CN102819116A - 基于格兰棱镜极化分束的小型化高保偏量子接收模块光路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于格兰棱镜极化分束的小型化高保偏量子接收模块光路，它适用于基于偏振的量子密钥分发系统中。该发明基于光学偏振理论以及晶体光学理论，利用格兰棱镜优良的极化分光能力，以及小体积、易安装等优点，采用可调空间能量分束的光路设计，实现量子接收模小型化、高保偏的目的。该发明适应了空间量子通信对小型化、高效率、高保偏、高可靠的量子接收模块的迫切需求。

Description

基于格兰棱镜极化分束的小型化高保偏量子接收模块光路

技术领域

本发明涉及光学元件、晶体光学、光学偏振技术，具体指一种基于格兰棱镜极化分束，空间分光的，小型化及高效率及高保偏的量子接收模块光学系统，它适用于量子通信领域的基于偏振的量子密钥分发系统中，还可以用于偏振光子的发射与探测系统。

背景技术

保密通信是一种让通信双方在绝密状态下交换信息的传送方式，许多国家都非常重视保密通信的研究。量子通信技术的研究紧扣国家安全重大需求问题，可望大幅度提高信息传输的安全性、信息传输通道容量和效率等，是未来信息技术发展的重要战略性方向，并极有可能引起诸多科学和技术领域的革命，对经济和社会的进步产生难以估量的影响。国际上重要的发达国家，特别是美国、欧盟和日本均已投入大量人力物力致力于自由空间量子通信的理论和实验研究。

近年来，量子通信研究进展迅速，远距离量子通信则成为了国际激烈竞争的焦点。目前量子通信的技术手段主要包括：基于光纤通道、基于自由空间通道的量子传输。但由于光纤材料的限制，光纤的损耗和退相干效应无法避免，目前低损耗光纤的性能已经逼近理论极限，利用光纤在相距100公里以上的两点建立量子信道变得非常困难。自由空间量子信道是当前实现远距离量子通信实验的最为可行的方案之一，空间量子通信正处于从原理性研究走向实用化应用的关键时期。如何突破距离的限制在更广域的范围内实现量子通信过程成为摆在人们面前的难题，一旦取得突破将在整个量子通信研究领域产生极其深远的影响。

空间量子通信的量子密钥分发能够完成理论安全的“一次一密”的密钥分发工作，以实现后续的保密通信。但是，由于现有量子密钥分发系统的技术不完美，就会使得通信过程出现误码，且无法与窃听行为造成的误码相区分，这就给窃听者的攻击提供了各种可能性。另外，成码率同样是我们所关心的问题，只有量子密钥分发的成码率大于零，才说明该次分发过程是无条件安全而有价值的，否则分发过程就是失败的。而成码率越低，也说明密钥分发过程的效率越低，分发后续用于“一次一密”保密通信所用的同样长度密钥的时间越长。

在偏振编码的自由空间量子密钥分发中，偏振态是光子加载信息的方式，传输过程中任何偏振畸变都会引起误码，而传输过程中的偏振光子的收发效率影响系统的成码率。量子接收模块是空间量子通信系统的重要组成部分，其光学效率及保偏性能与量子通信的关键性能：成码率及误码率息息相关。现在普遍应用的量子接收模块主要由BS（能量分束器），PBS（极化分束器）组成，由于BS、PBS的性能限制，存在保偏性能不高（通常为100：1），分光透射反射比偏离明显的特点。本发明针对空间量子通信的应用需求，基于光学偏振理论以及晶体光学理论，利用格兰棱镜优良的极化分光能力，以及小体积、易安装等优点，通过光路设计，最终实现量子接收模小型化、高保偏的目的。

发明内容

本发明的目的在于，利用可调空间分束、格兰棱镜的高保偏极化分束特性，提供一种小型化、高保偏的量子接收模块光学系统，适应空间量子通信对小型化、高效率、高保偏的量子接收模块的迫切需求。

在空间大尺度的量子通信试验中,量子信号在发射端和接收端都处于单光子水平,而且对量子信号的编码采用了BB84方案,在此方案的密钥分发过程中,我们利用光子的偏振态(图1)来代替经典二进制码(bit),从而对信号进行编码,其中水平（H）或45°（+）偏振对应于经典比特0;竖直（V）或135°（-）偏振对应于经典比特1。当量子信号通过接收系统的一系列反射和折射之后,原来的偏振态会有所改变,由于偏振态携带着我们要传播的信息,所以在接收端要对传播光子的偏振态进行还原,因此在接收端量子接收和测量系统中要对传输系统中光子偏振态的改变进行补偿，然后再对量子信号进行BB84方案的解码，最终由单光子探测器进行测量。由于试验过程中采用了水平（H）和竖直（V）以及45°（+）和135°（-）四个偏振方向对量子信号进行编码,所以在分析光子通过介质或金属表面后偏振态的变化过程中,主要考虑在这四个偏振方向上的变化。

