量子密钥分发系统能够在合法的通信双方之间生成绝对安全的密钥。它是基于量子力学的基本原理而发展起来的一种新型的保密通信技术。随着信息化社会的发展，信息安全对国家、对社会、对个人都越来越重要，而计算机技术的发展同时也增强骇客的破译能力，传统的保密通信受到越来越大的威胁。因此，量子密钥分发技术的实用化，网络化成为信息科学技术领域关注的热点。 密钥分发系统的核心技术单元可分为光源模块，编解码模块，以及探测器模块。本文重点研究基于相位调制原理的单光子偏振态编码和解码技术，并在此基础上研究基于相位调制偏振编解码的量子密钥分发系统。 本论文对量子密钥分发产生的背景和发展状况进行了系统的分析和总结，发现制约量子密钥分发技术实用化的主要原因是传输码率随传输距离增加而迅速减少，还有就是误码率。提高传输码率的瓶颈一个是单光子探测器后脉冲的限制，另一个就是编解码器调制速率的限制。在降低误码率方面，编解码器有较大的潜力可挖。系统的编解码器的改善不但有利于提高传输码率，还能降低系统的固有的误码率，能够改善量子密钥分发系统的综合性能。研究还发现减小系统的复杂度有利于提高系统的可靠性和降低成本。本论文比较了目前单光子偏振态量子密钥分发系统中的编解码系统，指出相位调制偏振编解码技术具有独特的优势：编解码器基于相同的偏振干涉仪结构，系统结构简单，能够用非常低的调制电压实现高速的具有更高安全性的量子偏振态编码和解码。而且基于此编解码器的量子密钥分发系统，只需一个光源，以及两个单光子探测器来实现偏振编解码的BB84协议，大大节省了系统的成本。 论文基于相位调制的单光子偏振态编解码原理，在光子偏振态的二维希尔伯特空间，建立了一套新的量子密钥分发系统的量子力学模型，准确地描述了相位调制偏振态编解码过程以及密钥分发过程。 在此基础上，论文论述了等臂M—Z干涉环型相位调制偏振态编解码器的理论和实验，详细地讨论了基于相位调制的编解码器如何实现精确的偏振态编码和解码。针对等臂M—Z干涉环存在相位漂移的问题，开发了相位漂移的电控反馈主动补偿技术，通过相位的扫描以及干涉结果采集，获得系统的工作点漂移参数，调节相位调制器进行补偿，实现偏振态编解码器的长时间稳定工作。通过在几伏以内改变相位调制器的控制电压，编码器能够随机地产生偏振方向分别为45°线偏振，135°线偏振，左旋圆偏振以及右旋圆偏振的单光子脉冲，而解码器能够对这四种偏振态的单光子脉冲进行解码。由于编解码器的控制是基于波导型相位调制器，因此编解码器能够实现GHz以上的高速单光子偏振态编解码。论文首先报道了基于等臂M—Z干涉环型相位调制偏振态编解码的量子密钥分发系统，系统的误码率为12.8％。 为了实现能够长时间自稳定运行的相位调制偏振态编解码，而无需电学系统的主动补偿，论文首次提出了Faraday—Sagnac干涉环型相位调制偏振编解码器的新理论模型。其中相位调制器采取时分复用工作方式，在正交的偏振分量之间引入恰当的相位差。理论和实验均证明，该种偏振态编解码器能够实现高码率、长时间自稳定精确运行的单光子偏振态的编解码功能。在温度不断变化的环境中，系统能够在长时间的运行过程中，保持96.3％的平均干涉条纹对比度，大大地降低了量子密钥分发系统的固有误码率。论文报道了基于这种Faraday—Sagnac干涉环型相位调制偏振态编解码的量子密钥分发系统，系统的误码率为3.5％。理论和实验表明，该种系统是实现高码率、低误码率、安全的偏振态量子密钥分发的很好选择。 论文讨论了光子的偏振态在光纤和自由空间的传输以及单光子偏振态的补偿方法。提出我们发展的这种相位调制偏振编解码器从原理上就能补偿传输过程引起的单光子偏振态相位畸变，可减少由于相位蜕变产生的误码。论文论述了具体的补偿方法，其优势是能够用比较低的调制电压通过相位调制的方法实现偏振态的补偿。 论文还论述了相位调制偏振编码器在量子密钥分发系统中的其他应用。首次提出相位调制偏振编码器能够作为差分相位量子密钥分发系统的量子编码器，产生具有不同相位信息的强衰减脉冲光源。这种办法产生的相位脉冲，相比分别通过强度调制和相位调制而产生的相位脉冲，具有更高的安全性，更能够体现差分相位量子密钥分发在安全性方面的优势。检测