安全通信的目标就是合法用户能够安全地传递秘密信息,并且窃听者不能得到任何有用信息。安全通信在国防﹑金融等领域有着举足轻重的作用。经典密码系统是基于计算的复杂程度来保证通信的安全性,即认为在一段时间内窃听者利用有限的资源不可能解决复杂的数学问题,比如经典的RSA密码系统,安全性由大整数分解为质数的计算复杂程度保证。随着高效算法和量子计算的发展,经典通信的安全性存在着巨大的风险。“一次一密”加密系统被证明具有绝对安全性,它要求每个密钥必须随机产生,每个密钥仅使用一次,密钥与明文具有相同的长度,此时通信系统的安全性由密钥决定。量子密钥分发是基于量子力学的基本原理来保证密钥的安全性,利用量子密钥分发结合“一次一密”加密技术可以实现安全通信,因此量子密钥分发受到人们的广泛关注。自从1984年C.Bennett和G.Brassard提出第一个完备的量子密钥分发协议(BB84协议)以来,量子密钥分发得到了快速发展。基于单光子边带干涉的量子密钥分发系统,通过相位调制经典激光产生单光子边带,利用单光子边带传输密钥信息,该系统具有以下特点:(1)没有使用路径延时干涉仪结构,使通信双方相位匹配变得简单,系统具有高度稳定性;(2)边带干涉结果只依赖于射频信号的相位,由于射频信号的频率比光频低5个数量级,所以易于控制和同步;(3)利用载波复用技术可以实现多边带同时分发密钥,提高了系统的成码率,适用于网络通信。本论文围绕单光子相位干涉的量子密钥分发与信息传输开展了相关研究工作。通过调制单光子的探测概率,并利用相敏检测直接解调离散的数字脉冲得到鉴频信号,锁定1550nm激光器到π移相光纤布拉格光栅的窄线宽透射峰,采用单光子入射光消除了强光下光热效应引起的光纤布拉格光栅频率漂移,利用反馈环路有效抑制了激光器的低频段1/f频率噪声,提高了单光子的传输相干性;利用传输矩阵方法理论分析了PSFBG-F-FBG谐振腔的光学特性,发现这种谐振腔具有窄线宽阻抗匹配腔模,实验上基于可调谐π移相光纤布拉格光栅构成了PSFBG-F-FBG光纤谐振腔,实验光谱与理论光谱相符合,将PSFBG-F-FBG光纤谐振腔用作光学滤波器可以滤除激光在光纤中传输时通过非线性光学过程产生的噪声光子,提高单光子的干涉可视度;以偏振反馈参考光的单光子计数值作为反馈标准,基于优化的遗传算法控制四通道偏振控制器通过挤压光纤实时补偿单光子的偏振漂移,以和信号光时分复用的相位反馈参考光的单光子干涉计数值作为反馈标准,利用负反馈过程调节数字移相器连续无复位地补偿单光子的相位漂移,实时优化了25km单模光纤中单光子的干涉可视度,消除了外部环境随机扰动对量子密钥分发的影响,形成了稳定工作的边带干涉量子密钥分发系统;通过对单光子进行频率调制,将信息编码在不同的调制频率上,对离散的数字信号进行傅立叶变换并分析频谱提取调制频率信息,克服了通道的损耗和噪声对信息传输的影响,基于单光子频率调制编码实现了信息传输。本论文的创新点为:1.采用单光子入射光消除了激光辐射光热效应引起的光纤布拉格光栅频率漂移,利用单光子调制技术锁定1550nm激光器到π移相光纤布拉格光栅,激光频率锁定后频率起伏压缩至3MHz,有效抑制了激光器的低频段频率噪声,提高了单光子传输相干性。基于可调谐π移相光纤布拉格光栅构成PSFBG-F-FBG无源光纤谐振腔,利用腔增强效应和阻抗自匹配效应获得了目前为止无源光纤谐振腔最窄线宽(3MHz)的阻抗匹配腔模,该谐振腔作为光学滤波器可以滤除噪声光子提高单光子的干涉可视度。2.提出了一种实时优化单光子干涉可视度的方法,基于优化的遗传算法控制四通道偏振控制器实时补偿单光子的偏振漂移,利用负反馈过程调节数字移相器连续无复位地补偿单光子的相位漂移,在25km单模光纤中优化的单光子干涉可视度达到98.6%。3.提出了一种利用单光子进行信息传输的方案,基于单光子频率调制实现信息传输,克服了通道损耗和噪声的干扰,利用多通道频率调制编码进行了彩色图像传输,误码率小于10-5,这种利用单光子进行信息传输的方式提供了一种在量子密钥分发通道直接传输经典信息的可行方案。