Исследование интегрально-оптических элементов для квантовой криптографии с фазовым кодированием

• Автор: Кулиш, Ольга Александровна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 172 с. : ил.

1. Физические и схемотехнические принципы квантовой
передачи информации по оптическим каналам связи
1.1 Оптическое поляризационное кодирование в квантовой криптографии
1.2 Оптическое фазовое кодирование в квантовой криптографии
1.3 Волоконно-оптические компоненты квантовой криптографии
с фазовым кодированием
Выводы к главе
2. Моделирование и расчет оптических элементов и схем фазового кодирования
для квантовых систем связи
2.1 Оптический микроволноводный интерферометр со спиралевидной линией задержки: общие вопросы разработки и расчет схемотехнических вариантов построения
2.2 Расчет и оптимизация волноводной структуры интерферометра
2.3 Пространственно-временная характеристика распространения импульсного оптического сигнала в квантовом интерферометре
2.4 Исследование влияния поляризационных характеристик
оптического квантового кодера на видность интерференционной картины
Выводы к главе
3. Исследование принципов построения и расчет оптических поляризационных элементов для квантовой криптографии
3.1 Пространственное разделение ТЕ- и TM-волн в интегрально-оптическом Y-разветвителе на основе диэлектрических изотропных слоев
3.2 Моделирование и расчет нового оптического разделителя
ТЕ/ТМ поляризаций на основе металлодиэлектрического волноводного двухлучевого интерферометра
3.3 Экспериментальное исследование интегрально-оптического поляризационного разделителя ТЕ- и TM-волн интерференционного типа
Выводы к главе
Заключение
Литература
Возрастающие потребности общества в надежных оптических системах обработки и передачи конфиденциальной информации стимулируют научные исследования по созданию и совершенствованию их элементной базы на основе новейших достижений в области физики квантовой информации. Традиционные каналы связи не обеспечивают секретности в силу своей физической природы. С появлением квантовой криптографии наметился новый путь решения проблемы секретного оптического канала связи со строгим обоснованием его секретности.
В основе квантовой криптографии лежит квантово-механический принцип невозможности клонирования квантового объекта. Если в качестве передатчика секретного кода выступают состояния отдельных фотонов, становится невозможным такой вид атаки как пассивный мониторинг, то есть несанкционированное считывание передаваемой информации. Если в классической криптосистеме такие атаки не могут быть обнаружены ни отправителями, ни получателями сообщений, то в системах квантовой криптогроафии любая попытка копирования информации приводит к резкому возрастанию числа ошибок в сообщении.
В настоящее время разработаны протоколы для оптических систем квантовой криптографии. Основными из них являются протокол, связанный с кодированием поляризационных состояний фотонов в двух неортогональных базисах, и протокол, основанный на фазовой модуляции с интерферометрическим детектированием. Оба протокола позволяют передать случайную последовательность бит, которая затем может быть использована в качестве ключа для кодирования и декодирования сообщений, посылаемых по открытому информационному каналу. Для достижения однофотонного режима передачи сигналов импульсы лазера подавляют аттенюаторами так, что вероятность появления фотона в каждом импульсе становится порядка 0,1. Разработаны также варианты квантовых протоколов на основе эффекта Эйнштейна-Подольского-Розена и теоремы Белла.
Исторически первыми появились установки квантовой криптографии, использующие протоколы передачи ключа с помощью различных поляризационных состояний фотонов. Для таких установок существует возможность передачи световых импульсов в открытом пространстве, поскольку в атмосфере отсутствует двулучепреломление. В настоящее время экспериментально доказана осуществимость передачи секретного ключа с помощью спутника, находящегося на низкой околоземной орбите.
Однако применение поляризационного кодирования в волоконно-оптических каналах квантовой связи приводит к ряду принципиальных проблем. При прохождении света по
волокну на состояние его поляризации будут влиять эффекты, вызванные геометрией светового пути. Необходим тщательный отбор различных компонентов передающих и принимающих модулей для минимизации внутренней поляризационной зависимости.
Вероятно, такая связь, если и будет реализована, то будет неустойчивой и ненадежной.
Более актуальной для передачи ключа по оптическому волокну оказалась разработка квантово-криптографических систем с фазовым кодированием. Их конструкция основана на двух разбалансированных интерферометрах Маха-Цендера. Для получения четкого сигнала на выходе системы интерферометры должны быть полностью идентичны с точностью до долей длины волны, что практически сложно осуществить при использовании волоконных световодов. Большой проблемой так же является дрейф фазы, уменьшение которого требует тщательной температурной стабилизации интерферометров и применения систем
компенсации набега фазы. Получение четкой интерференции в таких системах требует тщательного поляризационного согласования.
Таким образом, для стабильной работы криптографических систем с фазовой модуляцией необходимо устранение вышеперечисленных недостатков. Решение этих проблем на элементной базе современной волоконной оптики является очень сложной задачей. Применение интегрально-оптической технологии позволяет создать интерферометры с требуемой точностью геометрических параметров, а также значительно уменьшить размеры оптического устройства, что облегчает и упрощает его термостабилизацию.
Учитывая тот факт, что обыкновенные волоконно-оптические световоды
телекоммуникационных систем не поддерживают постоянной поляризацию оптических сигналов, простая схема квантовой криптографии с фазовым кодированием может быть модифицирована для достижения более четкой интерференционной картины и снижения количества ошибок при передаче информации. Это требует введения поляризационных элементов - расщепителей и преобразователей поляризации.
Большинство конструктивных разработок поляризационных расщепителей основано на использовании составного волновода с разнотипными материалами сердцевин, что является технологически сложной задачей и приводит к потерям мощности излучения. Поэтому актуальным является создание простых, эффективных и универсальных пространственных разделителей поляризации. Исследования, направленные на решение этой задачи, могут быть самого разного плана - как в сфере поиска оригинальных принципов построения разделителей поляризации на основе стандартной элементной базы интегральной оптики, так и в области поиска принципиально новых физических эффектов.
Целью настоящей работы являлось исследование и физико-математическое моделирование интегрально-оптических элементов для схем квантовой криптографии с фазовым

