專利名稱：用于量子通信系統(tǒng)的基矢自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自由空間量子通信技術(shù)，具體涉及一種用于量子通信系統(tǒng)的基矢自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法，它用于對(duì)量子通信中因粗跟蹤所造成的信號(hào)光的偏振方向變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
空間尺度量子通信中主要是靠具有特定偏振態(tài)的光量子傳輸信息，判斷光量子的偏振態(tài)需要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)中引入一種稱作基矢的特定的正交二維坐標(biāo)系作為判斷光子偏振態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，并且整個(gè)通信系統(tǒng)中用于判斷信號(hào)光偏振狀態(tài)的坐標(biāo)系一致。發(fā)射端以基矢作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射帶有偏振信息的量子光，接收端接收到量子光后同樣以基矢為標(biāo)準(zhǔn)提取量子光的偏振信息。在空間尺度量子通信中，衛(wèi)星沿著軌道繞地球旋轉(zhuǎn)，不停的向地面接收站發(fā)射信號(hào)光，地面接收站需要不斷調(diào)整望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)以便于捕獲衛(wèi)星傳輸過來的信號(hào)，如圖2中I 所示。望遠(yuǎn)鏡在捕獲信號(hào)光時(shí)主要有兩種姿態(tài)變化俯仰方向旋轉(zhuǎn)和水平方向旋轉(zhuǎn)。如圖2 中Π所示，以地面坐標(biāo)系為準(zhǔn)，垂直地面向上為Z軸，水平方向以右手定則確定X軸與Y軸。 規(guī)定俯仰方向旋轉(zhuǎn)的角度為俯仰角，由-Z軸向+Z軸方向?yàn)檎?，范圍?90度到90度；水平方向旋轉(zhuǎn)的角度為方位角，以+Z軸為軸向，右旋為正，范圍為-180度到180度(望遠(yuǎn)鏡實(shí)際俯仰角與方位角的范圍比較小)。為了將望遠(yuǎn)鏡捕獲到的信號(hào)光傳輸?shù)胶蠊饴废到y(tǒng)中進(jìn)行處理，需要在望遠(yuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)臂中安裝反射光路，如圖3所示，左邊為望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)臂光路圖，其中6為望遠(yuǎn)鏡鏡筒、7為望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)臂、8為入射光線、9為水平反射光線、10為垂直反射光線。由圖3可以看出，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)影響反射光路中信號(hào)光的偏振方向。規(guī)定信號(hào)光傳播的方向?yàn)閆軸，基矢坐標(biāo)垂直于Z軸，并滿足右手定則，圖中A所表示的X-Y軸為入射光8的基矢坐標(biāo)。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的俯仰角變化時(shí)，則會(huì)引起望遠(yuǎn)鏡水平反射光9的偏振旋轉(zhuǎn)；設(shè)望遠(yuǎn)鏡鏡筒俯仰角為a， 規(guī)定沿信號(hào)光的傳播方向，信號(hào)光偏振狀態(tài)右旋為正，則水平反射光9的偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度為a，如圖3中B所示，其中虛線表示整個(gè)系統(tǒng)的基矢，X-Y軸表示信號(hào)光的偏振方向所在的平面旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)望遠(yuǎn)鏡水平方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，則會(huì)引起旋轉(zhuǎn)臂垂直向上反射到后光路的信號(hào)光產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，如圖3中10所示；同樣設(shè)望遠(yuǎn)鏡鏡筒水平方位角為b，同樣定義右旋為正，則垂直反射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度為b，如圖3中C所示。根據(jù)以上分析可以得出俯仰角a會(huì)造成鏡筒水平反射光9偏振右旋，方位角b造成旋轉(zhuǎn)臂垂直反射光10偏振右偏。由于鏡筒俯仰角與方位角的疊加，旋轉(zhuǎn)臂垂直出射光線的偏振方向相對(duì)于入射光線的基矢方向偏轉(zhuǎn)角度為a+b。所以當(dāng)偏振角為Ω的信號(hào)光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡后，會(huì)經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡鏡筒底部的凹面鏡匯聚到鏡筒中間的反射鏡上，經(jīng)過鏡筒反射鏡將光線水平反射到旋轉(zhuǎn)臂中的反射光路。如果此時(shí)鏡筒的俯仰角a不為零，水平反射光線的的偏振角與基矢的X軸的夾角就會(huì)變化為α +a。當(dāng)光線進(jìn)入反射光路時(shí)首先需要通過一片凸透鏡將光線變?yōu)槠叫泄?，然后再?jīng)過三個(gè)平面反射鏡反射到后光路。當(dāng)信號(hào)光經(jīng)過最后一塊平面反射鏡垂直向上反射到后光路時(shí)，如果此時(shí)望遠(yuǎn)鏡的水平方位角b不為零， 那么信號(hào)光的偏振方向與基矢的X軸夾角就會(huì)變?yōu)棣?+a+b，如圖3中D所示。


