信息安全是国家安全的重要组成部分,密码学中的加解密算法是保障信息安全的核心技术之一。现用加解密算法的安全性主要依赖于算法破译的计算复杂度。随着算力的提升、数学方法的进步和量子计算等技术的出现和快速发展,现用加解密技术的安全性正面临着严峻的挑战。量子密码以量子力学的基本原理为安全性基础,结合“一次一密”的加密手段,可以提供理论上无条件安全的通信。量子密钥分配是量子密码的核心内容,自1984年被提出以来,在理论安全性和实验研究方面都取得了飞速的发展,从实验室演示逐步走上工程和实用化道路,也是当前在量子信息领域中最接近产业化的应用。为了实现量子密钥分配的大规模应用和部署,还需要解决该技术的性能、成本、规模化生产和标准化等一系列关键技术和工程问题。近年来快速发展的集成光子学为量子密钥分配的技术实现提供了一个理想的平台。集成光子学器件具有小尺寸、高精度、低成本和可规模化生产等优势,能够对量子密钥分配的稳定性、安全密钥率和实际安全性等核心性能带来显著的提升。基于集成光子学的量子密钥分配已经有多项研究成果发表,涉及到多种集成光子学的工艺平台和多种量子密钥分配的协议方案。已有的研究成果验证了集成光量子密钥分配方案的可行性,但在实际应用条件下提升抗干扰能力、进行实际安全性分析以及光电一体化集成等方面的成果较少,相关的研究工作仍亟待开展。作者在攻读博士学位期间,面向实用化量子密钥分配系统的小型化、高稳定和可规模化部署的需求,聚焦于自适应抵御信道偏振扰动这一关键技术难题,开展了基于集成光子学的量子密钥分配编解码器的研究。研究主要的内容与取得的成果如下:1.针对量子密钥分配系统中光学编解码器的要求,归纳总结了多种集成光子学材料体系的特点,分析它们的优缺点和适用场景;选择绝缘体上硅和硅基二氧化硅平台开展研究,通过设计、仿真、加工、流片、封装、测试的完整流程,研制了多种量子密钥分配编解码器所需的片上单元,为实现量子密钥分配的片上系统及对其开展实际安全性研究奠定了基础。2.面向量子密钥分配相位编解码的需求,使用硅基二氧化硅波导研制了一种大臂长差的不等臂Faraday-Michelson干涉仪,相较于以往的工作,该干涉仪在宽温区内均可以自适应补偿环境对光子的偏振扰动,具有很好的抗干扰能力和稳定性。利用自主提出的基于单光子干涉可见度的对称性检测方法,在封装时实现一组干涉仪的高精度对称性调节。实验结果表明,在信道中存在随机偏振扰动的条件下,单光子干涉可见度可以长期保持在98.5%以上,满足实用化相位编码量子密钥分配系统的干涉可见度和稳定性要求。3.以不等臂Faraday-Michelson干涉仪为基础,研制了时间戳-相位方案的集成光量子编解码芯片,并基于该芯片搭建了光脉冲重复频率为1.25 GHz的量子密钥分配系统。考虑高重频单光子探测器的后脉冲效应和有限长效应等实际工作条件,改进了量子密钥分配系统的理论分析模型以及参数选择方法。在存在随机扰偏的50 km光纤信道下,安全密钥率约为1.34 Mbit/s±13 kbit/s,即标准差小于1%,验证了系统抗信道偏振扰动的能力,为实现高稳定性、小型化的量子密钥分配系统提供了重要的技术储备。本论文的创新点主要包括:1.针对集成量子密钥分配中抗偏振扰动的问题,设计并加工了基于硅基二氧化硅波导的不等臂Faraday-Michelson干涉仪芯片。与此前方案相比,该芯片可以在宽温度范围内自动补偿光子偏振变化,无需工作在特定的温度点,避免了因工作温度点与环境温度差异过大引起的控制稳定性和高功耗等问题,作为量子密钥分配编解码器的基础,更为适用于星载等应用环境。2.针对干涉仪对称性在线高精度检测的难题,提出了一种基于脉冲光理论模型和单光子干涉可见度的测量方法,仅利用量子密钥分配系统仪器即可完成干涉仪对称性的高精度检测,其精度可以优于100 fs。该方法为干涉仪加工和系统工作状态的精细量化评估提供了有效的分析手段,也为量子密钥分配的大规模网络化部署提供了支撑技术。3.基于不等臂Faraday-Michelson干涉仪结构,设计并实现了时间戳-相位方案的集成光量子编解码芯片。基于该芯片实现的量子密钥分配实验系统,具有全局偏振自补偿能力,仅需对干涉仪进行相位跟踪即可稳定获得低误码率和较高的成码性能,为实现自稳定的集成量子密钥分配系统提供了一种途径。4.考虑高重频时间戳-相位编码系统中的后脉冲等误码来源,优化了参数选择方法,改进了有限长条件下的码率计算公式,得到了可精确刻画实际系统行为的分析模型,可以在实验中取得更高的安全码率。