CN103840890A - 一种量子通信地面站望远镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子通信地面站望远镜光学系统，由主镜、次镜、电动偏转反射镜、分光棱镜、量子通信模块和精跟踪探测器构成。其中在接收光的光束线上依次放置主镜，在主镜的反射光线上放置次镜，在次镜的反射光线上放置电动偏转反射镜，在电动偏转反射镜的反射光线上放置分光棱镜，在分光棱镜的透射光线上放置量子通信模块，在分光棱镜的反射光线上放置精跟踪探测器。整个光学系统的光路传输仅需要四块折转镜就到达量子通信模块，最大限度保证了系统的光学传输效率和偏振对比度。另外，精跟踪探测器直接放置于地面站望远镜光学系统的一次焦点处，无须额外的成像镜头便可以实现信标光光轴位置的探测。该光学系统可以应用于地平式或极轴式地面站望远镜中。

Description

一种量子通信地面站望远镜光学系统

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种量子通信地面站望远镜光学系统。

背景技术

量子通信是量子信息领域最接近实用化的方向，自由空间量子通信则可借助空间平台建立高稳定低损耗信道，实现超远距离量子通信实验，通过空间平台中转将有可能实现覆盖全球的量子通信网络。地面站望远镜作为全球量子网络中一个必不可少的环节，可以实现卫星通信终端发射信标光的捕获和高精度跟踪，完成星上量子信号光的高效率高保偏度的接收，构建高稳定、低损耗的量子信道。星载量子通信激光源发射的是单光子量子信号，为了避免过大的几何衰减降低接收效率，通信光束的发散角很窄，通常在几十微弧度量级，这就要求地面站望远镜具有微弧度级的跟踪精度。星地量子通信光路经过大气层，大气湍流引起量子信息传输光束和信标光束的方向漂移，造成链路起伏，为了能抑制大气湍流引起的抖动，地面站望远镜还需要具有很高的控制带宽。

目前公知的高精度大口径跟踪望远镜都采用复合轴控制结构。由于望远镜本身受到自身结构的限制，望远镜自身的跟踪控制带宽非常有限。将大口径望远镜和单独转动反射镜进行结合构成复合轴系统，在主跟踪架上装一个高低方位均可微动的电动偏转反射镜，用以控制发射和接收光轴的方向，可实现大范围的快速高精度跟踪。（参见文献：马佳光，捕获跟踪与瞄准系统的基本技术问题[J]光学工程，1989，3(1)：1-42）。无论是地基还是星载跟踪或激光通信望远镜，均利用复合轴控制技术使望远镜达到较高的跟踪控制带宽和精度，但系统中继光路传输反射镜的数量较多。

量子通信地面站望远镜有其不同于经典的望远镜系统和激光通信地面站望远镜系统的特殊性，因为在量子通信系统中，均以单光子的偏振态作为信息载体，因此确保星地实验中发射端产生一定偏振态的光子，并使该光子以相同的偏振态被接收端检测是实验的关键。偏振光经过星地链路传输的偏振对比度变化直接影响通信误码率，因此星地量子通信系统要求偏振对比度越高越好。在量子通信过程中，理论及实验均证明大气对偏振态的影响可以忽略，因此在系统设计时主要考虑星上载荷与地面站望远镜的偏振态影响，目标是控制有效载荷与地面站望远镜的偏振对比度。星上设备的代价要高于地面站，因此地面站可以采用如下解决途径提高偏振对比度来降低对星上载荷的压力。这些手段主要包括：单片镜片膜系高保偏设计镀制来控制单片镜片的相位延迟，提高单片镜片的偏振保真度。尽量减少整个系统中继反射镜的数量：通过优化光路设计，尽量降低反射镜数量，控制系统总的相位延迟量。另外，为了确保精跟踪探测器接收到光斑的成像质量，还应减少成像镜头的镜片数量。

如图2所示，欧洲空间局在西班牙Tenerife岛上的量子通信1016mm地面站望远镜利用主镜和次镜进行量子光接收，利用第三镜在内的库德光路对望远镜的焦点进行了折转，折转后利用准直镜头对光束进行了准直。在光路准直后利用电动偏转反射镜实现高精度的复合轴跟踪，但其中继折转传输反射镜的数量达到了七块，成像透镜也有三组，这大大降低了系统的传输效率和偏振保真度。