圖1量子通信系統(tǒng)5中的量子接收端固定在后光路中，信號(hào)光進(jìn)行檢測(cè)之前必須將其偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到接收端以基矢標(biāo)準(zhǔn)能夠正確檢測(cè)的偏振狀態(tài)，這就需要在后光路中增加旋光元件。本系統(tǒng)中采用半波片對(duì)信號(hào)光偏振進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)半波片快軸方向與基矢X軸夾角為鄉(xiāng)(逆時(shí)針方向?yàn)檎?時(shí)，其瓊斯矩陣為
權(quán)利要求
1.一種用于量子通信系統(tǒng)的基矢自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，它包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(1)、半波片 (2)、電機(jī)控制器(3)、實(shí)時(shí)控制器(4)和量子通信系統(tǒng)(5)中的旋轉(zhuǎn)變壓器(5-1)，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(1)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、光電編碼器和半波片安裝基座組成，半波片安裝基座通過蝸桿一鍋輪傳動(dòng)副與旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接，負(fù)責(zé)測(cè)量旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件旋轉(zhuǎn)位置的光電編碼器安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，其精度達(dá)到0. 1度，旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用可控的直流電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)，反應(yīng)速度優(yōu)于0. 3秒，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過蝸桿一蝸輪傳動(dòng)副帶動(dòng)半波片安裝基座旋轉(zhuǎn)，半波片安裝基座的旋轉(zhuǎn)精度為0. 1度；所述的旋轉(zhuǎn)變壓器(5-1)是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器，分別安裝在量子通信系統(tǒng)(5)中望遠(yuǎn)鏡的俯仰軸和水平軸上，用于讀取望遠(yuǎn)鏡水平方位角和俯仰角數(shù)據(jù)，其精度為0. 1度；旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(1)安裝在量子通信系統(tǒng)(5 )中望遠(yuǎn)鏡的后光路中，半波片(2 )安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(1)中的半波片安裝基座上，電機(jī)控制器(3)通過數(shù)據(jù)線連接到旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件上以便于讀取光電編碼器數(shù)據(jù)和控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)時(shí)控制器(4)通過一根數(shù)據(jù)線連接旋轉(zhuǎn)變壓器(5-1)讀取望遠(yuǎn)鏡空間角數(shù)據(jù)，通過另外一根數(shù)據(jù)線連接電機(jī)控制器(3)來向電機(jī)控制器發(fā)送控制信號(hào)；實(shí)時(shí)控制器(4)通過旋轉(zhuǎn)變壓器(5-1)實(shí)時(shí)讀取望遠(yuǎn)鏡的位置；再根據(jù)算法計(jì)算出信號(hào)光偏轉(zhuǎn)的角度以及半波片需要旋轉(zhuǎn)的角度，生成控制信號(hào)發(fā)送給電機(jī)控制器(3)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(1)通過光電編碼器測(cè)得半波片(2 )的旋轉(zhuǎn)位置，電機(jī)控制器(3 )收到控制信號(hào)后根據(jù)光電編碼器測(cè)得的半波片位置，控制電機(jī)將半波片(2)旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置，將信號(hào)光旋轉(zhuǎn)到恰當(dāng)?shù)钠駹顟B(tài)，以便于量子通信系統(tǒng)(5)能通過基矢正確檢測(cè)出量子光的偏振信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于量子通信系統(tǒng)的基矢自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，其特征在于 所述的實(shí)時(shí)控制器(4)采用電腦或者具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的可編程器件。
