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做量子密钥分发（QKD）系统的人，迟早会在光路子系统上摔几跤。我当年第一次搭相位编码链路，连续一周干涉可见度上不去，最后排查下来居然是温度漂移把光纤臂长带偏了。所以这个系列的第二篇，我打算把光路子系统单独拎出来聊透，从光源、衰减、调制到不等臂干涉仪、单光子探测和同步，把设计思路和实操细节一次讲清楚。

这篇文章适合正在搭QKD原型机的学生、刚接触量子通信的工程师，以及想搞明白“光子到底怎么编码和测量”的非光学专业朋友。我会用自己做过的链路做例子，给出可以直接参考的设计参数、调试步骤和避坑经验。看完之后，你应该能对一套实验室级QKD系统的光路结构有一个完整认识，也知道该从哪里下手开始搭。

1. 光路子系统整体架构：从端到端先搭一个框架

1.1 光路子系统在整个QKD系统里扮演什么角色

QKD的本质，是发送端（Alice）把密钥比特编码到单个光子的量子态上，接收端（Bob）通过测量来提取这些比特。如果中间存在窃听者，任何测量行为都会不可避免地扰动量子态，两端通过比对误码率就能发现异常。而光路子系统，就是负责“产生光子、编码量子态、传输、解码、探测”的所有光学硬件和光机结构的集合。

从模块上看，一套典型的实验室QKD光路包含这么几个部分：

• 光源模块：通常是一台窄线宽脉冲激光器，输出一定重复频率的光脉冲。
• 编码模块：通过强度调制器、相位调制器，把密钥比特编码到光子的某个自由度上。
• 衰减模块：把宏观光强衰减到单光子量级，让每个脉冲的平均光子数低于0.1。
• 信道传输：在实验室里就是一段标准单模光纤，在工程场景下可能是几十公里甚至上百公里的光缆。
• 解码/干涉模块：Bob端的非平衡干涉仪，用来把相位信息转化成强度信息。
• 探测模块：单光子探测器，通常还要配合门控和同步电路。

在动手设计之前，先别急着选器件，要先把整个链路的“损耗预算”和“时序关系”算明白。我见过不少同学上来就买一堆光学元件，装起来之后发现计数率低到探测器根本起不了门控，就是因为没有提前估算损耗，也没有统一设计时序。

1.2 编码方案怎么选：偏振、相位还是时间相位

编码方案是整个光路设计的核心决策。量子密钥分发最常见的三种编码方式各有优劣，我列一张表方便对比：

我自己的经验是：在实验室环境里，单不等臂干涉仪加相位编码是最容易复现、也最能讲清楚原理的方案。它的调制逻辑直接对应BB84协议的双基选择，调试时也方便用连续光逐级排查问题。偏振编码虽然看着简单，但普通单模光纤里面的偏振态会被温度、应力随机改变，不用保偏光纤的话，干涉可见度会飘到你怀疑人生。而时间相位编码的抗扰性最好，但探测器门控、多时间片解码的复杂度会成倍上升，初期不建议碰。

1.3 先做链路损耗预算，再定器件参数

一条光路的器件参数，很大程度上是由损耗预算决定的。我建议先画一张表，把每一段的预期损耗写下来，再去反推光源功率和探测器灵敏度。

举个例子，假设我选1550nm波长，设计链路如下：激光器出纤功率0dBm，经过编码和衰减模块总损耗约12dB（调制器、耦合器、连接器），传输一段2km单模光纤损耗约0.4dB，Bob端干涉仪和光纤跳线损耗约8dB，最后到达探测器的光功率大概是0dBm - 12dB - 0.4dB - 8dB = -20.4dBm。这个功率显然不是单光子水平，是因为衰减模块还没有算进去。

衰减模块的目的是把每个脉冲的平均光子数降到μ≈0.1左右。1550nm单光子的能量大约是1.28×10⁻¹⁹焦耳，如果脉冲重复频率是1MHz，那么平均光功率要达到P = μ × hν × f ≈ 1.28×10⁻¹⁴瓦，换算成dBm大约是-109dBm。也就是说，从-20.4dBm再衰减掉将近90dB，才能进入单光子量级。这个数值听起来很夸张，实际操作也确实需要二级甚至三级衰减，否则一个大功率衰减器很难同时保证精度和稳定性。

