4. 量子光源与光纤耦合工程

量子光源是光纤量子通信链路的“起点”，它决定了系统能承载什么协议、能达到多远的传输距离，以及误码率的下限。工程上常见的三类光源——弱相干光源（WCS）、纠缠源、单光子源（SPS）——在物理机制、光子统计特性和光纤耦合方式上差异很大，理解这些差异是做好耦合封装与稳定性控制的前提。

三类光源的核心特性对比

弱相干光源本质是经过强衰减的激光脉冲，其光子数服从泊松分布。当平均光子数 μ 取 0.1 时，空脉冲概率约 90.5%，单光子概率约 9.05%，而双光子及以上概率约 0.45%。这意味着即使理想单光子协议，也会因多光子脉冲引入“光子数分离攻击”风险，因此工程上常配合诱骗态方法使用。纠缠源通常基于自发参量下转换（SPDC），在周期极化铌酸锂（PPLN）波导中产生信号光与闲频光，其优势是可直接用于测量设备无关（MDI）协议，但亮度与保真度受泵浦功率、相位匹配和温度影响明显。单光子源则追求确定性发射，常见方案包括量子点、金刚石色心和原子系综，其核心指标是单光子纯度 g²(0) 与不可分辨性，但多数方案目前仍面临收集效率低、需低温或复杂光路的问题。

光纤耦合封装的实际操作要点

无论哪种光源，从自由空间或芯片输出耦合进单模光纤，核心都是“模场匹配”。以 1550 nm 波段为例，普通单模光纤（SMF-28）的模场直径约 10.4 μm，而量子点或波导输出的模场往往只有 1～3 μm。若直接对接，耦合效率可能低于 10%。工程上通常采用锥形透镜光纤或球透镜进行模场转换，目标是把耦合损耗控制在 1～2 dB 以内。

实际操作中，先固定光源芯片于精密位移台上，使用 5 轴（X/Y/Z + 俯仰/偏摆）调节架，将光纤端面靠近输出端。粗调时用红外相机观察光斑，细调时接入光功率计，边调边记录功率值。当功率达到峰值后，在峰值附近做微扫描，确认不是局部次峰。随后用紫外固化胶在光纤与芯片之间点胶，先点两点临时固定，确认功率无明显下降后再全面固化。固化过程中胶水收缩可能引起 0.1～0.3 dB 的额外损耗，因此点胶位置应尽量远离光路中心。

稳定性控制：从被动隔振到主动反馈

量子光源对温度、振动和偏振态非常敏感。以纠缠源为例，PPLN 晶体的相位匹配温度通常需要稳定在 0.01 ℃ 量级，否则信号光与闲频光的波长会漂移，导致滤波后符合计数下降。工程上采用 TEC 加 PID 控制，热敏电阻紧贴晶体安装，反馈周期约 100 ms。振动方面，光纤耦合点对位移极敏感，1 μm 的横向偏移可能带来数 dB 的损耗变化，因此封装完成后应整体固定在隔振平台上，光纤盘绕半径不小于 30 mm，避免弯曲损耗和应力双折射。

偏振控制同样关键。若光源输出为偏振纠缠，光纤链路中的偏振漂移会降低干涉可见度。常用方案是使用保偏光纤（PMF）并确保光源输出偏振轴与光纤慢轴对齐，对准误差控制在 3° 以内。对于长距离链路，可加入偏振反馈模块，实时监测偏振态并驱动电动偏振控制器补偿。

三类光源的工程选型建议

若目标是快速搭建城际 QKD 链路，弱相干光源加诱骗态方案最成熟，器件成本低、耦合封装工艺稳定，适合工程化部署。若需要抵御探测器侧信道攻击，纠缠源配合 MDI 协议更合适，但需额外关注相位稳定和 Bell 态测量单元。单光子源目前更适合实验室验证和短距离原理演示，工程化仍需解决收集效率和低温运行问题。选型时应把“光源—光纤—探测器”作为一个整体链路来评估，而不是孤立比较光源指标。

最后，无论选择哪种光源，耦合封装完成后都应做一轮完整验收：记录耦合效率、偏振消光比、温度稳定性曲线和连续运行 24 小时的功率波动。只有这些数据落在设计容差内，才能认为光源与光纤耦合工程真正达标。