CN105634731B - 单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法，根据Stokes参量的Heisenberg测不准原理，对单光束的信号偏振参量进行编码，选择Stokes的S1参量作为本振光，S2或者S3参量作为编码信号；利用磁光调制器的旋光效应调制信号S2、S3的幅值，利用声光调制器的光弹效应实现编码信号S2与S3之间的切换，联合声光和磁光调制器实现Stokes参量编码；编码信号的幅度通过随机数发生电路随机选择。本发明所述调制编码方法具有结构简单，调制速率较快，调制系统对驱动电路的要求不高，无需使用复杂的偏振控制算法等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法。
背景技术
相干光通信系统中常使用相干光的幅度、相位、偏振作为信号的载体实现信号的调制编码。在量子通信中，相干态也有重要的作用。使用单光子实现量子密钥分配的量子保密通信目前还没有理想的单光子源，通常需要脉冲激光或者斩波装置得到平均光子数只有几个光子的弱相干光。不仅如此，基于单光子量子密码通信所需的单光子探测器使用条件严苛、价格昂贵。而采用连续变量相干态量子通信可以避免单光子量子通信中遇到的上述困难和障碍，包括光源可以使用强度较强的连续相干光，探测器可以使用价格低廉且效率较高的硅探测器。目前连续变量量子通信一般采用Mach-Zehnder干涉仪式的双光路，利用调制器对信号光进行幅度和相位编码。这种双光束通信方式在传输过程中难以保持光的同步和相干性，接收方难以实现两光束的耦合，影响了通信的稳定性。
自由空间相干光通信常用的光调制器有电光调制器和磁光调制器等。电光调制器利用晶体的Pockels效应，实现电控光偏振。电光调制器一般使用LiNbO3晶体，KDP晶体等作为电光介质。根据电场和光传播方向的不同，电光效应可分为横向和纵向两种电光效应。横向电光效应的半波电压小，但是光的入射角度受限；纵向电光效应的半波电压高，但是光的入射角度较大。电光调制器因响应速率高而广泛应用于相干光通信。电光幅度调制器可以调制入射光的偏振态，使出射光的椭圆偏振度和外加电场强度呈线性关系。但是电光调制器所用的LiNbO3晶体和KDP等晶体价格昂贵，且损伤阈值小，插入损耗大，通常还需要镀膜来提高入射光的透过率。另外电光调制器需要宽带高压放大器驱动，这对电路制作要求很高。
磁光调制器利用磁光介质的Faraday旋光效应设计实现。磁光介质在外部磁场的激励下可以将入射的线偏振光的偏振方位旋转一定的角度θF。因此磁光调制器的输出偏振态只能在Poincare球面上的赤道旋转，偏振调制的范围有限。另外磁光调制器一般使用恒压源驱动电磁铁使磁光介质磁化，调制速率慢。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法，联合磁光调制器和声光调制器实现偏振编码，调制方式简单且调制器件加个低廉。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法，其特征在于：提供处于同一光路上的磁光调制器与声光调制器，所述磁光调制器利用法拉第旋光效应将入射线偏振光的偏振角旋转一定的角度，等效于将所述线偏振入射光分解为两个正交分量，所述声光调制器调节所述两个正交分量的幅度并引入一个额外的相移，所述声光调制器后设置有测量基选择光路，所述测量基选择光路将声光调制器输出的两个正交分量分为两束光输出，所述测量基选择光路后设置有零差检测电路，两束光照射到零差检测电路，经光电转换和放大处理后将信号传输到数据采集电路；还提供随机数发生电路，所述随机数发生电路分别与磁光驱动器及超声驱动源连接，所述磁光驱动器与所述磁光调制器，所述超声驱动源与声光调制器连接，所述随机数发生电路产生随机数控制所述磁光调制器的驱动电流及声光调制器的输出功率。
进一步的，还提供808nm激光器，所述808nm激光器后设置有起偏器，所述808nm激光器发出的光线经过所述起偏器后形成所述线偏振入射光，所述线偏振入射光的偏振角度为5°。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明联合了声光调制器和磁光调制器，实现了单光束自由空间的偏振编码；相对于采用双光路的编码方案和使用电光晶体和其他调制器组合的调制方案这种调制方式无需昂贵的调制器，磁光调制器只需恒流源电路就可驱动，声光调制器使用廉价的各向同性介质，驱动电路使用成熟的射频电路驱动。具有编码光路简单，调制过程容易实现，无需复杂的光学设计以及驱动电路设计等优点。