结论就是：损耗预算不是最后验证用的，而是最开始定的。它决定了你需要几级衰减、探测器需要多少效率、同步光能不能从同一光源分出来。

2. 光源、衰减与调制：把单光子信号稳定地造出来

2.1 光源选型：为什么DFB激光器是起步首选

对于相位编码QKD，光源的核心要求是窄线宽、波长稳定、能输出高速脉冲。市场上常见的窄线宽激光器有DFB分布反馈激光器、外腔半导体激光器和光纤激光器。DFB激光器因为体积小、驱动简单、线宽能做到几百kHz到几MHz，是实验室搭建QKD链路的性价比之选。

为什么要在意线宽？因为非平衡干涉仪的两臂之间存在一个时延差Δt，同一光脉冲分成两路之后，要经过不同长度的光纤再干涉。如果激光器的相干时间小于Δt，两路光在第二个耦合器处叠加时已经不再相干，干涉条纹就会消失。粗略估计，线宽Δν要远小于1/Δt。比如时延差取5ns，对应1/Δt是200MHz，那么线宽只有远小于200MHz才能保证干涉清晰。常用DFB激光器的线宽通常在MHz量级，完全够用。

另外，波长建议优先选1550nm。一个是这个波段在光纤里的损耗最低（约0.2dB/km），有利于后续扩展到长距离；另一个是1550nm的InGaAs单光子探测器技术最成熟，门控模式、暗计数等指标都能满足QKD需求。1310nm虽然色散更小，但探测器选项要少很多。

2.2 衰减链路怎么搭：从毫瓦到单光子

从宏观光强到单光子水平，衰减不是“随便串几个衰减器”这么简单。我最初只用一个可调衰减器，结果发现衰减量一大，输出功率就不稳定，插损波动对计数率影响极其明显。后来改成二级衰减结构：先用一个6dB到10dB的光衰减器把功率粗调到安全范围，再用一个高精度可调衰减器（0到60dB）做精确调整，最后再加一个固定衰减器兜底，确保探测器端绝对不会因为意外出现强光。

衰减器选型要注意两点：一个是回波损耗，光纤连接器端面反射回来的光会干扰光源稳定性，所以单模光纤链路里最好加隔离器；另一个是精度和重复性，实验中需要记录不同诱骗态强度，衰减器至少要能稳定复现几个强度档位。

关于“衰减到单光子水平”还一个问题，就是衰减后的脉冲仍然服从相干态的泊松分布，也就是说，即使平均光子数μ=0.1，依然有概率出现含两个以上光子的脉冲。这就是QKD系统设计里必须考虑诱骗态协议的原因——通过随机发送不同强度的光脉冲来探测光子数分裂攻击。实验室初步搭建时，可以先不管协议细节，但硬件上一定要预留调节强度的能力。

2.3 相位调制和强度调制：偏置点与控制电压

编码模块里，相位调制器是核心。常用的铌酸锂（LiNbO₃）相位调制器通过外加电场改变晶体折射率，从而改变光相位。驱动信号通常是几十伏量级的脉冲，需要配合一个偏置控制器稳定工作点。

这里有个很关键的实操点：相位调制器的半波电压（Vπ）随温度会有漂移，如果直接用固定电压驱动，编码相位会偏掉。我刚搭系统时遇到过误码率突然从3%涨到10%，排查很久才发现是因为实验室内空调温度变化，导致调制器偏置点漂移。解决办法有两个：一是给调制器装温控封装，二是定期校准偏置电压，用测试计数率最大/最小来反推相位零点。

强度调制器在某些方案里也需要，比如制备诱骗态时就要精确控制脉冲强度。但如果你只是在跑基础BB84，强度调制可以先不做，用固定衰减器也能凑合。不过一旦要验证更完整的协议，强度调制器就是绕不开的模块，建议在设计光路时就把它的插损预算预留进去。

2.4 脉冲时序和电驱动信号怎么对齐

光路子系统不光是光学器件，电信号时序同样直接影响编码质量。光源的触发信号、相位调制器的驱动信号、衰减后的脉冲到达Bob端的时间，这三者必须严格对应。我通常会用一个可编程延迟发生器来调对齐关系，先用示波器接快速光电探测器看脉冲序列，再逐级调整延迟值，让调制窗口正好套住光脉冲的顶部。

