2的每一个都在PBS 103进一步被分开，产生了4个脉冲(即四个一组脉冲)，包括顺时针行进的双脉冲P1cw和P2cw和逆时针行进的双脉冲P1ccw和P2ccw。顺时针双脉冲P1cw和P2cw和逆时针双脉冲Plccw和P2ccw在彼此相反的方向上通过相位调制器102，然后每一对脉冲都进入和它们的输出端口不同的PBS端口。

相位调制器102对作为相对于顺时针双脉冲中前一脉冲P1cw的后面脉冲的脉冲P2cw进行相位调制，并且也在顺时针双脉冲和逆时针双脉冲之间提供π相位差，这将在后面进行描述。相位调制器102需要定时控制，以致如上所述对四个一组脉冲的每一个脉冲执行任意相位调制。

因而，根据需要而相位调制的四个一组脉冲在PBS 103被组合，恢复为双脉冲。如上所述，因为只基于发送信息对随后的脉冲P2cw进行了相位调制，所以用P1和P2^*a来表示输出双脉冲。在这一点上，当输出每个脉冲时，偏振态相对于脉冲输入到PBS环时旋转了90度。因此，结果可以得到类似于法拉第反射镜的效果。

在接收器20中，因为从发送器10收到的光脉冲P1和P2^*a的偏振态旋转了90度，所以PBS 207将这些收到的光脉冲导入与脉冲发送时的传播路径不同的路径。更具体地说，所收到的光脉冲P1沿长路径前进。当光脉冲P1通过相位调制器206时，利用指定的基底对光脉冲P1进行相位调制，并且经过相位调制的光脉冲P1^*b到达光耦合器203。另一方面，光脉冲P2^*a沿不同于发送时路径的短路径行进，然后到达相同的光耦合器203。

因而，在发送器端被相位调制的光脉冲P2^*a和在接收器端被相位调制的光脉冲P1^*b相互干涉，并通过光子探测器APD0或APD1来检测该干涉结果。光子探测器APD0和APD1按照来自于同步模块210的时钟信号CLK，在门控Geiger方式下被驱动，并且检测信号被输出到通信控制器230。定时控制器240把光子探测器APD0和APD1按定时控制顺序所检测到的检测数据累积在存储器250中，并使用该检测数据来确定最佳定时，这将在后面讨论。

1.1)PBS环中的相位调制

以下，将描述PBS环的操作。

图4是用于说明发送器10中PBS环104的操作的示意图。如上所述，输入双脉冲P1和P2的每一个都在PBS 103被分成相互垂直的偏振分量，产生了四个一组脉冲301至304。光脉冲301和302分别对应于光脉冲P1的一个偏振分量和垂直于它的另一个偏振分量。光脉冲303和304分别对应于光脉冲P2的一个偏振分量和垂直于它的另一个偏振分量。

PBS 103有两个环侧(loop side)端口，这两个环侧端口通过偏振保持光纤分别连接到相位调制器102的两个光端口。然而，这些端口之间的光程长度不同。在此，假定这样设置光程长度，使得光脉冲301和303分别比光脉冲302和304早时间T进入相位调制器102。该时间差T被设置成比光脉冲的宽度长，并比光脉冲P1和P2之间的间隔短。

图5所示为沿PBS环传播的光脉冲的时序说明图。因为光脉冲301和303分别比光脉冲302和304早时间T到达相位调制器102，所以单个光脉冲在不同的时间t1至t6通过相位调制器102，如图5(A)至5(F)所示。因此，通过和脉冲时间间隔同步地改变要施加于相位调制器102的电压，可以在各个光脉冲之间提供不同的相位差。在此，要在各个光脉冲之间提供的相位差的设置如表1所示。

表1

基底，RN	光脉冲301的相位	光脉冲302的相位	光脉冲303的相位	光脉冲304的相位
					+，0	0	π	0	π
+，1	0	π	π	0
					×，0	0	π	π/2	3π/2
×，1	0	π	3π/2	π/2

如表1所示，在基底“+”和随机数(RN)“0”的情况下，在光脉冲301和303之间提供0相位差；在基底“+”和随机数“1”的情况下，在光脉冲301和303之间提供π相位差；在基底“×”和随机数“0”的情况下，在光脉冲301和303之间提供π/2相位差；在基底“×”和随机数“1”的情况下，在光脉冲301和303之间提供3π/2相位差。而且，在光脉冲302和304之间也提供了与光脉冲301和303之间相位差相同的相位差。同时，在光脉冲301和302之间以及在光脉冲303和304之间，提供了π相位差。

如上所述，在量子密钥分发系统中，需要对双脉冲或四个一组脉冲的每一个脉冲都执行任意相位调制。换句话说，需要在每个脉冲通过相位调制器的定时，把用于提供所需调制的电压施加于用电压控制相位的相位调制器102和206的每一个。除非在正确的定时驱动相位调制器，否则将会调制错误脉冲。因此，需要控制用于驱动相位调制器102和206的时钟定时，并需要检查定时是否正确。以下，将详细描述根据该实施例的定时控制程序。

1.2)定时控制过程(procedure)

图6所示为根据本发明第一实施例的定时控制程序流程图。首先对发送器10执行根据该实施例的定时控制，然后对接收器20执行该定时控制。发送器10中的定时控制完全是在来自接收器20中的定时控制器240的指令下执行的。

参考图6，首先定时控制器240将接收器20置为训练模式。在训练模式下，光子探测器APD0和APD1以固定偏压操作，而不是在门控Geiger方式下操作，并且测量平均光功率。随后，定时控制器240这样控制通信控制器230，使得用于变到训练模式的模式改变信号从数据通信部分220发送到发送器10。发送器10中的通信控制器130利用该信号，来使可变光衰减器105减小损耗量，由此将输出光功率增大到普通通信级别(S401)。因此，如上所述，普通光功率的双脉冲从接收器20发送到发送器10，然后从发送器10返回到接收器20。

当发送器10被设置为训练模式时，定时控制器240这样控制通信控制器230，使得基底和随机数四种组合之一被选择，对接收器20中的相位调制器206设置所选定的基底，并向发送器10中的通信控制器130通知要指定的选定基底和随机数(S402)。利用该指定，通信控制器130向相位调制器102输出相位控制信号，由此将相位调制器102设置为与所选定的基底和随机数组合相对应的调制深度(相位)。

接着，定时控制器240命令发送器10中的通信控制器130使施加于发送器10中相位调制器102的电压的定时移位复位(S403)。同步模块110利用该指令将时钟信号CLK的移位量复位到初值0。

当初始化定时移位时，定时控制器240命令通信控制器130使定时移位，借此同步模块110利用预定整数N来使施加于相位调制器102的电压的定时移位2π/N，并在那个定时施加对于所设置的相位调制的电压(S404)。因而，四个一组脉冲的每个通过脉冲都如上所述被调制，然后以双脉冲的形式返回到接收器20。

在接收器20中，如上所述，相位调制器206利用指定的基底对所收到的双脉冲的导入脉冲进行调制，然后经过发送器调制的脉冲和经过接收器调制的脉冲在光耦合器203中相互干涉。通过APD0和APD1测量光功率，并将测量值记录在存储器250中(S405)。这将在后面更详细地讨论。

定时控制器240在每次使施加于相位调制器102的电压的定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S404和S405，直到对所有电压施加定时都进行了测量为止。记录为所选定的基底和随机数而得到的接收光功率测量值(S406)。

定时控制器240对基底和随机数四种组合的每一种组合都执行上述步骤S402至S406(S407)。当完成对基底和随机数所有四种组合的测量时(S407：是)，定时控制器240根据由APD0和APD1记录在存储器250中的测量结果，来确定发送器的最佳定时，并向发送器10中的通信控制器130通知该最佳定时，借此对同步模块110设置最佳定时(S408)。后面将讨论确定最佳定时的方法。

在这样确定发送器的最佳定时之后，开始为接收器20执行定时搜索。首先为发送器10执行定时调节的原因是，如果不在发送器的最佳定时执行调制，则在接收器中将没有干涉发生，结果就没有光子输出到光子探测器APD0和APD1，因此也不能得到接收器的检测定时。