附图说明
图1是本发明使用的编码区域示意图。
图2是本发明的水平分量和垂直分量的相位差和纵超声波的功率关系图。
图3是本发明一实施例的试验装置结构示意图。
图4是本发明磁光驱动器的恒流源驱动电路。
图5是传统电压驱动的响应时间示意图。
图6是本发明磁光驱动器的响应时间示意图。
图7是本发明联合调制时序图。
图8是本发明的控制流程图。
图中：1-808nm激光器；2-起偏器；3-磁光调制器；4-磁光驱动器；5-随机数发生电路；6-声光调制器；7-超声驱动源；8-测量基选择光路；9-零差检测电路；10-数据采集电路。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例提供一种单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法，其特征在于：请参照图3，提供处于同一光路上的磁光调制器3与声光调制器6，所述磁光调制器3对入射线偏振光进行旋光，等效于将所述线偏振入射光分解为两个正交分量，所述声光调制器6调节所述两个正交分量的幅度并引入一个额外的相移，所述声光调制器6后设置有测量基选择光路8，所述测量基选择光路8将声光调制器6输出的两个正交分量分为两束光输出，所述测量基选择光路8后设置有零差检测电路9，两束光照射到零差检测电路9，经光电转换和放大处理后将信号传输到数据采集电路10；还提供随机数发生电路5，所述随机数发生电路5分别与磁光驱动器4及超声驱动源7连接，所述磁光驱动器4与所述磁光调制器3连接，所述超声驱动源7与声光调制器6连接，所述随机数发生电路6产生随机数控制所述磁光调制器3的驱动电流及声光调制器6的输出功率；还提供808nm激光器1，所述808nm激光器1后设置有起偏器2，所述808nm激光器1发出的光线经过所述起偏器2后形成所述线偏振入射光，所述线偏振入射光的偏振角度为5°。
于本实施例中，所述磁光调制器采用铽镓石榴石作为磁光介质，所述铽镓石榴石为通光长度为28mm，边长为2.5mm的方柱体；声光调制器中各向同性的声光介质为熔石英，利用弹光效应，激励Stokes参量中的S2分量和S3分量，选择地控制输出信号的输出分量。
于本实施例中，所述随机数发生电路至少有6个I/O控制信号，参照图3，随机数发生电路分别通过4位及2位的I/O口与磁光驱动器4及超声驱动源7连接，实现信号和编码基的选择。
起偏器输出偏振角度约为5°的线偏振入射光，此时相干光的偏振态在Poincare球的S1正方向附近，所述线偏振入射光经过磁光调制器后，偏振角旋转了一定的角度θF，声光调制器通过Q9接头与超声驱动源7的射频输出Q9接头连接，所述超声驱动源7的驱动功率从0W到50W之间跳变驱动声光调制器6。
在量子相干光通信中，Stokes参量算符满足不确定性关系：
由式(1)可知只要一个Stokes参量不为零，另外两个Stokes参量就不可能被同时精确测量，选择S1参量作为本振光，随机选择S2参量或S3参量作为信号光；由于S1参量的幅度远远大于S2参量和S3参量的幅度，此时三个参量满足Heisenberg测不准性关系：ΔS2ΔS3≥S1，根据这个原理，利用磁光介质的Faraday旋光效应，对本振光S1分量进行弱调制，这里的调制的具体过程如下：采用归一化的Stokes参量表示,还没调制时,S1＝1，S2＝S3＝0；经过磁光调制器之后S1比如说为0.98，S2,S3分量不为零，。磁光就是调制Stokes参量在邦加球上的位置，调制同时会影响S1,S2,S3但是S1总是远大于S2\S3；利用声光作用的弹光效应激励产生所需的信号偏振参量，完成信号光的编码；结果是在同一光束中包含了本振光和信号光，在自由空间中把该光束传输到接收方，就完成了单光束相干光通信。这种通信方式不仅可以保证本振光很信号光的相干性、降低外部噪声干扰的影响，还可以降低对调制设备的需求，保证信息的安全性。
采用磁光调制器和声光调制器联合调制实现信号光的编码的具体内容如下：
