CN103763038A

CN103763038A - 一种基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置

Info

Publication number: CN103763038A
Application number: CN201310751277.3A
Authority: CN
Inventors: 孙博; 田方; 白先鹏
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103763038B

Abstract

本发明公开了一种基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置，包括泵浦光源、半波片、偏振分束器、凸透镜、MgO：LiNbO₃晶体、信息空间编码器、太赫兹光子收集透镜、窄带滤波片、太赫兹单光子探测器、单光子计数器、符合测量装置、信息空间解码器。从泵浦光源出射的泵浦光经凸透镜会聚，激励MgO：LiNbO₃晶体产生具有纠缠性质的太赫兹光子通信通道和斯托克斯光子通信通道。在太赫兹光子通信通道上放置信息空间编码器、太赫兹光子收集透镜、窄带滤波片、太赫兹单光子探测器。在斯托克斯光子通信通道上，放置单光子探测器。太赫兹单光子探测器和单光子探测器输出的量子随机电脉冲信号进入符合测量装置，并利用信息空间解码器，再现原始通信信息。

Description

一种基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置

技术领域

本发明涉及太赫兹光电子学技术领域，具体涉及一种基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置。

背景技术

太赫兹波是一种处于波长30μm-3mm范围内的电磁波，其波段位于远红外和微波之间。太赫兹波对大多数非极性材料、沙尘、塑料聚合物、木板、纸张、半导体材料等都具有较高的穿透性，并且太赫兹波光子的能量仅为X射线光子的能量1/10⁶，不会对生物组织产生有害的电离，因此太赫兹波技术目前已被广泛的应用于安全检查、武器制导、空间通信、反恐、生物医学成像等应用技术中。

随着高速率无线通信技术的发展，以及人们对大容量、高速率传输要求的不断增加，人们对太赫兹频段通信研究越来越重视。由于太赫兹波段处于光波与微波之间，因此太赫兹通信集成了微波通信和光通信所共有的优点。相对于微波通信，太赫兹通信具有传输容量大、速率快、方向性好、抗干扰性和保密性强等优点。相对于光通信而言，作为载波的太赫兹波能穿透沙尘、烟雾、塑料聚合物、木板、纸张，可实现跨障碍物通信。

目前，在现有的太赫兹通信技术中，携带通信编码信息的太赫兹波载波在发射装置与接受装置之间传输时，很容易受到外界环境，诸如空气流动、湿度变化、烟尘等的随机干扰，而且容易被第三方截获、解码，使得常规的太赫兹通信技术在抗干扰能力和安全保密性方面亟需进一步提高。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置，具有非定域式、安全保密性高、抗干扰能力强的等优点。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置，包括泵浦光源、半波片、偏振分束器、凸透镜、MgO：LiNbO₃晶体、信息空间编码器、太赫兹光子收集透镜、窄带滤波片、太赫兹单光子探测器、单光子计数器、符合测量装置、信息空间解码器；

从泵浦光源出射的泵浦光，入射半波片和偏振分束器后，通过凸透镜会聚，形成波面为球面形的泵浦光束，激励MgO：LiNbO₃晶体产生具有双光子纠缠性质的太赫兹光子和斯托克斯光子；其中：