在实验记录里我还发现，调制驱动信号的上升沿对相位编码质量影响很大。如果上升沿太慢，光脉冲的一部分处于相位过渡区，等于同时存在两个相位，这会直接抬高误码率。所以驱动源的选择上，不要只盯着电压幅度，还要看压摆率（V/ns）。目前的商用脉冲源或者自制的雪崩晶体管驱动电路，只要上升沿能做到1ns量级，基本就不会成为系统瓶颈。

3. 解码端核心：不等臂干涉仪与相位编码的实现

3.1 不等臂马赫-曾德尔干涉仪的工作原理

相位编码的解码核心，是一台非平衡马赫-曾德尔干涉仪。它由一个分束器、一条短臂、一条长臂和一个合束器组成。光脉冲进入后分成两路，短臂一路先到合束器，长臂一路后到，于是在合束器输出端出现三个时间片：短臂-短臂的早片、短臂-长臂与长臂-短臂的重合片、长臂-长臂的晚片。其中重合片是两路光同时到达叠加形成的，相位差直接决定干涉结果是增强还是相消。

如果Alice端也有一个完全相同的非平衡干涉仪，情况会更直观。脉冲先经过Alice的干涉仪，被劈成早、晚两个时间片，传输到Bob的干涉仪后再一次被劈开。真正携带干涉信息的，是那个“早-晚”和“晚-早”重合的时间片。Alice和Bob的相位调制度不同，重合片输出强度就会不同，Bob端据此解码出0或1。

而BB84协议里的两个测量基，实现方式就是Bob端随机选择在长臂或短臂上施加0或π/2的附加相位偏置。如果Bob的基矢和Alice一致，重合片会呈现确定性的相长或相消；如果基矢不一致，结果随机，探测到两个输出端口的概率各占一半。

3.2 时延差怎么选：5ns还是10ns

不等臂干涉仪的关键参数是两臂的光程差，也就是时延差Δt。这个值不能太小，太小的话探测器的门控窗口和三个时间片会重叠，根本没法定提取重合片；也不能太大，太大会超出激光器的相干时间，干涉可见度下降。

具体到计算，你还需要考虑脉冲重复频率。如果重复频率是1MHz，那么脉冲间隔是1000ns，Δt取5ns到20ns都没有问题。如果重复频率提高到100MHz，脉冲间隔只有10ns，Δt就必须小于10ns，否则不同脉冲的时间片会串扰。我常用的起步参数是：重复频率1MHz，Δt=5ns。这样对应两臂光纤长度差大约1米（光在光纤中的速度大约是2×10⁸m/s，1米约5ns），在实验台上摊开完全可行，干涉可见度也容易保证。

需要特别说明的是，Δt=5ns时，三个时间片的间隔是5ns。如果Bob端单光子探测器的门宽是1ns，就能比较干净地把重合片挑出来。如果门宽太大，比如3ns以上，早片和重合片会混合，计数就会变得不可靠。所以探测器门控参数和干涉仪时延差必须联动设计。

3.3 法拉第镜结构：彻底告别偏振漂移

普通单模光纤里的偏振漂移是相位编码系统最大的敌人之一。虽然相位编码比偏振编码抗扰，但如果干涉仪两臂的光在合束点偏振方向不匹配，干涉可见度还是会大打折扣。早期方案是用保偏光纤做干涉仪，但保偏光纤价格高、熔接要求高，还要注意连接器角度对准，实验调试很痛苦。

更聪明的做法是采用法拉第镜结构，也就是所谓的“即插即用”方案。它的思想是：Bob端发一个强光脉冲到Alice，Alice用相位调制器调制后通过法拉第镜反射回来，返回光路的偏振态会被自动补偿到与入射方向正交，从而抵消光纤中的双折射扰动。这套方案的好处是信号光往返一趟，往返的相位噪声和偏振变化会自然抵消，干涉可见度相当稳定。

如果你只是在实验桌上搭单程链路，可以暂时不用法拉第镜，但必须给干涉仪加温控或者放在减震隔离的光学平台上。我曾经在普通实验桌上搭过一次，旁边有人走过，干涉可见度能掉好几个百分点。换成光学平台并盖上遮光罩之后，数据立刻稳定下来。