磁光调制器利用磁光介质的Faraday旋光效应，将传播的线偏振入射光的偏振面旋转一个角度θF＝VFBL，得到所需的线偏振光，其中VF是Verdet常数，B是磁场强度，L是磁光介质的长度；选定磁光介质的几何尺寸之后，磁光调制器的旋转角θF的大小只与外加磁感应强度B及其方向有关，这种现象可以用Jones矩阵来分析：
假设光沿x方向传播，那么入射光的偏振光分解为y分量和z分量，经过磁光调制器调制后的输出为：
其中Ey，Ez是经过磁光作用后输出电场的y分量和z分量，E0是入射线偏振光的幅度，β是入射线偏振光的偏振方位角与z轴间的夹角；
当入射线偏振光的波长为808nm时，Verdet常数为-69.3rad/(T·m)；磁光调制器的磁感应强度B由所述磁光驱动器内的以电磁铁为主体的恒流源驱动电路提供，所述恒流源驱动电路可等效为一个RL电路，过渡时间为：
其中τ是RL电路的过渡时间，L和R分别是电磁铁等效电路的电感值和电阻值；
由式(3)可知，对于特定的电磁铁，L是确定的，需要通过增加电磁铁等效电路的等效电阻，来减小电磁铁的过渡时间τ，才能提高调制速率。通常电磁铁驱动电路为电压型驱动源。提高这种驱动电路的调制速率有两种措施：一是提高电路的等效电阻R，但会导致对应的稳态电流减小；二是提高电压源驱动的电压，但高压数控电路往往需要复杂的技术和电路设计。本专利改用恒流源驱动方案，不仅可以提高电磁铁驱动电路的有效阻值，还能维持驱动电压基本不变。
当各向同性的声光介质受到超声波扰动时，介质的折射率会随着超声扰动的大小变化而变化，受到扰动的各向同性介质可等效于一个体相位光栅，这不仅影响入射光的两个正交偏振分量的幅度，还会引入一个额外的相移。这种现象需要用声光耦合波方程来分析。光垂直入射到各向同性的声光介质的声光耦合方程为：
其中是Raman-Nath参数，λ是光的波长，n0是介质未受到超声扰动的折射率，l是声光作用长度，Pa是超声波功率，ρ是介质的密度，V是介质中的超声波波速，h是介质的宽度，是m阶衍射光场的幅度；Q是耦合系数称为Klein-Cook参数。
将入射线偏振光分解为两个正交分量，分别代入到式(4)中求解，取M＝7，可得经过声光互作用后零级衍射光的水平分量和垂直分量的解为：
其中ck是常数带入边界条件可以解出，sk是方程4的特征值；
结合式(5)和式(2)可得经过磁光和声光调制之后偏振光的y分量和z分量为：
其中是零级声光互作用对入射偏振光y分量复振幅的作用，是零级声光互作用对入射偏振光z分量复振幅的作用，δ0,y是零级声光互作用在y方向引入的相移，δ0,z是零级声光互作用在z方向引入的相移；
根据Stokes参量定义，将声光和磁光联合调制后偏振光的Stokes参量表示为：
由式(7)可得，当β≈0，δ0＝0也就是入射偏振光接近为水平线偏振光时，考虑到磁光调制的旋转角θF比较小，因此sin2(β+θF)→0，式(7)可以表示为：
其中Δδ＝arc tan(img(φ0,y)/real(φ0,y))-arc tan(img(φ0,z)/real(φ0,z))是y分量和z分量两个正交分量间的相位差；
分析式(8)发现入射偏振光经过声光互作用后，两个正交分量的相位差Δδ和纵超声功率的关系如图2所示。
当超声功率为0时，Δδ＝0，出射偏振光的归一化Stokes参量可以表示为：
当超声功率为14W时，Δδ＝π/2，出射偏振光的Stokes参量表示为：
综上可得，当入射光线偏振光的方位角在-5°～+5°时，经过磁光和声光调制之后，Stokes参量的S1分量总是本征光；当Δδ＝0，声光调制器激励的是S2信号，磁光调制器调制S2参量幅度，如图1中的虚线所示，S2参量随着磁光调制器电流的增加向着箭头方向移动；当Δδ＝π/2，声光调制器激励的是S3信号，磁光调制器调制S3参量幅度，如图1中的点线所示，S3参量随着磁光调制器电流的增加向着箭头方向移动，也就是说经过这种调制方式，Stokes参量满足的测不准关系。