在太赫兹光子通信通道上放置信息空间编码器、太赫兹光子收集透镜、窄带滤波片、太赫兹单光子探测器；

在斯托克斯光子通信通道上，放置加有光纤尾纤的单光子探测器接收其光子，并可做空间二维扫描。

太赫兹单光子探测器和单光子探测器分别连接符合测量装置，符合测量装置连接空间信息编码器。

所述泵浦光源1选择电光调Q脉冲Nd:YAG激光器。

所述MgO：LiNbO₃晶体为X-Y-Z方式切割，在泵浦光出射端有一25°的切割角，切割面光学抛光；在两个Y-Z面光学抛光，并镀中心波长为1064nm的增透膜。

所述太赫兹光子收集透镜由高密度白色聚乙烯或TPX材质制成。

符合测量装置由时幅转换仪和多通道分析仪组成。

本发明的基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置，具有非定域式、抗干扰能力强、安全保密性高、操作性灵活的等优点，可广泛用于军事侦察、空间保密通信等领域，应用前景巨大。与现有的太赫兹波通信技术相比，在这种太赫兹通信技术中，有两路通信通道：一路通信通道是太赫兹光子通信通道。信息空间编码器置于太赫兹光子通信通道中，通过信息空间编码器的太赫兹光子被固定的太赫兹单光子计数器接收，产生具有量子随机特性的电脉冲信号，该电脉冲信号不具有任何编码信息；另一路是斯托克斯光子通信通道。在斯托克斯光子通信通道中的单光子计数器做二维空间扫描，接收不具有任何编码信息的随机斯托克斯光子，同样产生具有量子随机特性的电脉冲信号。只有两路电信号同时通过符合测量装置后，才能再现真实的空间编码信息，再通过信息空间解码器还原通信信息。也就是说，仅仅截获任一路通信通道的信号，是无法还原、再现空间编码信息的。这种非局域性特点，大大提高了太赫兹波通信的安全保密性。而且，即使太赫兹光子通信通道受到外界的随机干扰，通过对具有双光子纠缠特性太赫兹光子和斯托克斯光子的符合测量，仍可以实现顺畅的通信传输。

附图说明

图1是本发明的基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置的结构示意图。

图2是MgO：LiNbO₃晶体的切割方式示意图。

图3是泵浦光光子的波矢、斯托克斯光子的波矢和太赫兹光子的波矢满足的非共线相位匹配示意图。

图中的标号分别表示，1、Nd：YAG激光器，2、半波片，3、偏振分束器，4、凸透镜，5、MgO：LiNbO₃晶体，6、太赫兹光子，7、信息空间编码器，8、太赫兹光子收集透镜，9、窄带滤波片，10、太赫兹单光子探测器，11、斯托克斯光子，12、单光子计数器，13、符合测量装置，14、信息空间解码器。

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详述。

具体实施方式

参见图1，本实施例中，泵浦光源1选择电光调Q脉冲Nd:YAG激光器。

电光调Q脉冲Nd：YAG激光器1的基频光（波长为λ_P=1064nm）作为泵浦光源，泵浦光的偏振方向平行于MgO：LiNbO₃晶体5的Z轴方向。

泵浦光通过半波片2和偏振分束器3后，被焦距为f的凸透镜4会聚，形成波面为球面的泵浦光，然后入射至MgO：LiNbO₃晶体5（掺杂浓度为5%mol）中。通过旋转半波片2，控制入射至MgO：LiNbO₃晶体5中的泵浦光能量，从而产生非简并双光子纠缠的太赫兹光子6（波长为λ_T）和斯托克斯光子11（波长为λ_S），分别作为两个通信通道（以下称为太赫兹光子通信通道和斯托克斯光子通信通道）。

凸透镜4到MgO：LiNbO₃晶体5的太赫兹光子和斯托克斯光子的输出端的距离为d。

MgO：LiNbO₃晶体5切割方式如图2所示。由于在太赫兹光子和斯托克斯光子产生过程中，泵浦光光子的波矢k_Pump、斯托克斯光子的波矢k_Stokes和太赫兹光子的波矢k_THz满足非共线相位匹配过程（如图3所示），且太赫兹光子波矢与泵浦光光子波矢夹角较大（约65°）。在MgO：LiNbO₃晶体5的泵浦光出射端切割一角，如图2所示，切割角度为25°，使产生的太赫兹光子从切割面处垂直出射。切割面进行光学抛光。同时，产生的斯托克斯光子将从MgO:LiNbO₃晶体5的Y-Z面处出射。泵浦光尽量靠近MgO：LiNbO₃晶体5的切割面与Y-Z面的交界处，以缩短太赫兹光子在晶体中的传输路径。对两个Y-Z通光面进行光学抛光，并镀中心波长为1064nm的增透膜。