3.4 干涉可见度的测量方法

干涉可见度是衡量解码光路质量的核心指标，计算公式是V = (Imax - Imin) / (Imax + Imin)。测量方法很直接：不衰减到单光子水平，先用连续光或宏脉冲光送入系统，用快速光电探测器接收Bob端重合时间片的强度。然后缓慢改变Bob的相位偏置，看输出强度在最大值和最小值之间变化，据此计算出可见度。

做这一步调试时，强光下能看到非常直观的正弦干涉曲线。如果曲线对比度不够，先检查偏振；如果曲线有随机跳变，考虑机械稳定性和温度漂移；如果根本找不到正弦变化，多半是时间片没有对准，或者干涉仪两臂的光程差超出了光源的相干长度。我一般要求可见度做到95%以上再继续做单光子实验，否则后续误码率很难压下来。

4. 探测器、同步与整条链路的联调

4.1 单光子探测器选型：SPAD和SNSPD怎么取舍

1550nm波段最常用的单光子探测器是InGaAs/InP雪崩光电二极管（SPAD），工作在盖革模式下，增益极高，单个光子就能触发一次雪崩脉冲。它的优点是体积小、价格可控、不需要超低温系统，用热电制冷就能把工作温度降到-30℃左右；缺点是存在死时间、后脉冲概率，暗计数也比超导探测器高一个量级。

如果预算和实验室条件允许，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是另一个选择。它的时间抖动更小、暗计数率可以做到几十Hz以下，几乎不拖累系统误码率，但需要一套低温制冷系统，光耦合也更麻烦。对于入门级的“设计与实现”项目，SPAD完全够用，重点是学会合理设置门控窗口和死时间参数。

挑选SPAD时有几个指标要重点看：

• 探测效率：通常在10%到25%，越高越好。
• 暗计数率：在门控模式下用“每门暗计数概率”表示，比如1×10⁻⁵，对应1MHz门频约10Hz。
• 后脉冲概率：一般几%到十几%，需要通过足够长的死时间压制。
• 时间抖动：影响时间片区分，越小越好。

4.2 同步方案：让Bob知道光子什么时候来

单光子探测器不可能一直开着等待光子，那样暗计数和噪声会把信号完全淹没。实际方案是“门控探测”：只在光子预期到达的极短时间窗口内打开探测器。这就要求Bob必须通过一个同步信号，确切知道Alice发出的每个光脉冲什么时候到达。

最简单的同步方式是电同步：用一根电缆把Alice的触发信号送到Bob。实验室里几百米到几公里的距离问题不大，但距离一旦拉长，电信号的损耗和延迟就不太行了。更实用的方案是光同步：从同一时钟源分出一路强同步光（比如1310nm），在Bob端用高速PIN管恢复出电触发信号。同步光和信号光可以用波分复用器合/分，避免互相干扰。

我在调试时踩过一个坑：同步光电探测器的输出延迟会随光功率变化，而实验过程中光功率会因连接器微移产生波动，导致同步信号抖动，间接推高误码率。后来我把同步光功率调得较高，并给它加了一级限幅放大，抖动才稳定下来。初学者搭环境时，可以先给同步探测留出一路示波器观测口，方便随时看时序波形。

4.3 链路联调：从连续光到单光子逐级切换

整条链路的联调顺序，我建议按下面的思路来：

1. 用连续光测试每个模块的插损和波形。
2. 用脉冲光跑通整个光路，在Bob端用快速探测器扫时间，确认三个时间片的位置和幅度。
3. 不加衰减，测干涉可见度，把相位偏置和时序调到位。
4. 加入衰减，用单光子探测器替换快速探测器，开始看计数。
5. 调整门控窗口，把重合时间片的计数率和暗计数比值调到最优。
6. 最后才接入量子密钥分发协议软件，进行基矢筛选和误码率统计。

这个顺序的核心逻辑是：每一级都在上一级参数全部正常之后再往下走。我见过有人一上来就接单光子探测器，结果连光路通没通都不知道。先用强光确认干涉、再用弱光确认计数，一步一步来，问题定位会快很多。