现有量子接收模块的光路如图2所示，模块主要由BS（能量分束器），PBS（极化分束器）、半波片组成。待检测的入射量子光经由BS分成两束，分别出射向一片PBS和一个半波片加PBS的组合。其中直接入射PBS的光经PBS透射和反射可以检测+、-的偏振态，而入射半波片的H、V方向光经过半波片的透射可以转变为+、-后经由后面的PBS检测，等效于半波片和PBS的组合检测了H、V方向的偏振态。在量子通讯过程中，通讯光的H、V、+、-不确定，但是由系统的同步光可以确定接收模块当前时刻要检测的是负责+、-的PBS还是负责H、V的半波片PBS组合，通过量子接收模块检测出当前通讯光的偏振态，从而完成量子通讯的任务并且达到保密的目的。

基于BS、PBS的性能，现有模块的缺陷主要体现在以下几方面：一、经过BS分光的+、-偏振态的消光比会下降，只有100：1左右，保偏性能较差；二、H、V组的偏振光经过PBS的检偏，分光透射反射比会下降，进一步影响误码及成码。

综上考虑现有模块的缺陷，利用格兰棱镜高保偏极化分束特性，以及可调型空间能量分束设计，本发明提出了一种小型化、高保偏的量子接收模块的设计，如图2所示，模块光学系统由可调反射镜1、半波片2、第一格兰棱镜3和第二格兰棱镜4组成。

所述的第一格兰棱镜3和第二格兰棱镜4中e光对应“+”光，o光对应“-”光，“o”光与“e”光最终出射夹角为90°。

其工作方式如下所述：

1、入射的光束经由可调反射镜1分为两束，一束经反射后垂直入射第一格兰棱镜3，第一格兰棱镜3将光束分成“H”和“V”二路光束，另外一束光按原方向经过半波片2后垂直入射第二格兰棱镜4，第二格兰棱镜4将光束分成“+”和“-”二路光束。

2、模块在整个量子通讯系统中同步被告知当前准备接收H、V或者+、-基，从而选择准备进行工作的棱镜。

3、在当前检测棱镜两个出射面上进行偏振检测，由此获得当前传输的基，从而完成量子通讯任务。

其工作原理如下所述：

入射光的能量分束由可调反射镜实现，代替现有模块中的BS功能。可调反射镜的安装角度及切入位置可调，不但可方便地调整倾角从而调整反射及透射光束按设计方向传输，而且可根据后继光学元件及探测器的效率，调整反射及透射光能量的比例。

入射光的极化分束由格兰棱镜实现，代替现有模块中的PBS功能。格兰棱镜利用双折射及全反射原理，可以实现高保偏（10000：1以上）的二向极化分束功能。

半波片的使用与现有量子接收模块上一样，其功能是旋转入射+、-方向偏振光至H、V方向，从而可以被后面的格兰棱镜检测，其原理可以由琼斯矩阵表达： $\left[\begin{array}{cc}\mathrm{coa}2\mathrm{\θ}& \sin 2\mathrm{\θ}\\ \sin 2\mathrm{\θ}& -\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos 2\mathrm{\θ}\\ \sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right].$ 其中θ是波片的快轴与H方向的夹角，因此令θ=22.5°，则经过半波片的+、-方向偏振光将旋转变成H、V方向的偏振光。因此模块就具备了检测H、V、+、-四路偏振方向的量子光。

本发明的核心在于使用格兰棱镜代替PBS实现既分光及检偏的功能。格兰棱镜如图3所示，由两块方解石直角棱镜沿斜面相对胶合而成，光轴取向垂直于页面并相互平行。当光垂直入射到棱镜端面时被分为两束振动方向互相垂直的偏振光，一束是垂直光轴的o光，另一束是平行光轴的e光，两束光的折射率互不相同，在方解石中o光折射率大于e光折射率。当光继续传输到棱镜和胶合面的接触面时，其入射角就等于棱镜夹角，又胶合剂大于并非常接近e光的折射率而小于o光的折射率，因此制作夹角大于o光在胶合面上的临界角，由此o光将在胶合面上发射全反射而e光则按原来方向继续向前传输，从而对o光e光分光。

