專利名稱：基于格蘭棱鏡極化分束的小型化高保偏量子接收模塊光路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)兀件、晶體光學(xué)、光學(xué)偏振技術(shù)，具體指一種基于格蘭棱鏡極化分束，空間分光的，小型化及高效率及高保偏的量子接收模塊光學(xué)系統(tǒng)，它適用于量子通信領(lǐng)域的基于偏振的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，還可以用于偏振光子的發(fā)射與探測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
保密通信是一種讓通信雙方在絕密狀態(tài)下交換信息的傳送方式，許多國(guó)家都非常重視保密通信的研究。量子通信技術(shù)的研究緊扣國(guó)家安全重大需求問(wèn)題，可望大幅度提高信息傳輸?shù)陌踩?、信息傳輸通道容量和效率等，是未?lái)信息技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性方向， 并極有可能引起諸多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的革命，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生難以估量的影響。國(guó)際上重要的發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是美國(guó)、歐盟和日本均已投入大量人力物力致力于自由空間量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究。近年來(lái)，量子通信研究進(jìn)展迅速，遠(yuǎn)距離量子通信則成為了國(guó)際激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。目前量子通信的技術(shù)手段主要包括基于光纖通道、基于自由空間通道的量子傳輸。但由于光纖材料的限制，光纖的損耗和退相干效應(yīng)無(wú)法避免，目前低損耗光纖的性能已經(jīng)逼近理論極限，利用光纖在相距100公里以上的兩點(diǎn)建立量子信道變得非常困難。自由空間量子信道是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)的最為可行的方案之一，空間量子通信正處于從原理性研究走向?qū)嵱没瘧?yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期。如何突破距離的限制在更廣域的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子通信過(guò)程成為擺在人們面前的難題，一旦取得突破將在整個(gè)量子通信研究領(lǐng)域產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響?？臻g量子通信的量子密鑰分發(fā)能夠完成理論安全的“一次一密”的密鑰分發(fā)工作，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的保密通信。但是，由于現(xiàn)有量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)不完美，就會(huì)使得通信過(guò)程出現(xiàn)誤碼，且無(wú)法與竊聽(tīng)行為造成的誤碼相區(qū)分，這就給竊聽(tīng)者的攻擊提供了各種可能性。另外，成碼率同樣是我們所關(guān)心的問(wèn)題，只有量子密鑰分發(fā)的成碼率大于零，才說(shuō)明該次分發(fā)過(guò)程是無(wú)條件安全而有價(jià)值的，否則分發(fā)過(guò)程就是失敗的。而成碼率越低，也說(shuō)明密鑰分發(fā)過(guò)程的效率越低，分發(fā)后續(xù)用于“一次一密”保密通信所用的同樣長(zhǎng)度密鑰的時(shí)間越長(zhǎng)。在偏振編碼的自由空間量子密鑰分發(fā)中，偏振態(tài)是光子加載信息的方式，傳輸過(guò)程中任何偏振畸變都會(huì)引起誤碼，而傳輸過(guò)程中的偏振光子的收發(fā)效率影響系統(tǒng)的成碼率。量子接收模塊是空間量子通信系統(tǒng)的重要組成部分，其光學(xué)效率及保偏性能與量子通信的關(guān)鍵性能成碼率及誤碼率息息相關(guān)?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的量子接收模塊主要由BS (能量分束器)，PBS (極化分束器)組成，由于BS、PBS的性能限制，存在保偏性能不高(通常為100 1)，分光透射反射比偏離明顯的特點(diǎn)。本發(fā)明針對(duì)空間量子通信的應(yīng)用需求，基于光學(xué)偏振理論以及晶體光學(xué)理論，利用格蘭棱鏡優(yōu)良的極化分光能力，以及小體積、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)光路設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)量子接收模小型化、高保偏的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，利用可調(diào)空間分束、格蘭棱鏡的高保偏極化分束特性，提供一種小型化、高保偏的量子接收模塊光學(xué)系統(tǒng)，適應(yīng)空間量子通信對(duì)小型化、高效率、高保偏的量子接收模塊的迫切需求。在空間大尺度的量子通信試驗(yàn)中，量子信號(hào)在發(fā)射端和接收端都處于單光子水平，而且對(duì)量子信號(hào)的編碼采用了 BB84方案，在此方案的密鑰分發(fā)過(guò)程中，我們利用光子的偏振態(tài)(圖I)來(lái)代替經(jīng)典二進(jìn)制碼(bit)，從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，其中水平(H)或45° ( + )偏振對(duì)應(yīng)于經(jīng)典比特0;豎直(V)或135° (_)偏振對(duì)應(yīng)于經(jīng)典比特I。