CN107147442A - 一种四路同轴的自由空间量子通信编码装置 - Google Patents

一种四路同轴的自由空间量子通信编码装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种四路同轴的自由空间量子通信编码装置，该装置将4路编码信号耦合至1根单模光纤进行发射来确保4路量子光的高精度同轴，同时利用单模光纤具备幺正变化的偏振特性，采用1/4、1/4、1/2波片组合的方案对光纤引入的偏振变化进行补偿来确保出射光的偏振状态，并利用BB84解码模块对偏振补偿进行监测来保证偏振补偿效果。该发明具备高同轴度及高稳定性的特性，保密性更高；该发明适应了空间量子通信中对编码模块小型化、高保偏、高可靠的迫切需求。

Description

一种四路同轴的自由空间量子通信编码装置
技术领域
本发明公开了一种高同轴度的自由空间量子通信编码装置，特别适用于基于偏振编码的自由空间量子通信系统中，还适用于基于偏振编码的自由空间光通信系统。
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，远距离自由空间量子通信已经成为了国际研究的焦点，自由空间QKD的密钥编码方式一般采用BB84方案,其密钥是利用单光子的偏振态来进行二进制编码，其中定义水平(H)或+45°(+)线偏振对应于经典比特0；竖直(V)或-45°(-)线偏振对应于经典比特1，为了防止窃听者的非相干攻击，一般采用基于诱骗态的量子密钥分发(QKD)技术来判断是否存在窃听者，判断窃听者的主要依据是通过诱骗态与信号态之间的比例关系，而4种偏振态之间的接收效率关系对该比例的判断至关重要，设计绝对同轴的量子编码模块对是否存在窃听者意义重大。
本发明针对以上自由空间量子通信的应用需求，公开一种绝对同轴的自由空间量子通信编码装置及其设计方法，该发明具备高同轴度及高稳定性的特性，保密性更高；同时适应了自由空间量子通信中对编码模块小型化、高保偏、高可靠的迫切需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高同轴度的自由空间量子通信编码装置，该发明装置特别适用于基于偏振编码的自由空间量子通信系统中，还适用于基于偏振编码的自由空间光通信系统。该发明主要利用同一根光纤发射来保证量子光的同轴，从而获得一种高同轴性、高保密性的装置。该发明的特点主要体现在：量子光发射同轴度及稳定性高，保密性强；。
本发明装置如附图1所示：该发明装置由BB84偏振编码模块1、光束耦合装置2、第一可旋转1/4波片3、第二可旋转1/4波片4、可旋转1/2波片5、扩束镜6、保偏切光镜7、BB84偏振解码模块8组成。其中BB84偏振编码模块 1可分别通过带LD的第一保偏光纤1-1-1、带LD的第二保偏光纤1-1-2、带 LD的第三保偏光纤1-2-1及带LD的第四保偏光纤1-2-2引入4路量子信号，所述4路量子信号中的大部分光量子信号经过BB84偏振编码模块1后分别以 0°、90°、+45°和-45°4种线偏光同轴输出，4种线偏光再经过光束耦合装置2后准直输出，准直光分别经过第一可旋转1/4波片3、第二可旋转1/4波片4、可旋转1/2波片5、扩束镜6后发射，其中扩束镜6用于压缩出射光发散角，同时扩大出射光斑大小。
所述4路量子信号中的小部分光经过保偏切光镜7反射后进入BB84解码模块8，BB84解码模块8可对入射光的0°、90°、+45°和-45°的线偏分量同时进行测量，进而监视出射光偏振状态，通过对出射光偏振状态的测量，利用波片组进行偏振态补偿来保证出射光的偏振状态。同时带LD的第一保偏光纤1-1-1、带LD的第二保偏光纤1-1-2、带LD的第三保偏光纤1-2-1及带LD 的第四保偏光纤1-2-2所引入量子信号能量大小可由BB84解码模块8所接收到的信号进行反馈，通过能量反馈信息将4路出射光的能量调节一致。
所述的BB84偏振编码模块1由带LD的第一保偏光纤1-1-1、带LD的第二保偏光纤1-1-2、带LD的第三保偏光纤1-2-1及带LD的第四保偏光纤1-2-2、第一渥拉斯顿棱镜1-1、第二渥拉斯顿棱镜1-2、消偏振BS1-3、准直透镜1-4 及PIN管1-5组成。第一渥拉斯顿棱镜1-1将带LD的第一保偏光纤1-1-1、带 LD的第二保偏光纤1-1-2输出的两束正交偏振光进行合束；所述的第二渥拉斯顿棱镜1-2将带LD的第三保偏光纤1-2-1、带LD的第四保偏光纤1-2-2输出的两束正交偏振光进行合束；同时经过第一渥拉斯顿棱镜1-1、第二渥拉斯顿棱镜1-2合束的2种正交偏振光经过消偏振BS1-3进行合束，通过旋转透射端渥拉斯顿棱镜1-145°来保证透射光与反射光之间偏振方向偏差45°，保证4 路偏振光分别以0°、90°、+45°和-45°线偏方向出射，从而保证4种偏振态编码输出，最后经过准直透镜1-4后发出平行光束,而PIN管1-5用于检测四路光功率。
所述的光束准直装置2由耦合透镜2-1、单模光纤2-2及准直发射透镜2-3 组成。BB84偏振编码模块1输出的平行光，首先经过耦合透镜2-1后耦合到单模光纤2-2内,再经过准直发射透镜2-3准直输出。