特别的，磁光调制器的旋转角θF的大小与施加在磁光调制器的磁场大小有关。实测本发明使用的电磁铁磁场电流特性曲线在0.4A到2A之间线性度较好，满足近似的线性关系：B＝0.2188i+0.0125，相应地可得θF和外加电流i的关系为：θF＝-0.424i-0.024。因此θF和电流存在线性关系，可以由电流大小来控制θF。采用如图4所示的恒流源驱动电路，R12阻值远小于电磁铁的内阻R10，而在过渡状态下三极管的等效电阻Req通常为10KΩ左右，远远大于电磁铁内阻R10。由式(3)可知，恒流源电路可以大大减小过渡时间，提高磁光调制速率。实测本磁光调制器电磁铁的电感值约为160mH，电阻值为6.5Ω。设置采集电路10的采样速率为10K/s，每个采样点间隔为0.1ms。从采集的波形图6可知恒流源的响应速度为34ms，传统电压驱动的方式响应速度为0.7s，如图5所示。使用恒流源驱动电路的响应时间比传统的电压驱动响应时间快了20倍左右。
恒流源使用比例恒流源结构，数控电路采用一个电压控制电流源控制集电极电流的大小。压控电流源由场效应管组成，电流的大小由P1,P2,P3,P4支路控制，D0控制的电流为10mA，D1控制的电流为20mA，D2控制的电流为40mA，D3控制的电流为80mA。R9支路提供50mA固定电流。比例恒流源的比例系数为IL1≈R11/R12I，当R11/R12＝10时，比例恒流源最大输出为2A。
声光调制器6的声光介质为熔石英，压电换能器激发纵波，输出阻抗为50Ω。超声驱动源7的输出功率在0W～50W之间变化，调制速率最大50KHz，接50Ω负载时电压驻波比≤1.2。驱动器采用2位TTL电平控制，片选信号和GND。当片选信号为低电平时，无功率输出；当片选信号为高电平时，输出功率50W。
随机数生成器5使用STM32F207，内含一个随机数发生模块，保证随机数的随机性。当RNG_CLK时钟频率为16MHz时，该模块生成随机数的速率最快可达400K/s，远大于磁光调制器的调制速率，可用于生成调制过程所需的随机数。从STM32F207生成的均匀分布随机数列中抽取两个均匀分布的子随机数列，经Box-Muller算法转换为4位的高斯随机数。当抽取的间隔足够时，两个均匀随机数列具有准独立。RNG随机数的生成速率为400KHz，因此每20万个随机数列抽取一次，也就是每0.5秒抽取一次，两个随机数基本是独立的。
联合调制过程中，STM32F207以50KHz/s的速率生成32位随机数并归一化为服从(0,1)分布的随机数，控制声光调制器的输出功率，随机选择对S2或S3编码。微控制器每0.5秒从随机数模块产生的随机数中抽取一个随机数并借助Box-Muller算法得到一个服从高斯分布的4位随机数，用来控制磁光调制的幅度。在等待抽取过程中，不断输出服从(0,1)分布的随机数选择编码参量S2或S3，如图7所示。
编码过程如下：
调节光路使光束垂直入射到磁光调制器、声光调制器。设置起偏器的偏振角为平线方向±5°左右。设置STM32F207生成32位随机数，经过抽取得到两个随机数序列，归一化为(0,1)分布的均匀分布u0和u1。将浮点型均匀分布u0强制类型转换为32位无符号整形输出到STM32F207的GPIOD。GPIOD4与声光调制器的连接，控制声光调制器的输出功率。根据Box-Muller算法，计算θ＝2πu1，得到标准正态分布g＝R×θ。g1＝2.85g+7.5。将浮点型高斯分布g1强制类型转换为32位无符号整形输出到STM32F207的GPIOD。GPIOD0～GPIOD3与磁光驱动数字接口连接控制磁光调制器调制幅度，具体过程如图8所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法，其特征在于：提供处于同一光路上的磁光调制器与声光调制器，所述磁光调制器利用法拉第旋光效应将入射线偏振光的偏振角旋转一定的角度，等效于将所述线偏振入射光分解为两个正交分量，所述声光调制器调节所述两个正交分量的幅度并引入一个额外的相移，所述声光调制器后设置有测量基选择光路，所述测量基选择光路将声光调制器输出的两个正交分量分为两束光输出，所述测量基选择光路后设置有零差检测电路，两束光照射到零差检测电路，经光电转换和放大处理后将信号传输到数据采集电路；还提供随机数发生电路，所述随机数发生电路分别与磁光驱动器及超声驱动源连接，所述磁光驱动器与所述磁光调制器连接，所述超声驱动源与声光调制器连接，所述随机数发生电路产生随机数控制所述磁光调制器的驱动电流及声光调制器的输出功率；采用磁光调制器和声光调制器联合调制实现信号光的编码的具体内容如下：