當(dāng)量子信號(hào)通過(guò)接收系統(tǒng)的一系列反射和折射之后，原來(lái)的偏振態(tài)會(huì)有所改變，由于偏振態(tài)攜帶著我們要傳播的信息，所以在接收端要對(duì)傳播光子的偏振態(tài)進(jìn)行還原，因此在接收端量子接收和測(cè)量系統(tǒng)中要對(duì)傳輸系統(tǒng)中光子偏振態(tài)的改變進(jìn)行補(bǔ)償，然后再對(duì)量子信號(hào)進(jìn)行BB84方案的解碼，最終由單光子探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。由于試驗(yàn)過(guò)程中采用了水平(H)和豎直(V)以及45° ( + )和135° (-)四個(gè)偏振方向?qū)α孔有盘?hào)進(jìn)行編碼，所以在分析光子通過(guò)介質(zhì) 或金屬表面后偏振態(tài)的變化過(guò)程中，主要考慮在這四個(gè)偏振方向上的變化?，F(xiàn)有量子接收模塊的光路如圖2所示，模塊主要由BS (能量分束器)，PBS (極化分束器)、半波片組成。待檢測(cè)的入射量子光經(jīng)由BS分成兩束，分別出射向一片PBS和一個(gè)半波片加PBS的組合。其中直接入射PBS的光經(jīng)PBS透射和反射可以檢測(cè)+、-的偏振態(tài)，而入射半波片的H、V方向光經(jīng)過(guò)半波片的透射可以轉(zhuǎn)變?yōu)?、-后經(jīng)由后面的PBS檢測(cè)，等效于半波片和PBS的組合檢測(cè)了 H、V方向的偏振態(tài)。在量子通訊過(guò)程中，通訊光的H、V、+、_不確定，但是由系統(tǒng)的同步光可以確定接收模塊當(dāng)前時(shí)刻要檢測(cè)的是負(fù)責(zé)+、-的PBS還是負(fù)責(zé)H、V的半波片PBS組合，通過(guò)量子接收模塊檢測(cè)出當(dāng)前通訊光的偏振態(tài)，從而完成量子通訊的任務(wù)并且達(dá)到保密的目的。基于BS、PBS的性能，現(xiàn)有模塊的缺陷主要體現(xiàn)在以下幾方面一、經(jīng)過(guò)BS分光的+、_偏振態(tài)的消光比會(huì)下降，只有100 1左右，保偏性能較差；二、H、V組的偏振光經(jīng)過(guò)PBS的檢偏，分光透射反射比會(huì)下降，進(jìn)一步影響誤碼及成碼。綜上考慮現(xiàn)有模塊的缺陷，利用格蘭棱鏡高保偏極化分束特性，以及可調(diào)型空間能量分束設(shè)計(jì)，本發(fā)明提出了一種小型化、高保偏的量子接收模塊的設(shè)計(jì)，如圖2所示，模塊光學(xué)系統(tǒng)由可調(diào)反射鏡I、半波片2、第一格蘭棱鏡3和第二格蘭棱鏡4組成。所述的第一格蘭棱鏡3和第二格蘭棱鏡4中e光對(duì)應(yīng)“ + ”光,0光對(duì)應(yīng)光,“0”光與“e”光最終出射夾角為90°。其工作方式如下所述I、入射的光束經(jīng)由可調(diào)反射鏡I分為兩束，一束經(jīng)反射后垂直入射第一格蘭棱鏡3，第一格蘭棱鏡3將光束分成“H”和“V” 二路光束，另外一束光按原方向經(jīng)過(guò)半波片2后垂直入射第二格蘭棱鏡4，第二格蘭棱鏡4將光束分成“ + ”和二路光束。2、模塊在整個(gè)量子通訊系統(tǒng)中同步被告知當(dāng)前準(zhǔn)備接收H、V或者+、-基，從而選擇準(zhǔn)備進(jìn)行工作的棱鏡。3、在當(dāng)前檢測(cè)棱鏡兩個(gè)出射面上進(jìn)行偏振檢測(cè)，由此獲得當(dāng)前傳輸?shù)幕?，從而完成量子通訊任?wù)。其工作原理如下所述
入射光的能量分束由可調(diào)反射鏡實(shí)現(xiàn)，代替現(xiàn)有模塊中的BS功能?？烧{(diào)反射鏡的安裝角度及切入位置可調(diào)，不但可方便地調(diào)整傾角從而調(diào)整反射及透射光束按設(shè)計(jì)方向傳輸，而且可根據(jù)后繼光學(xué)元件及探測(cè)器的效率，調(diào)整反射及透射光能量的比例。入射光的極化分束由格蘭棱鏡實(shí)現(xiàn)，代替現(xiàn)有模塊中的PBS功能。格蘭棱鏡利用雙折射及全反射原理，可以實(shí)現(xiàn)高保偏(10000 1以上)的二向極化分束功能。半波片的使用與現(xiàn)有量子接收模塊上一樣，其功能是旋轉(zhuǎn)入射+、_方向偏振光至H、V方向，從而可以被后面的格蘭棱鏡檢測(cè)，其原理可以由瓊斯矩陣表達(dá)
權(quán)利要求
1. 一種基于格蘭棱鏡極化分束的小型化高保偏量子接收模塊光路，它由可調(diào)反射鏡(I)、半波片(2)、第一格蘭棱鏡(3)和第二格蘭棱鏡(4)組成，其特征在于 所述的第一格蘭棱鏡(3)和第二格蘭棱鏡(4)中e光對(duì)應(yīng)“ + ”光,O光對(duì)應(yīng)光,“O”光與“e”光最終出射夾角為90° ; 入射的光束經(jīng)由可調(diào)反射鏡(I)分為兩束，一束經(jīng)反射后垂直入射第一格蘭棱鏡(3)，第一格蘭棱鏡(3)將光束分成“H”和“V”二路光束，另外一束光按原方向經(jīng)過(guò)半波片(2)后垂直入射第二格蘭棱鏡(4 )，第二格蘭棱鏡(4 )將光束分成“ + ”和“ -” 二路光束。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于格蘭棱鏡極化分束的小型化高保偏量子接收模塊光路，它適用于基于偏振的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中。該發(fā)明基于光學(xué)偏振理論以及晶體光學(xué)理論，利用格蘭棱鏡優(yōu)良的極化分光能力，以及小體積、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，采用可調(diào)空間能量分束的光路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)量子接收模小型化、高保偏的目的。該發(fā)明適應(yīng)了空間量子通信對(duì)小型化、高效率、高保偏、高可靠的量子接收模塊的迫切需求。
文檔編號(hào)G02B27/28GK102819116SQ20121027399
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者王建宇, 何志平, 陳爽, 吳金才, 舒嶸, 袁立銀 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所