在搜索接收器的定时过程中，首先定时控制器240将接收器20置为量子模式，由此允许光子探测器APD0和APD1在门控Geiger方式下操作。而且，定时控制器240这样控制通信控制器230，使得用于变到量子模式的模式改变信号从数据通信部分220发送到发送器10。发送器10中的通信控制器130利用该信号来使可变光衰减器增大损耗量，由此将输出光功率减小到最多每脉冲一个光子的级别(S501)。因此，普通光功率的双脉冲从接收器20发送到发送器10，并且如上所述经过弱功率调制的光脉冲从发送器10返回到接收器20。

一旦设置为量子模式，定时控制器240就这样控制通信控制器230，使得基底和随机数四种组合之一被选择，对接收器20中的相位调制器206设置所选定的基底，并向发送器10中的通信控制器130通知要指定的选定基底和随机数(S502)。利用该指定，通信控制器130向相位调制器102输出相位控制信号，由此设置与所选定的基底和随机数组合相对应的调制深度。如上所述，通过上述发送器定时搜索过程，优化了相位调制器102的驱动定时。

随后，控制控制器240通过通信控制器230来控制同步模块210，使得施加于光子探测器APD0和APD1的电压的定时移位被复位(S503)。换句话说，同步模块210将时钟信号CLK的移位量复位到初值0。

当初始化定时移位时，定时控制器240通过通信控制器230来控制同步模块210，使得利用预定整数N而使时钟信号CLK移位2π/N。根据该移位的时钟信号CLK，向光子探测器APD0和APD1施加反向偏压(S504)。因此，从发送器10到达的弱功率脉冲P1被相位调制器206相位调制，产生了光脉冲P1^*b；该光脉冲P1^*b和到达的脉冲P2^*a的干涉结果被光子探测器APD0或APD1所检测；该光子探测器的结果被记录在存储器250中(S505)。这将在后面更详细描述。

定时控制器240在每次使施加于光子探测器APD0和APD1的电压的定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S404和S405，直到所有电压施加定时都完成测量为止。记录为所选定的基底和随机数而得到的光子检测结果(S506)。

定时控制器240对基底和随机数四种组合的每一种组合都执行上述步骤S502至S506(S507)。然而，如果可以得到下述最佳点，则不必对所有这四种组合都执行这些步骤。当完成对所需的基底和随机数组合的测量时(S507：是)，定时控制器240根据由APD0和APD1记录在存储器250中的光子检测结果，来确定接收器的最佳定时(S508)。后面将讨论确定最佳定时的方法。

以下，将参考关于发送器10的图6至12以及关于接收器20的图13和14，更详细描述根据该实施例的时钟定时搜索。

1.3)发送器中的时钟定时搜索

图7所示为相对于基底和随机数四种组合的发送器定时控制顺序的握手图。图8A至8D是图解示出了对于基底和随机数四种组合的每一种组合，接收器所测得的平均功率变化的曲线图。图9至12图解示出了对于基底和随机数四种组合每一种组合，发送器所实施的定时移位与接收器所获得的测量结果之间的关系。

a)基底+，随机数0(0调制)

首先，接收器20中的定时控制器240将相位调制器206的接收基底设置为“+”，并进一步命令发送器10中的通信控制器130将相位调制器102设置为与基底“+”和随机数“0”组合对应的调制深度。结果，如上述表1所示，按四个一组脉冲通过相位调制器102的顺序，要给予四个一组脉冲各个脉冲的相位调制的相位是“0-π-0-π”。

发送器10中的相位调制器102根据来自于同步模块110的时钟信号CLK而被驱动。因此，相位调制器102对光脉冲进行相位调制的定时取决于提供时钟的定时(时钟定时)。在来自接收器20的指令下，同步模块110可以使时钟定时移位在0至2π范围内变化的任意数量步长(step)。

随后，定时控制器240发出CLK移位清除指令，以命令发送器10中的同步模块110将时钟移位量清零。然后，在每次使时钟定时移位2π/N的同时，重复以下步骤S1至S4N次，直到时钟移位量达到2π为止。

步骤S1：接收器20中的定时控制器240命令发送器10中的通信控制器130使同步模块110的时钟CLK移位一个步长。

步骤S2：发送器10中的通信控制器130促使同步模块110使时钟移位一个步长。从而，使发送器10中的相位调制器102的驱动定时移位一个步长。

步骤S3：在发送器10中实现上述一个步长的移位后，接收器20中的光子探测器APD0和APD1所观测的光功率的每一个都改变了。

步骤S4：将APD0和APD1所得到的观测值存储在存储器250中。注意，因为当发送随机数“0”时，光应该输出到APD0(这将在后面讨论)，所以用APD0所得到的观测值和APD1所得到的观测值之比(APD0/APD1)，来表示消光比(extinction ratio)。

图8A示出了这样存储在存储器250中的观测值随定时移位量φ的变化。在图8A至8D中，水平轴代表时钟移位量φ，且垂直轴代表光功率P。图解示出了APD0所观测的光功率(实线)和APD1所观测的光功率(虚线)。

如图8A所示，当时钟相位正确时，光脉冲被APD0检测到，并且几乎不能被APD1检测到。当时钟相位偏移时，干涉消失。然而，当时钟相位进一步偏移时，干涉重新出现，并且光脉冲被APD0检测到。如上所述，APD0的检测输出随时钟移位量φ的变化周期地变化。

图9是用于说明在基底“+”和随机数“0”组合的情况下，APD0的检测输出随时钟移位量φ周期变化的示意图。当时钟相位正确(0偏移)，按上述顺序“0-π-0-π”正确地对每个光脉冲执行相位调制，并且光被输出到APD0。然而，当时钟相位偏移时，干涉消失。当时钟相位偏移π/2(π/2偏移)，干涉重新出现，并且光被输出到APD0。因而，得到了如图8A所示周期变化的APD观测值。

b)基底+，随机数1(π调制)

接收器20中的定时控制器240在使接收器20中的基底保持为“+”的同时，命令发送器10中的通信控制器130将相位调制器102设置为与基底“+”和随机数“1”组合对应的调制深度。结果，如上述表1所示，按四个一组脉冲通过相位调制器102的顺序，要分别给予四个一组脉冲的相位调制的相位是“0-π-π-0”。

随后，定时控制器240发出命令，使发送器10中的同步模块110将时钟移位量清零。然后，在每次使时钟定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S1至S4N次，直到时钟移位量达到2π为止。结果，由接收器20中的光子探测器APD0和APD1所观测的光功率的每一个都改变了。该观测值被存储在存储器250中。注意，因为当发送随机数“1”时，光应该输出到APD1(将在后面讨论)，所以将消光比表示为APD1/APD0。

图8B示出了这样存储在存储器250中的观测值随定时移位量φ的变化。如图8B所示，当时钟相位正确时，光脉冲被APD1检测到，并且几乎不能被APD0检测到。当时钟相位偏移时，干涉消失，并且APD1所观测的功率变得和APD0所观测的功率相等。当时钟相位进一步偏移时，干涉重新出现，并且光脉冲被APD1检测到。如上所述，APD1的检测输出随时钟移位量φ的变化周期地变化。

图10是用于说明在基底“+”和随机数“1”组合的情况下，APD1的检测输出随时钟移位量φ周期变化的示意图。当时钟相位正确(0偏移)，按上述顺序“0-π-π-0”正确地对每个光脉冲执行相位调制。当时钟相位偏移π/2(π/2偏移)，干涉消失，并且APD1所观测的功率变得和APD0所观测的功率相等。当时钟相位进一步偏移π(π偏移)时，干涉重新出现，并且检测结果从APD1输出。因而，得到了如图8B所示周期变化的APD观测值。

c)基底×，随机数0(π/2调制)

接收器20中的定时控制器240首先将相位调制器206的接收基底设置为“×”，并进一步命令发送器10中的通信控制器130将相位调制器102设置为与基底“×”和随机数“0”组合对应的调制深度。结果，如上述表1所示，按四个一组脉冲通过相位调制器102的顺序，要分别给予四个一组脉冲的相位调制的相位是“0-π-π/2-3π/2”。

随后，定时控制器240命令发送器10中的同步模块110将时钟移位量清零。然后，在每次使时钟定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S1至S4N次，直到时钟移位量达到2π为止。结果，由接收器20中的光子探测器APD0和APD1所观测的光功率的每一个都改变了。观测值被存储在存储器250中。注意，消光比被表示为APD0/APD1。