磁光调制器利用磁光介质的Faraday旋光效应，将传播的线偏振入射光的偏振面旋转一个角度θF＝VFBL，得到所需的线偏振光，其中VF是Verdet常数，B是磁场强度，L是磁光介质的长度；选定磁光介质的几何尺寸之后，磁光调制器的旋转角θF的大小只与外加磁感应强度B及其方向有关，用Jones矩阵分析如下：
假设光沿x方向传播，那么入射光的偏振光分解为y分量和z分量，经过磁光调制器调制后的输出为：
其中Ey，Ez是经过磁光作用后输出电场的y分量和z分量，E0是入射线偏振光的幅度，β是入射线偏振光的偏振方位角与z轴间的夹角；
当入射线偏振光的波长为808nm时，Verdet常数为-69.3rad/(T·m)；磁光调制器的磁感应强度B由所述磁光驱动器内的以电磁铁为主体的恒流源驱动电路提供，所述恒流源驱动电路可等效为一个RL电路，过渡时间为：
其中τ是RL电路的过渡时间，L和R分别是电磁铁等效电路的电感值和电阻值；
声光调制器内设置有各向同性的声光介质，光垂直入射到各向同性的声光介质的声光耦合方程为：
其中是Raman-Nath参数，λ是光的波长，n0是介质未受到超声扰动的折射率，l是声光作用长度，Pa是超声波功率，ρ是介质的密度，V是介质中的超声波波速，h是介质的宽度，φm是m阶衍射光场的幅度；Q是耦合系数称为Klein-Cook参数。
将入射线偏振光分解为两个正交分量，分别代入到式(4)中求解，取M＝7，可得经过声光互作用后零级衍射光的水平分量φ0,y和垂直分量φ0,z的解为：
其中ck是常数带入边界条件可以解出，sk是方程4的特征值；
结合式(5)和式(2)可得经过磁光和声光调制之后偏振光的y分量和z分量为：
其中|φ0,y|是零级声光互作用对入射偏振光y分量复振幅的作用，|φ0,z|是零级声光互作用对入射偏振光z分量复振幅的作用，δ0,y是零级声光互作用在y方向引入的相移，δ0,z是零级声光互作用在z方向引入的相移；
根据Stokes参量定义，将声光和磁光联合调制后偏振光的Stokes参量表示为：
由式(7)可得，当β≈0，δ0＝0也就是入射偏振光为水平线偏振光时，考虑到磁光调制的旋转角θF比较小，因此sin2(β+θF)→0，式(7)可以表示为：
其中Δδ＝arctan(img(φ0,y)/real(φ0,y))-arctan(img(φ0,z)/real(φ0,z))是y分量和z分量两个正交分量间的相位差；
当超声功率为0时，Δδ＝0，出射偏振光的归一化Stokes参量可以表示为：
当超声功率为14W时，Δδ＝π/2，出射偏振光的Stokes参量表示为：
综上可得，当入射光线偏振光的方位角在-5°～+5°时，经过磁光和声光调制之后，Stokes参量的S1分量总是本征光；当Δδ＝0，声光调制器激励的是S2信号，磁光调制器调制S2参量幅度，S2参量随着磁光调制器电流的增加向着箭头方向移动；当Δδ＝π/2，声光调制器激励的是S3信号，磁光调制器调制S3参量幅度，S3参量随着磁光调制器电流的增加向着箭头方向移动。
2.根据权利要求1所述的单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法，其特征在于：还提供808nm激光器，所述808nm激光器后设置有起偏器，所述808nm激光器发出的光线经过所述起偏器后形成所述线偏振入射光，所述线偏振入射光的偏振角度为5°。
3.根据权利要求2所述的单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法，其特征在于：所述磁光调制器采用铽镓石榴石作为磁光介质，所述铽镓石榴石为通光长度为28mm，边长为2.5mm的方柱体。
4.根据权利要求3所述的单空间模相干光通信的磁光声光联合编码方法，其特征在于：在量子相干光通信中，Stokes参量算符满足不确定性关系：
由式(1)可知只要一个Stokes参量不为零，另外两个Stokes参量就不可能被同时精确测量，选择S1参量作为本振光，随机选择S2参量或S3参量作为信号光；由于S1参量的幅度远远大于S2参量和S3参量的幅度，此时三个参量满足Heisenberg测不准性关系：ΔS2ΔS3≥S1，根据这个原理，利用磁光介质的Faraday旋光效应，对本振光S1分量进行弱调制，利用声光作用的弹光效应激励产生所需的信号偏振参量，完成信号光的编码；在同一光束中包含了本振光和信号光。
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