4.4 链路损耗和计数率的对应关系

单光子实验阶段，你一定会算一件事：理论上应该每秒看到多少个计数，和实际计数器上的数差多少。以1MHz重复频率、μ=0.1、Bob端干涉仪通过率约0.3、探测器效率15%为例，有效探测概率大约是0.1×0.3×0.15=0.0045，也就是每1000个脉冲有4.5个计数，换算到1MHz就是4500个计数/秒。经过基矢匹配和重合时间片筛选之后，有效计数还会进一步减半。

如果实测计数率和理论估算差太多，先别怀疑协议，用强光分段测插损，找到损耗异常点才是关键。我会在干涉仪前后、衰减模块前后都留一个插拔的光纤跳线，方便随时用光功率计逐段测量，这样排查起来非常省时间。

5. 调试中的常见问题与排查技巧实录

5.1 干涉可见度上不去的四类原因

如果你发现干涉曲线对比度低，不要急着调相位调制器，先按顺序检查：

• 偏振失配：两路光在合束点偏振不一致。检查方法是在合束器前加偏振控制器，看可见度是否随偏振变化。如果是法拉第镜结构，直接看反射链路偏振补偿是否正常。
• 时间片重叠：重合片和早/晚片没有完全分开，探测器或示波器看到的是混合信号。检查时延差，确认两臂光纤长度差与设计值一致。
• 光源相干性不足：激光器线宽太宽，两臂光不能完全相消。可以尝试换成窄线宽激光器，或者缩短时延差。
• 机械/温度漂移：干涉仪两臂光纤受振动或温度影响发生微小形变，相位随机漂移。这通常表现为可见度读数缓慢波动，解决手段是温控封装和隔振平台。

5.2 计数率异常偏低，多半是时序问题

单光子计数率低，不是探测器坏了，而是门控窗口没和光子对上。我的排查套路是：把整个系统恢复到“强光脉冲模式”，用快速光电探测器看Bob端的时间波形，确定重合片到达探测器的时间点；然后切换到单光子探测器，用延迟发生器一个一个扫描门控延迟值，观察计数率变化，找到最优点。

常见误区是只调延迟不调门宽。门宽太宽会让后脉冲和暗计数混进来，太窄又会错过光子信号。我通常在1ns到3ns之间来回试，选择计数率/暗计数比值最大的门宽，而不是单纯追求计数率最大。

5.3 误码率偏高压不下来的几个隐藏因素

QKD误码率高了，第一反应可能是干涉可见度不好，但如果可见度已经调到95%以上，问题往往出在更隐蔽的环节：

• 相位调制器的驱动电压失真：检查脉冲平台的平坦度，如果有过冲或者振铃，光子就可能被编码成错误相位。
• 暗计数占比过高：每1MHz门频只有几十个暗计数时影响不大，但如果光源衰减过多、有效计数率太低，暗计数占比就会飙升，误码率自然上去。
• 后脉冲干扰：死时间设置太短，上一个光子的雪崩脉冲残留到下一个门控窗口，产生虚假计数。把死时间调到几十纳秒量级再看误码率。
• 时间片串扰：如果Bob端干涉仪的时延差和探测器的门宽设计不匹配，早片和重合片会在时间上部分重叠。这种问题仅凭计数率看不出来，需要做时间相关性测量才能发现。

5.4 我用顺手的几件调试工具

最后分享几个我常年放在实验台上的东西，都是不起眼但能救命的：

• 光功率计加上一个可插拔的FC/APC跳线，用来逐段测插损。
• 一个快速光电探测器（带宽2GHz以上），配合示波器看脉冲波形和时间片。
• 一个可编程延迟发生器，用来微调所有触发信号。
• 标签纸和记号笔，给每一根光纤和同轴线做标记。这个看似废话，但光路调乱之后，没有标签简直寸步难行。

量子密钥分发系统的设计与实现，看起来是个高深的课题，但落到光路子系统上，其实就是把“光的产生、编码、衰减、干涉、探测”五个环节一个个抠稳定。哪一环飘了，整条链路的误码率就会诚实地反映出来。国内外做QKD的组多，真正能稳定跑出漂亮误码率的系统，无一不是在光路稳定性上下了死功夫。希望这篇拆解能让你少走点弯路。