一種具備實(shí)時(shí)偏振補(bǔ)償?shù)淖杂煽臻g量子通信裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具備實(shí)時(shí)偏振補(bǔ)償?shù)淖杂煽臻g量子通信裝置及方法，具體涉及一 種可以實(shí)時(shí)偏振補(bǔ)償、具備2個(gè)方向360度掃描及跟蹤功能且線偏振度保持良好的量子通 信裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著對(duì)光的偏振性研究的加深，人們逐漸認(rèn)識(shí)到偏振信息的廣泛應(yīng)用前景，偏振 技術(shù)也開(kāi)始進(jìn)入到實(shí)用化階段。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浴⑿畔鬏斖ǖ廊萘亢托实?，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。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。同時(shí)隨著單光子探測(cè)技術(shù)的日趨成熟，高效率的單光子探測(cè)器已經(jīng)在技 術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，單光子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致單光子偏振應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，目前基于偏 振編碼的自由空間量子保密通信就是單光子偏振的一種重要應(yīng)用之一。
[0003] 隨著空間技術(shù)的發(fā)展以前選用的平面反射鏡的伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的缺點(diǎn)也越來(lái)越明 顯，其中結(jié)構(gòu)的伺服范圍比較有限，不適合大角度掃描與跟蹤而潛望式伺服結(jié)構(gòu)適合大范 圍的掃描和跟蹤。（即一個(gè)進(jìn)行方位全周掃描和跟蹤，另一個(gè)用俯仰全周掃描和跟蹤。）在 控制過(guò)程中兩個(gè)方位可以單獨(dú)控制使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。在反射鏡選擇過(guò)程中，因?yàn)殄兡さ?反射鏡通常暴露在空氣中使紫外線、高能量輻射、高能量粒子等對(duì)膜系產(chǎn)生破壞從而改變 偏振光的相位，而不能進(jìn)行良好的補(bǔ)償，但是全反棱鏡依靠材料本身特性，在輻照過(guò)程中 不易產(chǎn)生變化且具備全反射功能，所以選用全反棱鏡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種具備實(shí)時(shí)偏振補(bǔ)償?shù)淖杂煽臻g量子通信裝置及方法，提 出了一種通過(guò)全反棱鏡的方位旋轉(zhuǎn)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)自由空間的偏振通訊傳輸與跟蹤，并且傳遞 過(guò)程中不改變?cè)窆獾钠穸?，此方法可以?yīng)用于各種波長(zhǎng)量子密鑰發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)。
[0005] 本發(fā)明方法的檢測(cè)裝置如附圖1所示：裝置包括量子密鑰發(fā)射模塊1、帶方位旋 轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)2-2且可旋轉(zhuǎn)360°的全反棱鏡A2-1、帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)的1/2波片3、帶俯仰旋轉(zhuǎn)跟 蹤電機(jī)4-2且可旋轉(zhuǎn)360°的全反棱鏡B4-1。全反棱鏡A2-1、全反棱鏡B 4-1發(fā)生相對(duì)旋 轉(zhuǎn)時(shí)，帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)的1/2波片3也進(jìn)行相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)波片電機(jī)的角度來(lái)對(duì)全反棱鏡 A2-1、全反棱鏡B 4-1的相對(duì)角度變化進(jìn)行補(bǔ)償。所述的量子密鑰發(fā)射模塊1的波長(zhǎng)與最 終器件的使用波長(zhǎng)一致；所述的帶方位旋轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)2-2且可旋轉(zhuǎn)360°的全反棱鏡A2-1 處于角度α入射，帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)的1/2波片3的使用波段覆蓋量子密鑰發(fā)射模塊1的波長(zhǎng)； 所述的帶全反棱鏡Α2-1、全反棱鏡Β 4-1的入射光角度大于arc sin η，η為材料折射率。
[0006] 該組合器件進(jìn)行量子光通訊的方法具體步驟如下：
[0007] 1)任意角度線偏光:：
首先經(jīng)過(guò)帶方位旋轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)2-2且可旋轉(zhuǎn)360°的 全反棱鏡Α2-1，其入射光角度為45度，帶方位旋轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)2-2與量子密鑰發(fā)射模塊1的 夾角為a i，全反棱鏡的傳輸矩陣為
>其中為S、P光的反射率，由于為 全反射，
其出射偏振狀態(tài)可用瓊斯矢量可表示為：
[0008] 2)帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)的1/2波片3的方位角為2 α '，則帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)的1/2波片3傳輸矩 陣為
發(fā)射模塊產(chǎn)生的線偏振經(jīng)過(guò)全反棱鏡Α2-1和帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)的1/2 波片3之后，其出射偏振狀態(tài)可用瓊斯矢量可表示為：