图8C示出了这样存储在存储器250中的观测值随定时移位量φ的变化。如图8C所示，当时钟相位正确时，光脉冲被APD0检测到，并且几乎不能被APD1检测到。当时钟相位偏移时，干涉消失，并且APD0所观测的功率变得和APD1所观测的功率相等。当时钟相位进一步偏移时，干涉重新出现，但是这次光脉冲是被APD1检测到。如上所述，APD0和APD1的检测输出随时钟移位量φ的变化而周期地变换。

图11是用于说明在基底“×”和随机数“0”组合的情况下，APD0和APD1的检测输出随时钟移位量φ周期变化的示意图。当时钟相位正确(0偏移)，按上述顺序“0-π-π/2-3π/2”正确地对每个光脉冲执行相位调制。当时钟相位偏移π/2(π/2偏移)时，干涉消失，并且APD0所观测的功率变得和APD1所观测的功率相等。当时钟相位进一步偏移π(π偏移)时，干涉重新出现，并且这次光是被APD1检测到。因而，得到了如图8C所示周期变化的APD观测值。

d)基底x，随机数1(3π/2调制)

接收器20中的定时控制器240在使接收器20中的基底保持为“×”的同时，命令发送器10中的通信控制器130将相位调制器102设置为与基底“×”和随机数“1”组合对应的调制深度。结果，如上述表1所示，按四个一组脉冲通过相位调制器102的顺序，要分别给予四个一组脉冲的相位调制的相位是“0-π-3π/2-π/2”。

随后，定时控制器240命令发送器10中的同步模块110将时钟移位量清零。在每次使时钟定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S1至S4N次，直到时钟移位量达到2π为止。结果，由接收器20中的光子探测器APD0和APD1所观测的光功率的每一个都改变了。该观测值被存储在存储器250中。注意，消光比被表示为APD1/APD0。

图8D示出了这样存储在存储器250中的观测值随定时移位量φ的变化。如图8D所示，当时钟相位正确时，光脉冲被APD1检测到，并且几乎不能被APD0检测到。当时钟相位偏移时，干涉消失，并且APD1所观测的功率变得和APD0所观测的功率相等。当时钟相位进一步偏移时，干涉重新出现，但是这次光脉冲是被APD0检测到。如上所述，APD0和APD1的检测输出随时钟移位量φ的变化周期地变化。

图12是用于说明在基底“×”和随机数“1”组合的情况下，APD0和APD1的检测输出随时钟移位量φ周期变化的示意图。当时钟相位正确(0偏移)，按上述顺序“0-π-3π/2-π/2”正确地对每个光脉冲执行相位调制。当时钟相位偏移π/2(π/2偏移)，干涉消失，并且APD1所观测的功率变得和APD0所观测的功率相等。当时钟相位进一步偏移π(π偏移)时，干涉重新出现，但是这次光脉冲是被APD0检测到。因而，得到了如图8D所示周期变化的APD观测值。

1.4)发送器最佳定时的确定

参考图8A至8D，APD0和APD1所观测的光功率之比即消光比，用点线表示。如上所述，当发送随机数“0”时，消光比被表示为APD0/APD1，而当发送随机数“1”时，消光比被表示为APD1/APD0。注意，通过用示意图划出最大和最小点随时钟移位量φ而变，来得到在此示出的消光比，并且垂直轴上的值不代表实际值。通过测量输出到APD0和APD1的光功率所获得的值，以及发送器10所实施的相应时钟移位量φ，全部被存储在接收器20的存储器250中。基于该数据来确定发送器10中的最佳时钟定时。

图13图解示出了存储在存储器250中的由APD0和APD1所观测的光功率数据及时钟移位量的数据表。即，以如图13所示的表形式，来存储分别对于图8A至8D所示四种组合所获得的观测数据。利用该数据表，通过以下程序来确定最佳定时。

(1)对四种类型调制的每一种类型计算消光比：(Ai、Bi、Ci、Di)

(2)计算这四个消光比的乘积：(Ei＝Ai*Bi*Ci*Di)

(3)选择使Ei最大的相位：(φ(max[E1，E22，...，EN]))

以这种方式确定的移位量φ是由图8A至8D中的“最佳”线所指示的值φ。经过该移位量移位的时钟信号CLK提供与光脉冲的最佳定时。然而，如上所述，如果有可能获得最佳线，则不必使用对于图8A至8D所示四种组合所获得的所有观测数据。

1.5)搜索接收器的最佳定时

接下来，将参考图14和图15A至15D来描述对接收器20中最佳时钟定时的搜索。在量子密钥分发系统中，因为用于密钥分发的信号的光功率非常弱，最多每脉冲一个光子，所以需要执行门控Geiger方式接收，以便利用雪崩光电二极管(APD)来执行高灵敏度接收。在门控Geiger方式下，偏压只有在检测到光子的定时才增加。然而，如果施加高偏压，则很有可能输出噪声，而非光子信号。因此，优选地使施加偏压的定时尽可能地和光子到达的定时重合。合理设置偏压增加的定时允许光子检测，并允许在发送器10和接收器20之间共享加密密钥。

图14所示为相对于基底和随机数四种组合的接收器定时控制顺序的握手图。图15A至15D分别是图解示出了对于基底和随机数四种组合的每一种组合，接收器所检测到的功率变化的曲线图。因为可以在本地确定接收器20中的最佳时钟定时，所以与发送器中的定时控制的情况相比，更少数量的控制信号被交换。因为如上所述发送器10有对应于基底和随机数组合的四种类型调制，所以对发送器10所实施的每种类型调制都执行对接收器20中最佳时钟定时的搜索。

在接收器中的定时搜索中，定时控制器240首先将接收器20设置为量子模式，并向发送器10发送用于变到量子模式的模式改变信号。结果，普通光功率的双脉冲从接收器20发送到发送器10，并且如上所述被调制的弱功率光脉冲从发送器10返回到接收器20。

一旦设置为量子模式，定时控制器240就这样控制通信控制器230，使得量子模块200自己一方所使用的接收基底被设置为“+”。进一步，定时控制器240命令将发送器10的量子模块100中所使用的基底和随机数分别设置为“+”和“0”。根据来自于同步模块210的时钟信号CLK，在门控Geiger方式下驱动APD0和APD1。因此，由提供时钟信号CLK的定时(时钟定时)来确定要施加于APD0和APD1的偏压增加的定时。同步模块210可以使时钟定时移位在0至2π范围变化的任意数量步长。时钟定时的移位全都在接收器20中被本地执行。

首先，接收器20中的定时控制器240命令同步模块210将时钟步长设为0。随后，定时控制器240命令同步模块210将时钟信号CLK移位一个步长，借此使反向偏压施加于光子探测器APD0和APD1。因而，从发送器10到达的弱功率脉冲P1被相位调制器206相位调制，产生了脉冲P1^*b，并且该脉冲P1^*b和到达的脉冲P2^*a的干涉结果被光子探测器APD0和APD1检测到，并作为光子检测结果而被存储在存储器250中。

定时控制器240在每次都使施加于光子探测器APD0和APD1的电压的定时移位一个步长的同时，重复该操作，直到总时钟移位量达到2π为止。记录对于所设置的基底“+”和随机数“0”所获得的光子检测结果。

图15A示出了这样存储在存储器250中的观测值随定时移位量φ的变化。在图15A至15D中，水平轴代表时钟移位量φ，且垂直轴代表所观测的光功率。用示意图显示了APD0所观测的光功率(实线)和APD1所观测的光功率(虚线)。如图15A所示，当时钟相位正确时，因为发自发送器10的随机数是“0”，所以光子被APD0检测到。当时钟相位偏移时，没有光子被检测到。

以下，类似地按“+，1”、“×，0”和“×，1”的顺序，将发送器10中所使用的基底和随机数组合变为“+，1”、“×，0”和“×，1”，如图15B至D所示。对于每种组合，都使接收器20中的时钟定时移位，并将APD0和APD1的光子检测结果存储在存储器250中，如图15B至15D所示。