(VI + кг0п2(х,г)У¥(х,г) = 0 (2.2.23)
Граничные условия предполагают непрерывность самой функции Еу и ее первой производной. Решение задачи для изогнутого волновода может быть упрощено с применением конформного отображения, которое преобразует исходную двумерную задачу к одномерной, соответствующее преобразование изогнутого волновода в прямой показано на рисунке 2.9. При этом вводится преобразованный профиль показателя преломления волновода в радиальном направлении. Такое преобразование показано на рисунке 2.10. Примеры преобразования профиля показателя преломления при разных радиусах кривизны волновода приведены на рисунке 2.11. Раскладывая V2. в уравнении Гельмгольца с помощью соотношения Коши-Римана ~ = ~ , получим:
(7»у + [-Ц^] Цпг(х(и,),г(и,у))^Ч'Сх.г)
тае[^]2= (1г)2 + (1г)2
Конформное отображение преобразует систему координат некоторым образом и ищет решение как функцию новых переменных и и V. Цель такой трансформации состоит в подборе вида преобразований, позволяющих перейти от криволинейных границ плоскости Охг к прямолинейным границам в плоскости Оиг . С учетом цилиндрической симметрии для изогнутого по дуге волновода вид конформного отображения может быть следующим:
и + п = Л1п(^±П2.) (2.2.24)
Конформное отображение может быть упрощено следующей простой заменой переменных, которое более удобно для цилиндрической симметрии (в цилиндрической или полярной системе координат):
г = Ух2 +72 = Дехр-^- (2.2.25)
<Р = Іап'Чт) = я"
Таким образом, переменная и отвечает за изменение в радиальном направлении, а переменная V - за изменение угловой координаты. Поэтому после конформного преобразования уравнения (2.2.24), показатель преломления остается функцией одной переменной и и не зависит от V. Оператор Лапласа может быть переписан в координатах и и V