中国科学院上海技术物理研究所公开的专利中提出了一种兼容激光通信的量子通信系统，该系统作为卫星载荷，与地面终端完成通信链路建立。该装置由光学望远镜、精跟踪快速指向镜，分色片组成，除光学望远镜外只有两块折转反射镜，具有较少的光路中继反射镜元件，但从其公开的光路布局可以看出，这种光路布局只适合于小口径的量子通信望远镜系统，因为对于大口径的量子通信望远镜系统还缺少一块第三镜进行光路的折转才能利于量子通信终端的布局。另外从其公开的光路布局可以看出，在其精跟踪相机前面还需要额外的一套成像镜头，系统较复杂。

因此，对于量子通信地面站望远镜，如果具有较少光路中继反射镜元件保证系统偏振保真度，同时又具有高的跟踪控制带宽和精度，将可以大大提高通信的效率，减少系统复杂程度，降低系统成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种量子通信地面站望远镜系统，以克服现有地面站望远镜系统中继折转反射镜多，精跟踪相机需要探测镜头来聚焦，传输效率和偏振对比度低的缺陷，最大限度保证整个通信链路保偏要求；同时该系统设计能够实现复合轴跟踪，达到高的跟踪控制带宽和精度。本发明的解决方案是采用主镜和次镜作为接收望远镜主光路，电动偏转反射镜即是第三镜，又作为复合轴跟踪控制模式的快速偏转反射镜部件，分光棱镜在望远镜的主焦点前对接收光进行分光，一路传输至量子通信模块，完成量子解码。一路传输至精跟踪探测器，不需要成像探测器镜头便可以探测信标光，实现对信标光光斑的提取和定位。

本发明采用的技术方案为：一种量子通信地面站望远镜光学系统，所述的光学系统包括：主镜，次镜，电动偏转反射镜，分光棱镜，量子通信模块，精跟踪探测器。其中在接收光的光束线上放置主镜，在主镜的反射光线上放置次镜，在次镜的反射光线上放置电动偏转反射镜，在电动偏转反射镜的反射光线上放置分光棱镜，在分光棱镜的透射光线上放置量子通信模块，在分光棱镜的反射光线上放置精跟踪探测器。

星上载荷发出的信标光经过的光路：信标光依次通过主镜、次镜的反射后，入射到电动偏转反射镜上，经电动偏转反射镜反射后到达分光棱镜，经过分光棱镜高反射率反射后到达精跟踪探测器，实现对入射信标光位置的实时探测。

星上载荷发出的量子光经过的光路：量子光依次通过主镜、次镜的反射后，入射到电动偏转反射镜上，经电动偏转反射镜反射后到达分光棱镜，经过分光棱镜高透射率透射后到达量子通信模块，实现量子解码。

进一步的，所述的电动偏转反射镜为压电陶瓷或音圈电机驱动，可在小角度范围内做快速的偏转。

进一步的，所述的分光棱镜透射量子光，反射信标光。

进一步的，所述的精跟踪探测器直接置于望远镜光学系统的焦点处，无需额外转折成像镜头。

进一步的，所述的精跟踪探测器为CCD传感器或CMOS传感器。

进一步的，主镜面形为双曲面、抛物面或椭球面，对应的次镜面形为双曲面或椭球面。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：整个系统包括主镜、次镜在内仅需要四块折转镜，最大限度保证了系统的传输效率和偏振对比度。精跟踪探测器直接放置于地面站望远镜的焦点处，无须额外的成像镜头便可以实现信标光光轴位置的探测。将传统望远镜光路中的固定式第三镜改为电动偏转反射镜，利用精跟踪探测器探测信标光的光斑位置并与电动偏振反射镜进行闭环，与望远镜跟踪架形成复合轴跟踪控制策略，使得实现高带宽和高精度的跟踪的同时保证较高的系统传输效率和偏振对比度。

附图说明

图1是本发明的量子通信地面站望远镜系统的光路示意图；

图中：1表示主镜，2表示次镜，3表示电动偏转反射镜，4表示分光棱镜，5表示量子通信模块，6表示精跟踪探测器。

图2为现有技术的西班牙Tenerife岛上的量子通信1016mm地面站望远镜的光路图。

图3为本发明的实施例2的跟踪误差曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面结合附图1及具体实施方式进一步详细介绍本发明。在该实例系统中，包括主镜1，次镜2，电动偏转反射镜3，分光棱镜4，量子通信模块5，精跟踪探测器6。其中在接收量子光的光束线上依次放置主镜1，在主镜1的反射光线上放置次镜2，在次镜2的反射光线上放置电动偏转反射镜3，在电动偏转反射镜3的反射光线上放置分光棱镜4，在分光棱镜4的透射光线上放置量子通信模块5，在分光棱镜4的反射光线上放置精跟踪探测器6。