1.6)接收器最佳定时的确定

在图15A至15D中，APD0和APD1输出功率之比即光子检测比或消光比，用点线表示。当发送随机数“0”时，在此因为光应该输出到APD0，所以消光比被表示为APD0所获得的观测值与APD1所获得的观测值之比(APD0/APD1)。而且，当发送随机数“1”时，在此因为光应该输出到APD1，所以消光比被表示为APD1所获得的观测值与APD0所获得的观测值之比(APD1/APD0)。注意，通过用示意图划出最大和最小点随时钟移位量φ而变，来获得在此示出的消光比，并且垂直轴上的值不代表实际值。

APD0和APD1的输出功率以及接收器20所实施的相应时钟移位量φ全部被存储在存储器250中。基于该数据来确定接收器20中的最佳时钟定时。因为确定方法类似于1.4)节描述的发送器10的情况下所使用的方法，所以将省略对该确定方法的说明。

经过这样确定的移位量移位的时钟信号CLK能够和光脉冲的入射定时很好地同步。而且，经过这样确定的移位量移位的时钟CLK也被接收器20中的相位调制器206所使用，因为该相位调制器206位于同一接收器20中。

1.7)优点

如上所述，根据该实施例，在接收器20的控制下，首先使发送器10中的相位调制定时一个步长接一个步长地移位，并且每当使相位调制定时移位一个步长，都将接收器20所得到的检测结果存储在存储器250中。基于该存储的数据，来确定发送器10中的相位调制最佳定时。因此，接收器端有可能检查发送器10中的相位调制定时是否正确。结果，可以使接收器20中的光子探测器的驱动定时和光子的入射定时精确地重合。因而，可以实现稳定的相位调制和光子检测。当该实施例应用于量子密钥分发系统时，可以实现快速稳定的密钥产生。

2.第二实施例

图16所示为根据本发明第二实施例的量子密钥分发系统的配置框图。和第一实施例中一样，根据该第二实施例的量子密钥分发系统采用即插即用结构。然而，该实施例不同于第一实施例之处在于，在发送器10的量子模块100中使用了法拉第反射镜，而非PBS环。注意，具有和图3所示部件类似的功能的部件被赋予和图3一样的附图标记，并将省略对它们的详细描述。

发送器10中的量子模块100包括串联的法拉第反射镜101、相位调制器102和可变光衰减器105。来自于传输线30的双脉冲被法拉第反射镜101反射，双脉冲的每个脉冲的偏振态都旋转了π/2，然后只有后来的脉冲被相位调制器102相位调制。换句话说，相位调制器102和返回方向上的双脉冲中的第二脉冲通过相位调制器102的定时同步，执行取决于基底和随机数组合的四种调制深度(0、π、π/2和3π/2)之一。

因此，该实施例的系统和第一实施例的系统的不同之处仅仅在于要提供给发送器10中的相位调制器102的时钟CLK相位，以及由此光子探测器APD0和APD1所检测的干涉结果。确定用于驱动相位调制器102的最佳时钟定时的方法，以及确定用于驱动光子探测器APD0和APD1的最佳时钟定时的方法，类似于第一实施例中连同图6一起描述的程序。因此，当认为适当时，将参考第一实施例中所使用的图6和图7A至7D，来简要描述该实施例中的操作。

2.1)定时控制程序

根据第二实施例，和第一实施例中一样，首先对发送器10执行定时控制，然后对接收器20执行定时控制。发送器10中的定时控制全部是在来自接收器20中的定时控制器240的指令下被执行的。

参考图6，定时控制器240首先将接收器20设置为训练模式。在该设置下，光子探测器APD0和APD1以固定偏压操作，而不是在门控Geiger方式下操作，并且测量平均光功率。随后，定时控制器240这样控制通信控制器230，使得用于变到训练模式的模式改变信号被发送到发送器10。发送器10中的通信控制器130利用该信号使可变光衰减器105减小损耗量，由此将输出光功率增大到普通通信级别(S401)。从而，普通光功率的双脉冲从接收器20发送到发送器10，被发送器10中的法拉第反射镜101反射，如上所述被相位调制，然后从发送器10返回到接收器20。

一旦设置为训练模式，定时控制器240就这样控制通信控制器230，使得基底和随机数四种组合之一被选择，对接收器20中的相位调制器206设置所选定的基底，并向发送器10中的通信控制器130通知要指定的选定基底和随机数(S402)。利用该指定，通信控制器130向相位调制器102输出相位控制信号，由此设置与所选定的基底和随机数组合对应的调制深度(相位)。

随后，定时控制器240命令发送器10中的通信控制器130将施加于发送器10中相位调制器102的电压的定时移位复位(S403)。同步模块110利用该指令将时钟信号CLK的移位量复位到0初值。

当初始化定时移位时，定时控制器240命令通信控制器130实施定时移位。在该指令下，同步模块110利用预定整数N来使施加于相位调制器102的电压的定时移位2π/N，并且在该定时施加与所设置的相位调制相对应的电压(S404)。因而，从接收器20到来的双脉冲在它们通向反射点的进入路径上照原样通过相位调制器102。在它们被法拉第反射镜101反射后的返回路径上，只有双脉冲的第二脉冲被相位调制器102调制，然后该双脉冲返回到接收器20。

在接收器20中，如上所述，相位调制器206用指定的基底对所收到的双脉冲的第一脉冲进行调制，然后双脉冲在光耦合器203中相互干涉。通过APD0和APD1来测量光功率，并且APD0和APD1所获得的测量值被记录在存储器250中(S405)。

定时控制器240在每次都使施加于相位调制器102的电压的定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S404和S405，直到对所有电压施加定时都进行了测量为止。记录对于所选定的基底和随机数所获得的接收光功率测量值(S406)。

定时控制器240对基底和随机数四种组合的每一种组合都执行上述步骤S402至S406(S407)。当对基底和随机数所有四种组合都完成测量时(S407：是)，定时控制器240根据存储器250中存储的APD0和APD1测量结果，来确定发送器的最佳定时(S408)。后面将讨论确定最佳定时的方法。

在这样确定发送器最佳定时之后，对接收器20开始进行定时搜索。类似于第一实施例执行接收器定时搜索。因此，以下将描述发送器定时搜索。

2.2)发送器中的时钟定时搜索

图17A至17D分别是示出了相对于基底和随机数四种组合，接收器所测量的平均功率变化的曲线图。注意，在此忽略法拉第反射镜101和相位调制器102之间存在的光程差。

a)基底+，随机数0(0调制)

接收器20中的定时控制器240首先将相位调制器206的接收基底设置为“+”，并进一步命令发送器10中的通信控制器130将相位调制器102设置为与基底“+”和随机数“0”组合对应的调制深度。在这种情况下，0调制深度被给予在双脉冲返回路径上通过相位调制器102的双脉冲的第二脉冲P2。因此，即使在同步模块110每次使时钟定时移位2π/N的同时重复定时移位操作N次，直到时钟移位量达到2π为止，接收器20中的光子探测器APD0和APD1所观测到的光功率也不发生变化。观测值被存储在存储器250中。注意，因为当发送随机数“0”时，光应该输出到APD0，所以消光比被表示为APD0/APD1。

图17A示出了这样存储在存储器250中的观测值随定时移位量φ的变化。在图17A至17D中，水平轴代表时钟移位量φ，且垂直轴代表所观测的光功率。图解示出了APD0所观测的光功率(实线)和APD1所观测的光功率(虚线)。

b)基底+，随机数1(π调制)

接收器20中的定时控制器240在使接收器20中的基底保持为“+”的同时，命令发送器10中的通信控制器130将相位调制器102设置为与基底“+”和随机数“1”组合相对应的调制深度。在这种情况下，π调制深度被给予在双脉冲返回路径上通过相位调制器102的双脉冲的第二脉冲P2。如果在同步模块110每次都使时钟定时移位2π/N的同时，重复定时移位操作N次，直到时钟移位量达到2π为止，则接收器20中的光子探测器APD0和APD1所观测的光功率将发生变化。

当发送随机数“1”时，光应该输出到APD1。因此，如图17B所示，当时钟相位正确时，光脉冲被APD1检测到，并且几乎不能被APD0检测到。当时钟相位偏移时，干涉消失。然而，当时钟相位进一步偏移时，干涉重新出现，并且光脉冲被APD1检测到。如上所述，APD1的检测输出随时钟移位量φ的变化而周期地变化。

c)基底×，随机数0(π/2调制)