在太赫兹光子6通信通道中放置信息空间编码器7。从MgO：LiNbO₃晶体5切割面到信息空间编码器7的距离为Z₁。将原始的通信信息利用信息空间编码器7进行空间编码。通过信息空间编码器7的太赫兹光子被一由高密度白色聚乙烯或TPX材料制成的太赫兹收集透镜8会聚，在其焦点处放置太赫兹单光子探测器10。在太赫兹单光子探测器10前加一窄带滤波片9，用以滤除杂散光。太赫兹单光子探测器10产生具有量子随机特性的电脉冲信号，该电脉冲信号不具有任何空间编码信息。

在斯托克斯光子11通信通道中放置一加有光纤尾纤的单光子探测器12，该单光子探测器可做垂直于斯托克斯光子通信通道的平面扫描，接收不具有任何编码信息的随机斯托克斯光子，产生具有量子随机特性的电脉冲信号。从MgO：LiNbO₃晶体5的斯托克斯光子输出面到单光子探测器12扫描平面的距离为Z₂。

太赫兹单光子探测器10和单光子探测器12输出的具有量子随机特性的电脉冲信号，同时进入由时幅转换仪和多通道分析仪组成的符合测量装置13。当满足如下公式时：

\frac{λ_{P}}{Z_{1} λ_{T}} + \frac{λ_{P}}{Z_{2} λ_{S}} = \frac{1}{f - d}

便可再现真实的空间编码信息。空间编码信息通过信息空间解码器14便可获得原始的通信信息，实现了信息传递。

需要说明的是，上述以实施例是本发明的优选方式，应当理解为通过上述实施例用于本领域的技术人员更进一步的理解本发明，本发明不限于上述实施例，本领域的技术人员在上述实施例给出的技术方案基础上，所作出的添加和等效替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置，其特征在于，包括泵浦光源（1），半波片（2）、偏振分束器（3）、凸透镜（4）、MgO：LiNbO₃晶体（5）、信息空间编码器（7）、太赫兹光子收集透镜（8）、窄带滤波片（9）、太赫兹单光子探测器（10）、单光子计数器（12）、符合测量装置（13）、信息空间解码器（14）；

从泵浦光源（1）出射的泵浦光，入射半波片（2）和偏振分束器（3）后，通过凸透镜（4）会聚，形成波面为球面形的泵浦光束，激励MgO：LiNbO₃晶体（5）产生具有双光子纠缠性质的太赫兹光子（6）和斯托克斯光子（11）；其中：

在太赫兹光子（6）通信通道上，放置信息空间编码器（7）、太赫兹光子收集透镜（8）、窄带滤波片（9）、太赫兹单光子探测器（10）；

在斯托克斯光子（11）通信通道上，放置加有光纤尾纤的单光子探测器（12）接收其光子，并可做空间二维扫描；

太赫兹单光子探测器（10）和单光子探测器（12）分别连接符合测量装置（13），符合测量装置（13）连接空间信息编码器（14）。

2.如权利要求1所述的基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置，其特征在于，所述泵浦光源（1）为电光调Q脉冲Nd:YAG激光器。

3.如权利要求1所述的基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置，其特征在于，所述MgO：LiNbO₃晶体（5）为X-Y-Z方式切割，在泵浦光出射端有一25°的切割角，切割面光学抛光；在两个Y-Z面光学抛光，并镀中心波长为1064nm的增透膜。

4.如权利要求1所述的基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置，其特征在于，所述太赫兹光子收集透镜（8）由高密度白色聚乙烯或TPX材质制成。

5.如权利要求1所述的基于量子双光子纠缠的太赫兹波通信装置，其特征在于，所述符合测量装置（13）由时幅转换仪和多通道分析仪组成。