附图2给出了西班牙Tenerife岛上的量子通信1016mm地面站望远镜的光路图，该光路图还仅仅是主光路图，在光路准直后利用电动偏转反射镜实现高精度的复合轴跟踪，其中继折转传输反射镜的数量达到了七块。

星上载荷发出的信标光经过的光路：信标光通过主镜1、次镜2的反射后，入射到电动偏转反射镜3上，经电动偏转反射镜3反射后到达分光棱镜4，经过分光棱镜4高反射率反射后到达精跟踪探测器6，实现对入射信标光位置的实时探测。

星上载荷发出的量子光经过的光路：量子光通过主镜1、次镜2的反射后，入射到电动偏转反射镜3上，经电动偏转反射镜3反射后到达分光棱镜4，经过分光棱镜4高透射率透射后到达量子通信模块5，实现量子解码。

所述的主镜1是凹反射镜，可以是双曲面、抛物面或椭球面镜；所述的次镜2是双曲面或椭球面镜；所述的电动偏转反射镜3由压电陶瓷或音圈电机驱动，可在小角度范围内做快速的偏转；所述的分光棱镜4反射量子通信光，透射信标光；所述的精跟踪探测器6为CCD传感器或CMOS传感器。

本实施例中，信标光波长532nm，量子光波长810nm。主镜1的有效直径为1000mm，面形为双曲面，次镜2的有效直径为300mm，面形也为双曲面，主镜1和次镜2的组合焦距8000mm，电动偏转反射镜3的有效直径300mm，偏转角度为3分，由压电陶瓷驱动，闭环带宽100Hz。分光棱镜直径50.8mm，对量子光透过率99%，对信标光反射率大于99%，精跟踪探测器帧频400Hz，像元尺寸15um。

实施例2

本实施例中，信标光波长532nm，量子光波长810nm。主镜1的有效直径为700mm，面形为抛物面，次镜2的有效直径为150mm，面形为双曲面，主镜1和次镜2的组合焦距6000mm，电动偏转反射镜3的有效直径300mm，偏转角度为3分，由音圈电机驱动，闭环带宽60Hz。分光棱镜直径30mm，对量子光透过率99%，对信标光反射率大于99%，精跟踪探测器帧频200Hz，像元尺寸16um。利用该实施例进行了对信标光进行了跟踪，跟踪精度达到了5urad，跟踪误差曲线如附图3所示。

Claims (6)

1.一种量子通信地面站望远镜光学系统，其特征在于：包括主镜（1），次镜（2），电动偏转反射镜（3），分光棱镜（4），量子通信模块（5），精跟踪探测器（6）；其中在接收光的光束线上放置主镜（1），在主镜（1）的反射光线上放置次镜（2），在次镜（2）的反射光线上放置电动偏转反射镜（3），在电动偏转反射镜（3）的反射光线上放置分光棱镜（4），在分光棱镜（4）的透射光线上放置量子通信模块（5），在分光棱镜（4）的反射光线上放置精跟踪探测器（6）；工作过程为：

星上载荷发出的信标光经过的光路：信标光依次通过主镜（1）、次镜（2）的反射后，入射到电动偏转反射镜（3）上，经电动偏转反射镜（3）反射后到达分光棱镜（3），经过分光棱镜（3）高反射率反射后到达精跟踪探测器（6），实现对入射信标光位置的实时探测；

星上载荷发出的量子光经过的光路：量子光依次通过主镜（1）、次镜（2）的反射后，入射到电动偏转反射镜（3）上，经电动偏转反射镜（3）反射后到达分光棱镜（3），经过分光棱镜（3）高透射率透射后到达量子通信模块（5），实现量子解码。

2.根据权利要求1所述的量子通信地面站望远镜光学系统，其特征在于：所述的电动偏转反射镜（3）为压电陶瓷或音圈电机驱动，可在小角度范围内做快速的偏转。

3.根据权利要求1所述的量子通信地面站望远镜光学系统，其特征在于：所述的分光棱镜（4）透射量子光，反射信标光。

4.根据权利要求1所述的量子通信地面站望远镜光学系统，其特征在于：所述的精跟踪探测器（6）直接置于望远镜光学系统的焦点处，无需额外转折成像镜头。

5.根据权利要求1所述的量子通信地面站望远镜光学系统，其特征在于：所述的精跟踪探测器（6）为CCD传感器或CMOS传感器。

6.根据权利要求1所述的量子通信地面站望远镜光学系统，其特征在于：主镜（1）面形为双曲面、抛物面或椭球面，对应的次镜（2）面形为双曲面或椭球面。

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