接收器20中的定时控制器240首先将相位调制器206的接收基底设置为“×”，并进一步命令发送器10中的通信控制器130将相位调制器102设置为与基底“×”和随机数“0”组合相对应的调制深度。在这种情况下，π/2调制深度被给予在双脉冲返回路径上通过相位调制器102的双脉冲的第二脉冲P2。如果在同步模块110每次都使时钟定时移位2π/N的同时，重复定时移位操作N次，直到时钟移位量达到2π为止，则接收器20中的光子探测器APD0和APD1所观测的光功率将发生变化。

当发送随机数“0”时，光应该输出到APD0。因此，如图17C所示，当时钟相位正确时，光脉冲被APD0检测到，并且几乎不能被APD1检测到。当时钟相位偏移时，干涉消失。然而，当时钟相位进一步偏移时，干涉重新出现，并且光脉冲这次被APD1检测到。如上所述，APD0和APD1的检测输出随时钟移位量φ的变化而周期地变化。

d)基底×，随机数1(3π/2调制)

接收器20中的定时控制器240在使接收器20中的基底保持为“×”的同时，命令发送器10中的通信控制器130将相位调制器102设置为与基底“×”和随机数“1”组合相对应的调制深度。在这种情况下，3π/2调制深度被给予在双脉冲返回路径上通过相位调制器102的双脉冲的第二脉冲P2。如果在同步模块110每次都使时钟定时移位2π/N的同时，重复定时移位操作N次，直到时钟移位量达到2π为止，则接收器20中的光子探测器APD0和APD1所观测的光功率将发生变化。

当发送随机数“1”时，光应该输出到APD1。因此，如图17D所示，当时钟相位正确时，光脉冲被APD1检测到，并且几乎不能被APD0检测到。当时钟相位偏移时，干涉消失。然而，当时钟相位进一步偏移时，干涉重新出现，并且光脉冲这次被APD0检测到。如上所述，APD0和APD1的检测输出随时钟移位量φ的变化而周期地变化。

2.3)优点

如上所述，根据第二实施例，在接收器20的控制下，首先使发送器10中的相位调制定时一个步长接一个步长地移位，并且每当使相位调制定时移位一个步长时，都将接收器20所获得的检测结果存储在存储器250中。基于该存储的数据，来确定发送器10中的相位调制最佳定时。因此，接收器端有可能检查发送器10中的相位调制定时是否正确。结果，可以使接收器20中光子探测器的驱动定时和光子的入射定时精确地重合。因而，可以实现稳定的相位调制和光子检测。当该实施例应用于量子密钥分发系统时，可以实现快速稳定的密钥产生。

3.其它定时控制程序

在上述第一实施例中，如图6所示，在初始化定时移位量之后，使相位调制定时顺序地移位恒定2π/N移位量，并记录所接收的光功率的变化，借此执行最佳定时搜索。然而，本发明不限于这种定时控制程序，并且可以采用其它定时控制程序。

3.1)第三实施例

图18所示为根据本发明第三实施例的定时控制程序的流程图。注意，具有和图6所示步骤相同功能的步骤被赋予和图6一样的附图标记，并将省略对它们的描述。

根据该实施例的定时控制基本流程类似于图6所示第一实施例的定时控制程序。然而，在该实施例的定时控制中，搜索开始时的初值不是被设为0，而是被设为经验确定的位置(2π/N)*i(i为整数)。即，如果考虑到使用中的相位调制器和电子电路的特性及传输距离，则有可能粗略估计移位量。因此，通过估值附近具有某一余量(margin)的整数i和j，来定义搜索范围，并在该范围内执行定时搜索。

具体地说，参考图18，定时控制器240预先存储整数i和j。当指定随机数和基底时(S402)，定时控制器240命令发送器10中的通信控制器130把施加于发送器10中相位调制器102的电压的定时移位复位到预定位置(2π/N)*i(S403a)。在该指令下，同步模块110将时钟信号CLK的移位量复位到(2π/N)*i初值。

当初始化定时移位时，定时控制器240命令通信控制器130实施定时移位。在该指令下，同步模块110使施加于相位调制器102的电压的定时从初值移位2π/N，并在该定时施加与所设置的相位调制对应的电压(S404)。从而，通过相位调制器102的四个一组脉冲的每个脉冲都如上所述被调制，然后以双脉冲的形式返回到接收器20。

在接收器20中，如上所述，相位调制器206利用指定的基底对所收到的双脉冲的第一脉冲进行调制，然后双脉冲在光耦合器203中相互干涉。通过APD0和APD1来测量光功率，并且测量值被记录在存储器250中(S405)。

用这样的方式，定时控制器240在每次都使施加于相位调制器102的电压的定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S405和S406预定次数(j次)。记录对于所选定的基底和随机数所获得的接收光功率测量值(S406a)。此后，类似对基底和随机数四种组合的每一种组合都执行步骤S402至S406(S407)，并确定发送器的最佳定时(S408)。如上所述利用经验知识来实现快速搜索。

同样，在搜索接收器定时的过程中，类似地用整数i和j来定义可以预先用经验确定的搜索范围，并将定时复位到(2π/N)*i初值(S503a)。然后，重复执行步骤S504和S505j次。

3.2)第四实施例

图19所示为根据本发明第四实施例的定时控制程序的流程图。

在根据该实施例的发送器定时搜索的过程中，首先执行粗略搜索(S602至S608)，以便将最佳定时所存在的范围缩小到某种程度，然后执行该范围的精密搜索(S609至S614)。从而，可以高速、准确地定位最佳定时。

而且，在根据该实施例的接收器定时搜索的过程中，指定基底和随机数的一种组合，并记录光子检测结果。基于该记录，将最佳定时所存在的范围缩小到某种程度(S702至S707)。随后，在指定基底和随机数的另一种组合时，执行该范围的搜索(S708至S713)。从而，可以高速、准确地定位最佳定时。以下将进行详细描述。

A)发送器定时的搜索

参考图19，首先定时控制器240预先存储整数M、N(M＜N)和j(j＜N)。当开始发送器定时搜索时，定时控制器240将接收器20设置为训练模式，并进一步向发送器10发送用于变到训练模式的模式改变信号(S601)。一旦设置为训练模式，定时控制器240就选择基底和随机数四种组合之一，对接收器20中的相位调制器206设置所选定的基底，并向发送器10通知要指定的选定基底和随机数(S602)。

随后，定时控制器240命令发送器10使施加于发送器10中相位调制器102的电压的定时移位复位(S603)，然后命令发送器10实施定时移位。在该指令下，发送器10中的同步模块110利用预定整数M，来使施加于相位调制器102的电压的定时移位2π/M，并在该定时施加与所设置的相位调制对应的电压(S604)。从而，通过相位调制器102的四个一组脉冲的每个脉冲都如上所述被调制，然后以双脉冲的形式返回到接收器20。

在接收器20中，如上所述，相位调制器206利用指定的基底对所收到的双脉冲的第一脉冲进行调制，然后双脉冲在光耦合器203中相互干涉。通过APD0和APD1来测量光功率，并且测量值被记录在存储器250中(S605)。

定时控制器240在每次都使施加于相位调制器102的电压的定时移位2π/M的同时，重复上述步骤S604和S605，直到对所有M个电压施加定时都进行了测量为止。记录对于所指定的基底和随机数所获得的接收光功率测量值(S606)。因为M小于N，所以2π/M的移位步长比接着的精密搜索的移位步长宽，使得粗略搜索成为可能。

定时控制器240对基底和随机数四种组合的每一种组合都执行上述步骤S602至S606(S607)。当对基底和随机数所有四种组合都完成测量时(S607：是)，定时控制器240根据存储器250中存储的APD0和APD1测量结果，确定发送器最佳定时所在的最佳定时位置(2π/M)*i，作为接下来要执行的精密搜索的初值。确定最佳定时的方法如同第一实施例中所描述的。

接着，定时控制器240命令发送器10将施加于发送器10中相位调制器102的电压的定时移位设置在所确定的最佳定时位置(2π/M)*i(S608)。进一步，定时控制器240选择基底和随机数四种组合之一，对接收器20中的相位调制器206设置所选定的基底，并向发送器10通知要指定的选定基底和随机数(S609)。随后，在命令发送器10实施定时移位的指令下，发送器10中的同步模块110利用预定数N来使施加于相位调制器102的电压的定时移位2π/N，并在该定时施加与所设置的相位调制对应的电压(S610)。从而，通过相位调制器102的四个一组脉冲的每个脉冲都如上所述被调制，然后以双脉冲的形式返回到接收器20。