[0009] 3)偏振光最后經(jīng)過(guò)帶俯仰旋轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)4-2且可旋轉(zhuǎn)360°的全反棱鏡M-ι，當(dāng) 俯仰旋轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)（4-2)角度發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，全反棱鏡Β(4-1)也相應(yīng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，且與全反棱 鏡A (2-1)產(chǎn)生一個(gè)方位角α2，此時(shí)帶俯仰旋轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)（4-2)的全反棱鏡Β (4-1)的傳輸 矩陣為：
[0011] 則任意線偏光經(jīng)過(guò)所有器件后最終出射系統(tǒng)的傳輸矩陣可以表示為：
[0015] 由上式可知，取特殊角度時(shí)方程組為：

[0020] 所以通過(guò)帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)的1/2波片3來(lái)記錄方位角的角度α '，方位角α '與入射 到直角棱鏡的角度α2滿(mǎn)足上式關(guān)系。使其光源產(chǎn)生良好偏振態(tài)出射。
[0021] 本方法的具體原理如下：
[0022] 在光學(xué)理論中，偏振光分成線偏光、圓偏振光和橢圓偏振光。任何一種偏振光都 可以表示為光矢量沿X軸和y軸的兩個(gè)線偏振光的疊加，可以用瓊斯矢量來(lái)表示，具體表 示如下：
[0024] 其中Ex、Ey*別表示X、Y分量的復(fù)振幅，而ax、a$X、Y分量的實(shí)振幅，％.、巧乂 為X、Y分量的相位，兩分量之間的相位延遲為f 5 = 。當(dāng)偏振光丨
丨;通過(guò)任意的光學(xué) 元件或系統(tǒng)之后，其偏振光狀態(tài)變成丨
的話，實(shí)現(xiàn)該變換的光學(xué)元件或系統(tǒng)都可以用 2 X 2的矩陣表示，此矩陣稱(chēng)作光學(xué)元件或系統(tǒng)的瓊斯矩陣。當(dāng)光學(xué)元件或系統(tǒng)導(dǎo)致X、Y分 量之間產(chǎn)生相位延遲，且兩偏振分量反射率有一定差異，則瓊斯矩陣可以表示為：
[0026] 其中δ為經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后的相對(duì)相位延遲，為X分量的反射率，:1|為Υ分量的反 射率。而在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中只能獲得偏振光的方位角Θ、消光比ER與各分量的反射率沒(méi)f.并 不能直接獲取瓊斯矢量的參量，需要對(duì)其相互關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化。如圖4所示，偏振橢圓長(zhǎng)軸與 X軸呈Θ角（即方位角），橢圓長(zhǎng)短軸分別為bx、by，同時(shí)定義α為振幅比角、β為橢圓率 角，兩者分別滿(mǎn)足：
[0028] 在實(shí)際測(cè)量中只能獲知方位角Θ及長(zhǎng)短軸方向的能量，其比值稱(chēng)之為偏振消光 比ER，偏振消光比滿(mǎn)足以下關(guān)系：
[0030] 根據(jù)式：
消掉α，可以得到相位延遲角δ滿(mǎn)足：
[0032] 最終由過(guò)程推導(dǎo)得到公式：
[0034] 在量子通信中，主要關(guān)注的是H、V、+、-4種線偏光的偏振態(tài)變化情況，對(duì)于H、V線 偏振光來(lái)說(shuō)，Θ為0或jt/2,由公式（5)可知sin2f3 = 0,此時(shí)相對(duì)相位延遲量不影響其消 光比，同時(shí)由公式（6)可知δ = 土 π/2,與實(shí)際情況相符合；對(duì)于+、-線偏振光來(lái)說(shuō)，Θ為 π /4或，此時(shí)由式（5)可知，
β = 土 δ /2,則相對(duì)相位延遲與消光比之間 滿(mǎn)足
，在量子密鑰發(fā)射模塊1 一般采用Η、V、+、一線偏光進(jìn)行信息編 碼，這4種線偏光，經(jīng)分析滿(mǎn)足其中橫坐標(biāo)表示相位延遲角度，縱坐標(biāo)表示log1(](ER)，其中 ER為偏振消光比。可以發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)相位延遲為0°或180°時(shí)，輸出光的偏振消光比達(dá)到最 大；②當(dāng)相位延遲為90°時(shí)，輸出光為圓偏振光，其消光比達(dá)到最小ER= 1，此時(shí)log1Q(ER) =0。所有要求輸出的S = δ2-δ1=〇才能保證線偏振光輸出。見(jiàn)附圖2。
[0035] 如圖1所示的光路中，量子密鑰發(fā)射模塊1分別經(jīng)過(guò)帶方位旋轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)2-2且 可旋轉(zhuǎn)360°的全反棱鏡Α2-1、帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)的1/2波片3、相對(duì)方位角為α的帶俯仰旋轉(zhuǎn) 跟蹤電機(jī)4-2且可旋轉(zhuǎn)360°的全反棱鏡Β4-1，最后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)出射。全反棱鏡Α2-1、全反 棱鏡Β4-1的相位延遲角分別為δ ρ δ 2，其范圍滿(mǎn)足；
同時(shí)預(yù)先測(cè)量該器件 對(duì)S、Ρ光的反射率，其效率表示為@|、即
則各偏振光學(xué)元件的傳 輸矩陣描述如下：
[0036] 1、帶方位旋轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)2-2且可旋轉(zhuǎn)360°的全反棱鏡A2-1的傳輸矩陣為：
[0038] 2、方位角處于α '度的帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)的1/2波片3的傳輸矩陣為：
[0040] 3、經(jīng)過(guò)帶有相對(duì)方位角α 2的帶俯仰旋轉(zhuǎn)跟蹤電機(jī)4-2且可旋轉(zhuǎn)360°的全反棱 鏡Β4-1的傳輸矩陣為：
[0042] 假設(shè)入射光偏振狀態(tài)為^，其中Ex、Ey*別表不Χ、Υ分量的復(fù)振幅，貝lj入射光經(jīng) 過(guò)以上3個(gè)光學(xué)元件之后的偏振狀態(tài)可以表為：
[0044] 此時(shí)取特殊角度時(shí)
傳輸矩陣為：
[0046] 當(dāng)全反棱鏡2-U4-1采用相同材料時(shí)，δ 2 = δ 1，則傳輸矩陣為：
[0048]由公式可知該傳輸矩陣只起到旋轉(zhuǎn)偏振光方向的作用，不