在制作格兰棱镜时使e光对应+光，则o光就对应-光，再调整o光出射面的倾角使得o光e光最终出射夹角为90°，那么格兰棱镜就可以用来检测H、V的入射偏振光，再加上半波片的相位旋转，则可以检测+、-的入射偏振光，由此实现了对入射的4路偏振光进行基矢检测的功能，同时还对H、V以及+、-两组基实现了分光功能。

综上所述，使用可调反射镜和格兰棱镜的量子模块具有以下显著优点：

一、偏振性能显著提高：格兰棱镜的极化分束效果优秀，器件的偏振消光比可达100000：1以上；可调反射镜的使用，对反射路的H、V偏振态及透射路的+、-偏振态几乎没有影响，能够很好实现保偏的功能；另外，由于格兰棱镜分光基于全反射的原理，因此光束经过格兰棱镜的透反比很高，可以有效降低误码率，提高通信质量。

二、光学效率显著提高：使用反射镜代替BS，首先反射路的效率更高，反射镜反射效率可达到99%以上，高于能量分束镜BS的效率；而透射路的光则是完全透过，效率为100%；同时，格兰棱镜的透射及反射路效率也高于PBS。

三：反射透射能量比可调：使用可调反射镜代替BS，可以根据反射及透射光路后继光学元件及探测器的效率，调节反射透射能量比接近理论值（如50:50）。

四：方便调节透、反射光束分布：使用可调反射镜代替BS，可以方便地根据光路排布需要调整透射及反射光束的夹角。

五：小型化、高可靠：格兰棱镜的安装工艺、环境耐受能力优于BS以及PBS，而且已有航天应用案例，空间环境适应性强；另外，使用格兰棱镜及可调反射镜，有利于整个模块的小型化设计，对于空间应用非常重要。

附图说明

图1为用于量子编码的4个光子偏振态。

图2为模块光学系统光路图。

图3为现有量子接收模块示意图。

图4为格兰棱镜分光原理示意。

具体实施方式

本发明采用以下主要器件：

1、格兰棱镜：格兰棱镜选用Thorlabs的Glan-Laser Calcit Polarizers，型号为GL5-B，由两块空气填充间隙的方解石组成；其性能主要参数为消光比100000：1，面型小于等于λ/4，透射率大于92%，反射率经镀膜可以达到98%。

2、反射镜：反射镜选用Thorlabs的Broadband Dielectric Mirrors，型号为BB05-E03；其性能主要参数为反射面面型为λ/10，对H、V光增反镀膜，在850nm处可达到高于99%的反射率，从而保证反射方向的效率,对H、V光的消光比优于20000：1。

3、半波片：半波片选用Thorlabs的Zero-Order Wave Plates，型号为WPH05M-830，材料为石英；其主要性能参数为透射率每面均大于99.75%，保证H、V光的效率，相位延迟精度为λ/300，直径为12.7mm，对+、-光的消光比优于30000：1。

本发明模块示意图如图1所示，其工作方式如下所述：

1、入射的光束经由可调反射镜1分为两束，一束经反射后垂直入射格兰棱镜3，另外一束按原方向经过半波片2后垂直入射格兰棱镜4.

2、模块在整个量子通讯系统中同步被告知当前准备接收H、V或者+、-基，从而选择准备进行工作的棱镜.

3、在当前检测棱镜两个出射面上进行偏振检测，由此获得当前传输的基，从而完成量子通讯任务。

最终模块的在+方向上效率可达92%，消光比优于10000：1，-方向上效率可达98%，消光比优于10000：1，H方向上效率可达90%，消光比优于10000：1，V方向上效率可达96%，消光比优于10000：1。

Claims (1)

1.一种基于格兰棱镜极化分束的小型化高保偏量子接收模块光路，它由可调反射镜（1）、半波片（2）、第一格兰棱镜（3）和第二格兰棱镜（4）组成，其特征在于：

所述的第一格兰棱镜（3）和第二格兰棱镜（4）中e光对应“+”光，o光对应“-”光，“o”光与“e”光最终出射夹角为90°；

入射的光束经由可调反射镜（1）分为两束，一束经反射后垂直入射第一格兰棱镜（3），第一格兰棱镜（3）将光束分成“H”和“V”二路光束，另外一束光按原方向经过半波片（2）后垂直入射第二格兰棱镜（4），第二格兰棱镜（4）将光束分成“+”和“-”二路光束。

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