在接收器20中，如上所述，相位调制器206用指定的基底对所收到的双脉冲的第一脉冲进行调制，然后双脉冲在光耦合器203中相互干涉。通过APD0和APD1来测量光功率，并且测量值被记录在存储器250中(S611)。

定时控制器240在每次都使施加于相位调制器102的电压的定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S610和S611，直到对所有j个电压施加定时都进行了测量为止。记录对于所指定的基底和随机数所获得的接收光功率测量值(S612)。因为N大于M，所以2π/N的移位步长是更窄的步长，使得精密搜索成为可能。

定时控制器240对基底和随机数四种组合的每一种组合都执行上述步骤S609至S612(S613)。当对基底和随机数所有四种组合都完成测量时(S613：是)，定时控制器240根据存储器250中所记录的APD0和APD1测量结果，来确定发送器最佳定时(S614)。

B)接收器定时的搜索

在接收器定时搜索的过程中，定时控制器240首先将接收器20设置为量子模式，以允许光子探测器APD0和APD1在门控Geiger方式下操作，并进一步向发送器10发送用于变到量子模式的模式改变信号。利用该信号，发送器10中的通信控制器130使可变光衰减器105增加损耗量，由此将输出光功率减小到最多每脉冲一个光子的级别(S701)。

一旦设置为量子模式，定时控制器240就选择基底和随机数四种组合之一，对接收器20中的相位调制器206设置所选定的基底，并向发送器10中的通信控制器130通知要指定的选定基底和随机数(S702)。

随后，定时控制器240这样控制同步模块210，使得施加于光子探测器APD0和APD1的电压的定时移位被复位到0(S703)。当初始化定时移位时，定时控制器240这样控制同步模块210，使得同步模块210利用预定整数N来使时钟信号CLK移位2π/N，并将反向偏压施加于光子探测器APD0和APD1(S704)。因而，通过光子探测器APD0或APD1来检测从发送器10到达的弱功率脉冲的干涉结果，并将该光子检测结果记录在存储器250中(S705)。

定时控制器240在每次都使施加于光子探测器APD0和APD1的电压的定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S704和S705，直到所有电压施加定时都完成测量为止。记录对于所选定的基底和随机数所获得的光子检测结果(S706)。当完成定时移位时(S706：是)，定时控制器240根据存储器250中所记录的APD0和APD1光子检测结果，来为当前选定的基底和随机数组合确定接收器的最佳定时(2π/N)*i，并将它设为下一次搜索的初值(S707)。确定最佳定时的方法和前面已经描述的一样。

随后，在把所确定的最佳定时(2π/N)*i用作初值的情况下，定时控制器240进一步选择剩下三种基底和随机数组合之一，对接收器20中的相位调制器206设置所选定的基底，并向发送器10通知要指定的选定基底和随机数(S708)。

随后，定时控制器240这样控制同步模块210，使得同步模块210利用预定整数N来使时钟信号CLK移位2π/N，并向光子探测器APD0和APD1施加反向偏压(S709)。因而，通过光子探测器APD0或APD1来检测从发送器10到达的弱功率脉冲的干涉结果，并将该光子检测结果记录在存储器250中(S710)。

定时控制器240在每次都使施加于光子探测器APD0和APD1的电压的定时移位2π/N的同时，重复上述步骤S709和S710，直到所所有j个电压施加定时都完成测量为止。记录对于所选定的基底和随机数所获得的光子检测结果(S711)。当完成定时移位时(S711：是)，对剩下基底和随机数组合的每一种组合执行步骤S708至S711(S712)。当对基底和随机数所有四种组合都完成测量时(S712：是)，定时控制器240根据存储器250中所记录的APD0和APD1测量结果，来确定接收器的最佳定时(S713)。确定最佳定时的方法和前面已经描述的一样。

第二方式

本发明不仅可应用于量子密钥分发系统，而且一般也可应用于要求如下所述检查发送器端调制定时的光通信系统。以下，作为应用方式，将描述其中接收器接收被发送器相位调制的光脉冲的一种单向系统。

图20所示为根据本发明第二实施方式的光通信系统的配置框图。提供了发送器来代替量子模块，该发送器具有包括激光光源106和相位调制器102的相位调制模块150。激光光源106受脉冲驱动，以输出光脉冲，该光脉冲被相位调制器102相位调制，然后被发送到光纤传输线30上。另外，发送器还装备有同步模块110、数据通信部分120和通信控制器130，它们的功能和如图2所示第一方式下的对应部件基本上相同。

接收器装备有代替量子模块的光检测模块280，并进一步装备有数据通信部分220、存储器250和通信控制器270，它们的功能和第一方式下的对应部件基本上相同。根据该实施方式的通信控制器270除具有类似于上述定时控制功能的时间方向控制功能以外，还具有控制发送器端的定时信号电压的功能，这将在后面描述。通信控制器270可以通过数据通信部分220和120与发送器中的通信控制器130进行通信。

在光检测模块280中，短路径204和长路径205被并联设置在光耦合器203和另一个光耦合器207之间，光耦合器203连接到光子探测器APD0和APD1，且另一个光耦合器207连接到光传输线30。这样调节短路径204和长路径205，以致光程差等效于一位(bit)。

要在相位调制模块150和光检测模块280之间传输的光信号是具有普通级别光功率的信号。因此，接收器端的光检测模块280不必执行门控Geiger方式接收，并且光子探测器APD0和APD1以固定偏压操作。

具体地说，激光光源106例如由归零(RZ)信号进行脉冲驱动，并且激光光源106的输出光脉冲序列在相位调制器102中经历了0或π相位调制。在沿光传输线30传播之后，光脉冲序列在接收器中的光耦合器207中被分成两个序列。沿短路径204行进的光脉冲序列和沿具有一位延迟的长路径205行进的光脉冲序列在光耦合器203中相互干涉。结果，当相位差为0时，光信号被APD0接收，但是当相位差为π时，光信号被APD1接收。换句话说，当发送器发送“0-0”或“π-π”时，接收器在APD0接收它，并且当发送器发送“0-π”或“π-0”时，接收器在APD1接收它。

然而，和第一方式一样，发送器自己不能确定相位调制器102执行调制的定时，因此需要在接收器端进行检查。

4.第五实施例

4.1)定时信号的时间方向控制

图21所示为根据本发明第五实施例的发送器定时控制程序的握手图，并且图22所示为根据本发明第五实施例的发送器定时控制程序的流程图。发送器的控制全部是在接收器的指令下执行的。因为发送器中的相位调制器102是根据来自于同步模块110的时钟而被驱动的，所以相位调制器102的驱动定时取决于提供时钟的定时(时钟定时)。同步模块110可以在接收器中的通信控制器270的指令下，使时钟定时移位在0至2π范围内变化的任意数量步长。

首先，接收器中的通信控制器270指定数据“00”，并将它通知给发送器(S801)，并且通过数据通信部分220和120来命令发送器中的同步模块110将时钟移位量清零(S802)。随后，重复执行以下步骤，直到发送器中的同步模块110所实施的时钟移位量达到2π为止。

首先，接收器中的通信控制器270命令发送器中的通信控制器130使发送器中的同步模块110的时钟移位一个步长(2π/N)。发送器中的通信控制器130促使同步模块110将时钟移位一个步长(S803)。因而，发送器中相位调制器102的驱动定时偏移了一个步长。结果，在接收器的光检测模块280中的光耦合器203中，发生了干涉，并且该干涉结果反映在APD0或APD1所接收的光功率上。把APD0和APD1所获得的接收光功率测量结果存储在存储器250中(S804)。

当所有定时移位都完成时(S805：是)，类似地，此后对于传输数据的剩下三种组合“11”、“01”和“10”的每一种，都测量输出到APD0和APD1的光功率，并将所测量的光功率存储在存储器250中(S806)。

当对传输数据的所有四种组合都完成测量时(S806：是)，根据存储器250中存储的测量结果来确定最佳定时(S807)。在这种情形下，被确定为最佳定时的是经过一定移位量移位的定时，当传输数据是“0-0”或“π-π”时、光功率在该最佳定时输出到APD0，并且当传输输出是“0-π”或“π-0”时，光功率在该最佳定时输出到APD1。