3.一種基于權(quán)利要求1所述裝置的量子通信系統(tǒng)的基矢自動(dòng)調(diào)節(jié)方法，其特征在于包括以下步驟1)根據(jù)檢測(cè)量子光偏振態(tài)以及望遠(yuǎn)鏡鏡筒空間角的變化最大速度設(shè)定實(shí)時(shí)控制器(4) 的控制時(shí)間間隔t，每隔時(shí)間t實(shí)時(shí)控制器就會(huì)向旋轉(zhuǎn)變壓器(5-1)發(fā)送一條指令，讀取旋轉(zhuǎn)變壓器(5-1)的數(shù)據(jù)；2)旋轉(zhuǎn)臂電機(jī)通過調(diào)整望遠(yuǎn)鏡來實(shí)時(shí)捕捉信號(hào)光，當(dāng)偏振角為 “的信號(hào)光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡后，如果望遠(yuǎn)鏡的俯仰角a和水平旋轉(zhuǎn)角b不為零，反射到后光路的信號(hào)光偏振方向與基矢的X軸夾角就會(huì)變?yōu)闈h+a+b，望遠(yuǎn)鏡的俯仰角a和水平旋轉(zhuǎn)角b可以通過旋轉(zhuǎn)變壓器(5-1)反饋給實(shí)時(shí)控制器(4)；3)實(shí)時(shí)控制器(4)通過旋轉(zhuǎn)變壓器(5-1)分別讀取到望遠(yuǎn)鏡的俯仰角a以及望遠(yuǎn)鏡的水平方位角b，通過信號(hào)光偏振角旋轉(zhuǎn)疊加原理計(jì)算出信號(hào)光偏振角力τ +a+b，并根據(jù)半波片旋光特性計(jì)算出半波片需要旋轉(zhuǎn)的角度^ ,從而生成控制信號(hào)，并把控制信號(hào)發(fā)送給電機(jī)控制器(3);4)電機(jī)控制器(3)接收到控制信號(hào)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(1)中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)半波片 (2)，并不斷的通過光電編碼器測(cè)量半波片的角度，當(dāng)半波片旋轉(zhuǎn)到快軸方向與基矢X軸夾角為#時(shí)便停止旋轉(zhuǎn)，等待實(shí)時(shí)控制器(4)的下一條指令；5)反射到后光路的信號(hào)光偏振角為α+a+b，信號(hào)光到達(dá)量子接收器之前會(huì)先透射過半波片(2)，由于半波片的旋光特性，信號(hào)光的偏振角會(huì)變?yōu)?α ；6)量子接收器接收到信號(hào)光，以預(yù)設(shè)的基矢為標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)出量子光的偏振角為-α,并將該角度取反便得到入射光的偏振角度α,以此便完成了量子通信系統(tǒng)的基矢自動(dòng)調(diào)節(jié)， 使偏振狀態(tài)改變了的信號(hào)光能夠最終被正確的檢測(cè)出來。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于量子通信系統(tǒng)的基矢自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于量子通信中實(shí)現(xiàn)對(duì)基矢調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制，并適用于需要基矢調(diào)節(jié)的各種激光通信系統(tǒng)中。本系統(tǒng)中引入一種特定的稱為基矢的正交二維坐標(biāo)系作為判斷光子偏振態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，并且整個(gè)通信系統(tǒng)中用于判斷信號(hào)光偏振狀態(tài)的坐標(biāo)系一致。基矢自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以解決信號(hào)光在量子通信中由于跟蹤時(shí)望遠(yuǎn)鏡方位變化而產(chǎn)生偏振方向變化的問題，從而保證接收端在特定的基矢標(biāo)準(zhǔn)下能正確檢測(cè)出信號(hào)光的偏振狀態(tài)，保證空間尺度量子通信自由順利的運(yùn)行。
文檔編號(hào)G02B27/28GK102323826SQ20111016617
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者吳金才, 周輝, 張亮, 張明, 強(qiáng)佳, 楊世驥, 江昊, 王建宇, 賈建軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所