4.2)定时信号的电压控制

然而，实际上，只执行时钟的时间方向控制是不够的。即使当相位调制器102执行调制以提供“0”或“π”相位时，实际相位也不一定是“0”或“π”。这是因为，相位调制器102的相位受电压控制，并且所施加的电压和调制相位之间的关系随环境条件如发送器的环境温度而变。因此，接收器中的通信控制器270需要一直监测从APD0和APD1获得的消光比，并且当消光比下降时，需要对施加于相位调制器102的电压值进行精调。

图23所示为根据本发明第五实施例的对施加于发送器中相位调制器的电压的控制程序的流程图。通信控制器270一直接收APD0和APD1所测量的接收光功率的输入(S901)，并计算消光比E(S902)。

当与预定阈值E_TH相比、消光比E下降时(S903：是)，通信控制器270通过数据通信部分220和120，来命令发送器中的通信控制器130把施加于发送器中相位调制器102的电压改变(增大或减小)一个步长(例如100mV)(S904)。从而，使施加于相位调制器102的电压被移位一个步长，这将改变光脉冲的相位。结果，接收器中发生了干涉，并且该干涉结果反映在APD0和APD1所接收的光功率上。将APD0和APD1所获得的测量结果存储在存储器250中(S905)。

在例如预定电压值附近的正/负1V范围内的电压值，重复上述步骤S904和S905。利用这样存储在存储器250中的测量结果，把使得获得最大消光比E的电压值设为最佳电压。

通过如上所述优化施加于相位调制器102的电压，可以有效执行上述时间方向优化控制。注意，对于具有时间方向控制功能和发送器端定时信号电压控制功能的通信控制器270，该通信控制器270不仅用于该实施例中，而且也可提供给上述第一实施例，以代替接收器中的通信控制器230和定时控制器240。

4.3)优点

如上所述，根据该实施例，在接收器20的控制下，首先使发送器10中的相位调制定时一个步长接一个步长地移位，并且每当使相位调制定时移位一个步长时，都将接收器20所获得的检测结果存储在存储器250中。基于该存储的数据，来确定发送器10中的相位调制最佳定时。因此，接收器端有可能检查发送器10中的相位调制定时是否正确。而且，根据该实施例，在接收器中一直监测消光比，并且当消光比下降时，对驱动相位调制器的电压进行精调，借此可以适当地执行相位调制。通过如上所述进行控制，有可能实现一种能够进行稳定和高度可靠相位调制的光通信系统。

本发明不仅可应用于双向量子密钥分发系统如上述即插即用系统，而且也可应用于单向量子密钥分发系统。另外，本发明可应用于量子加密通信中的所有系统。而且，本发明不限于量子密钥分发，而是也可应用于利用普通功率级光信号执行的一般光通信的相位调制系统。

Claims (35)

1.一种利用多个通信信道在第一通信设备和第二通信设备之间传输信息的光通信系统，其中

第一通信设备包括：

相位调制器，用于在调制定时时，根据与传输信息对应的相位控制信号对光信号进行相位调制，以便通过第一通信信道将经过相位调制的光信号发送给第二通信设备；以及

第一控制器，用于根据通过第二通信信道从第二通信设备收到的控制信号来控制相位调制器，以及

第二通信设备包括：

探测器，用于借助于通过第一通信信道从第一通信设备收到的光信号的光干涉，来检测传输信息；以及

第二控制器，用于通过第二通信信道向第一通信设备发送调制定时控制信号，其中该调制定时控制信号是用于根据探测器的检测结果来控制第一通信设备的调制定时的控制信号。

2.根据权利要求1所述的光通信系统，其中第二控制器向第一通信设备顺序地发送调制定时控制信号，以使相位控制信号施加于相位调制器的时期在时间上移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把随光干涉而变的探测器检测结果记录到存储器中。

3.根据权利要求2所述的光通信系统，其中第二控制器根据存储器中所记录的取决于移位量的检测结果变化，从提供期望的探测器检测结果的移位量来确定相位控制信号的施加时期。

4.根据权利要求1所述的光通信系统，其中相位控制信号具有多个值，其中对于相位控制信号的多个值的每个值，第二控制器都向第一通信设备顺序地发送调制定时控制信号，以使相位控制信号值施加于相位调制器的时期在时间上移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把对于相位控制信号的多个值的每个值的、随光干涉而变的探测器检测结果，记录到存储器中。

5.根据权利要求4所述的光通信系统，其中第二控制器根据存储器中所记录的、对于相位控制信号的多个值的每个值的、取决于移位量的检测结果变化，从对于相位控制信号的多个值的每个值都提供期望探测器检测结果的移位量，来确定相位控制信号的施加时期。

6.根据权利要求1所述的光通信系统，其中第二通信设备进一步包括用于向探测器提供检测定时的检测定时供给器，其中该探测器包括：

光干涉系统，用于引起通过第一通信信道从第一通信设备收到的光信号的光干涉；以及

光探测器，用于接收光干涉系统所输出的光，

其中第二控制器在完成调制定时的控制后，根据光探测器的检测结果来控制检测定时，该光探测器的检测结果是通过按照检测定时向光探测器施加一个光检测偏压而获得的。

7.根据权利要求6所述的光通信系统，其中第二控制器使检测定时的时期在时间上顺序地移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把光探测器的检测结果记录到存储器中。

8.根据权利要求6所述的光通信系统，其中第二控制器根据存储器中所记录的取决于移位量的检测结果变化，从提供期望探测器检测结果的移位量来确定检测定时的时期。

9.根据权利要求6所述的光通信系统，其中相位控制信号有多个值，其中对于相位控制信号的多个值的每个值，第二控制器都使检测定时的时期在时间上顺序地移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把对于相位控制信号的多个值的每个值的、光探测器的检测结果记录到存储器中。

10.根据权利要求9所述的光通信系统，其中第二控制器根据存储器中所记录的、对于相位控制信号的多个值的每个值的、取决于移位量的检测结果变化，从对于相位控制信号的多个值的每个值都提供期望探测器检测结果的移位量，来确定检测定时的时期。

11.根据权利要求6所述的光通信系统，其中通过将光信号设置为普通光功率，并把光检测偏压作为固定偏压施加于光探测器上，来执行调制定时的控制；以及

通过将光信号设置为非常弱的光功率，并按照检测定时向光探测器施加光检测偏压，来执行检测定时的控制。

12.根据权利要求11所述的光通信系统，其中非常弱的光功率等于或小于每脉冲一个光子。

13.根据权利要求1所述的光通信系统，其中多个通信信道被波长复用，其中具有不同波长的信道之间的传播延迟差被补偿。

14.一种能够利用多个通信信道与光接收器进行通信的光发送器，该光发送器包括：

相位调制器，用于在调制定时时，根据传输信息对光信号进行相位调制，以便通过第一通信信道将经过调制的光信号发送给光接收器；以及

控制器，用于根据通过第二通信信道从光接收器收到的定时控制信号来使调制定时移位，

其中使光接收器控制调制定时。

15.一种能够利用多个通信信道与光发送器进行通信的光接收器，该光接收器包括：

光干涉系统，用于引起通过第一通信信道从光发送器收到的经过相位调制的光信号的光干涉；

光探测器，用于接收光干涉系统所输出的光；以及

控制器，用于根据光探测器的检测结果，通过第二通信信道向光发送器发送定时控制信号，以控制光发送器的相位调制定时。

16.一种量子密钥分发系统，包括：根据权利要求14的光发送器；以及根据权利要求15的光接收器。

17.一种利用多个通信信道在第一通信设备和第二通信设备之间传输信息的光通信方法，其中第一通信设备包括相位调制器和第一控制器，以及第二通信设备包括探测器和第二控制器，所述方法包括：

在第一通信设备处，

由相位调制器在调制定时时根据与传输信息对应的相位控制信号对光信号进行相位调制，以便通过第一通信信道将经过相位调制的光信号发送给第二通信设备；以及

由第一控制器根据通过第二通信信道从第二通信设备收到的控制信号来控制相位调制器，以及

在第二通信设备处：

由探测器借助于通过第一通信信道从第一通信设备收到的光信号的光干涉，来检测传输信息；以及

由第二控制器通过第二通信信道向第一通信设备发送调制定时控制信号，其中该调制定时控制信号是用于根据探测器的检测结果来控制第一通信设备的调制定时的控制信号。

18.根据权利要求17所述的光通信方法，其中第二控制器向第一通信设备顺序地发送调制定时控制信号，以使相位控制信号施加于相位调制器的时期在时间上移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把随光干涉而变的探测器检测结果记录到存储器中。

19.根据权利要求18所述的光通信方法，其中第二控制器根据存储器中所记录的取决于移位量的检测结果变化，从提供期望的探测器检测结果的移位量来确定相位控制信号的施加时期。

20.根据权利要求17所述的光通信方法，其中相位控制信号具有多个值，其中对于相位控制信号的多个值的每个值，第二控制器都向第一通信设备顺序地发送调制定时控制信号，以使相位控制信号值施加于相位调制器的时期在时间上移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把对于相位控制信号的多个值的每个值的、随光干涉而变的探测器检测结果，记录到存储器中。

21.根据权利要求20所述的光通信方法，其中第二控制器根据存储器中所记录的、对于相位控制信号的多个值的每个值的、取决于移位量的检测结果变化，从对于相位控制信号的多个值的每个值都提供期望探测器检测结果的移位量，来确定相位控制信号的施加时期。

22.根据权利要求17所述的光通信方法，其中第二通信设备进一步包括用于向探测器提供检测定时的检测定时供给器，其中该探测器包括：

光干涉系统，用于引起通过第一通信信道从第一通信设备收到的光信号的光干涉；以及

光探测器，用于接收光干涉系统所输出的光，

其中第二控制器在完成调制定时的控制后，根据光探测器的检测结果来控制检测定时，该光探测器的检测结果是通过按照检测定时向光探测器施加一个光检测偏压而获得的。

23.根据权利要求22所述的光通信方法，其中第二控制器使检测定时的时期在时间上顺序地移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把光探测器的检测结果记录到存储器中。

24.根据权利要求22所述的光通信方法，其中第二控制器根据存储器中所记录的取决于移位量的检测结果变化，从提供期望探测器检测结果的移位量来确定检测定时的时期。

25.根据权利要求22所述的光通信方法，其中相位控制信号有多个值，其中对于相位控制信号的多个值的每个值，第二控制器都使检测定时的时期在时间上顺序地移位，其中每当该时期被移位时，第二控制器都把对于相位控制信号的多个值的每个值的、光探测器的检测结果记录到存储器中。

26.根据权利要求25所述的光通信方法，其中第二控制器根据存储器中所记录的、对于相位控制信号的多个值的每个值的、取决于移位量的检测结果变化，从对于相位控制信号的多个值的每个值都提供期望探测器检测结果的移位量，来确定检测定时的时期。

27.根据权利要求22所述的光通信方法，其中通过将光信号设置为普通光功率，并把光检测偏压作为固定偏压施加于光探测器上，来执行调制定时的控制；以及

通过将光信号设置为非常弱的光功率，并按照检测定时向光探测器施加光检测偏压，来执行检测定时的控制。

28.根据权利要求27所述的光通信方法，其中非常弱的光功率等于或小于每脉冲一个光子。

29.根据权利要求17所述的光通信方法，其中多个通信信道被波长复用，其中具有不同波长的信道之间的传播延迟差被补偿。

30.一种在利用多个通信信道和另一通信设备互通信息的通信设备中的定时控制方法，该定时控制方法包括：

a)顺序地指定另一通信设备中的多种调制深度之一，并通过第一通信信道向该另一通信设备发送调制深度控制信号，以便将该另一通信设备设置为所指定的调制深度；

b)通过第一通信信道向该另一通信设备发送定时控制信号，以便将该另一通信设备的调制定时设为初值；

c)通过第一通信信道向该另一通信设备发送定时移位控制信号，以使该另一通信设备的调制定时移位；

d)检测通过第二通信信道从该另一通信设备收到的经过调制的信号；

e)重复c)和d)预定次数，以记录每当c)和d)被执行时，d)中所获得的检测结果；

f)重复a)至e)，直到所有的多种调制深度都已完成为止；以及

g)根据相对于e)中记录的检测结果的调制定时移位量，来确定该另一通信设备的调制定时。

31.根据权利要求30所述的定时控制方法，其中调制定时的移位范围受a)中的初值和e)中的预定次数限制。

32.根据权利要求30所述的定时控制方法，进一步包括：

h)在确定了另一通信设备的调制定时之后，通过第一通信信道向该另一通信设备发送功率控制信号，以便将该另一通信设备所输出的光信号设置为非常弱的功率；

i)顺序地指定该另一通信设备中的多种调制深度之一，并通过第一通信信道向该另一通信设备发送调制深度控制信号，以便将该另一通信设备设置为所指定的调制深度；

j)将通信设备的检测定时设为初值；

k)使检测定时移位；

l)按照k)中所设置的检测定时，来检测通过第二通信信道从该另一通信设备收到的经过调制的信号；

m)重复k)和l)预定次数，并记录每当k)和l)被执行时，l)中所获得的检测结果；

n)重复i)至m)，直到所有多种调制深度都完成了为止；以及

o)根据相对于m)中所记录的检测结果的检测定时移位量，来确定通信设备的检测定时。

33.根据权利要求32所述的定时控制方法，其中检测定时的移位范围受j)中的初值和m)中的预定次数限制。

34.一种在利用多个通信信道和另一通信设备互通信息的通信设备中的定时控制方法，该定时控制方法包括：

a)顺序地指定另一通信设备中的多种调制深度之一，并通过第一通信信道向该另一通信设备发送调制深度控制信号，以便将该另一通信设备设置为所指定的调制深度；

b)通过第一通信信道向该另一通信设备发送定时移位控制信号，以使该另一通信设备的调制定时移位第一移位量；

c)检测通过第二通信信道从该另一通信设备收到的经过调制的信号；

d)重复b)和c)，直到预定的移位范围完成了为止，并记录每当b)和c)被执行时，c)中所获得的检测结果；

e)重复a)至d)，直到所有多种调制深度都完成了为止；

f)根据相对于d)中所记录的检测结果的调制定时移位量，来确定该另一通信设备的初始调制定时值，并通过第一通信信道向该另一通信设备发送定时控制信号，以便将该另一通信设备的调制定时设置为该初始调制定时值；

g)顺序地指定该另一通信设备中的多种调制深度之一，并通过第一通信信道向该另一通信设备发送调制深度控制信号，以便将该另一通信设备设置为所指定的调制深度；

h)通过第一通信信道向该另一通信信道发送定时移位控制信号，以使该另一通信设备的调制定时移位第二移位量，该第二移位量小于第一移位量；

i)检测通过第二通信信道从该另一通信设备收到的经过调制的信号；

j)重复h)和i)预定次数，并记录每当h)和i)被执行时，i)中所获得的检测结果；

k)重复g)至j)，直到所有多种调制深度都完成了为止；

l)根据相对于j)中所记录的检测结果的调制定时移位量，来确定该另一通信设备的调制定时。

35.根据权利要求34所述的定时控制方法，进一步包括：

m)在确定了该另一通信设备的调制定时之后，通过第一通信信道向该另一通信设备发送功率控制信号，以便将该另一通信设备所输出的光信号设置为非常弱的功率；

n)指定多种调制深度之一；

o)将通信设备的检测定时设为初值；

p)使检测定时移位；

q)按照p)中所设置的检测定时，来检测通过第二通信信道从该另一通信设备收到的经过调制的信号；

r)重复p)和q)预定次数，并记录每当p)和q)被执行时，q)中所获得的检测结果；

s)根据相对于r)中所记录的检测结果的检测定时移位量，来确定该通信设备的第一检测定时；

t)将通信设备的检测定时设为第一检测定时，作为初值；

u)顺序地指定除n)中所指定的调制深度之外的所有调制深度之一；

v)使检测定时移位；

w)按照v)中所设置的检测定时，来检测通过第二通信信道从该另一通信设备收到的经过调制的信号；

x)重复v)和w)预定次数，并记录每当v)和w)被执行时，w)中所获得的检测结果；

y)重复v)至x)，直到所有剩下的调制深度都完成了为止；以及

z)根据相对于x)中所记录的检测结果的检测定时移位量，来确定通信设备的最佳检测定时。

Images