所述的BB84偏振解码模块8由带探测器的第一多模光纤8-1-1、带探测器的第二多模光纤8-1-2、带探测器的第三多模光纤8-2-1及带探测器的第四多模光纤8-2-2、第三渥拉斯顿棱镜8-1、第四渥拉斯顿棱镜8-2、消偏振BS8-3、会聚透镜8-4组成。部分出射光束经过保偏切光镜7反射后进入BB84解码模块8内，首先经过会聚透镜8-4会聚，会聚光经过消偏振BS8-3分成透射与反射两路，透射光经过第三渥拉斯顿棱镜8-1偏振分光后分别引入至带探测器的第一多模光纤8-1-1、带探测器的第二多模光纤8-1-2内进行探测，反射光经过第四渥拉斯顿棱镜8-2偏振分光后分别引入至带探测器的第三多模光纤 8-2-1、带探测器的第四多模光纤8-2-2内进行探测；同时通过旋转透射端第三渥拉斯顿棱镜8-145°来保证透射光与反射光之间偏振方向偏差45°，从而保证4路偏振光分别以0°、90°、+45°和-45°线偏方向进行偏振分量测量。该模块的主要功能是用于各路量子光能量一致性及出射光偏振状态测试。
由于4路量子光通过同一准直透镜1-4输出，会引入偏振变化，该偏振变化为幺正变换，可以通过第一可旋转1/4波片3、第二可旋转1/4波片4、可旋转1/2波片5进行补偿，并通过BB84偏振解码模块8来测试偏振变化量并指导波片角度的计算，最终对补偿效果进行验证，具体偏振补偿原理可参考以下文献:
Wang Shao-Kai.et al.“Realization of Arbitrary Inverse UnitaryTransformation of Single Mode Fibre by Using Three Wave Plates.”Chin.Phys.Lett.24(9),2471-2474 (2007)
综上所述，本发明针对以上自由空间量子通信的应用需求，公开一种绝对同轴的自由空间量子通信编码装置及其设计方法，该发明具有以下优点：
1、出射量子光高同轴度：采用将4种偏振光经过准直透镜后发出的平行光束耦合至另一个准直透镜后汇聚到单模光纤内出射在经过准直透镜发射，保证了4路量子光的同轴性高，稳定性好；
2、量子光能量可监测：BB84偏振编码模块1中4路量子光出现光轴偏差，对系统来说仅仅体现在能量变化上，可以通过BB84偏振解码模块8进行能量监测，同时通过能量检测至来调节四路通道能量一致，确保安全性。
附图说明
图1为绝对同轴的量子通信编码装置示意图。
图2为BB84偏振编码模块示意图。
图3为BB84偏振解码模块示意图。
具体实施方式
本发明采用以下主要器件：
1、BB84偏振编码模块1：带LD的第一保偏光纤1-1-1、带LD的第二保偏光纤1-1-2、带LD的第三保偏光纤1-2-1及带LD的第四保偏光纤1-2-2采用LP852-SF30，光纤芯径5.3um；第一渥拉斯顿棱镜1-1、第二渥拉斯顿棱镜 1-2选用方解石材料，其消光比优于100000：1；消偏振BS1-3采用Thorlabs 公司型号为BS008的器件，其使用波长范围770-1100nm，口径为5mm；准直透镜1-4采用Thorlabs公司型号为352150的器件，焦距为2mm，PIN管1-5采用Thorlabs公司型号为1110576的器件，使用波长范围600-1100nm。组件集成可由深圳光越科技进行集成；
2、光束耦合装置2：耦合透镜2-1准直发射透镜2-3采用Thorlabs公司型号为F220FC-B的器件，系统焦距为10.99mm，可直接连接光纤；、单模光纤 2-2采用普通单模光纤，光纤芯径5.3um；
3、可旋转1/4波片3、可旋转1/4波片4：采用Thorlabs公司的消色差 1/4波片，型号为AHWP05M-980，其主要性能参数：工作波段为700-1200nm；相位延迟准确度λ/40-λ/230；旋转器采用Thorlabs公司型号为RSP1X15的器件，波片安装于旋转器内；
4、可旋转1/2波片5：采用Thorlabs的消色差1/2波片，型号为 AQWP05M-980，其主要性能参数：工作波段为700-1200nm；相位延迟准确度λ/40-λ/230；旋转器采用Thorlabs公司型号为RSP1X15的器件，波片安装于旋转器内；
5、扩束镜6：常规扩束镜，扩束倍数取5倍，工作波长范围为600-1000nm；
6、保偏切光镜7：常规反射镜，切光镜口径为5mm，切光角度为22.5°， +(45°)和-(-45°)线偏光经过切光镜反射后的消光比优于5000：1
7、BB84偏振解码模块8：带探测器的第一多模光纤8-1-1、带探测器的第二多模光纤8-1-2、带探测器的第三多模光纤8-2-1及带探测器的第四多模光纤8-2-2采用Thorlabs公司型号为SPCM50A的单光子计数模块，采用常规多模光纤，使用波长范围400-2400nm，芯径105um，数值孔径为0.22；第三渥拉斯顿棱镜8-1、第四渥拉斯顿棱镜8-2选用方解石材料，其消光比优于100000：1；消偏振BS 8-3采用Thorlabs公司型号为BS008的器件，其使用波长范围 770-1100nm，口径为5mm；准直透镜8-4采用Thorlabs公司型号为352150的器件，焦距为2mm；组件集成可由深圳光越科技进行集成。
本发明模块示意图如1所示，其工作方式如下所述：
该发明装置由BB84偏振编码模块1、光束耦合装置2、第一可旋转1/4波片3、第二可旋转1/4波片4、可旋转1/2波片5、扩束镜6、保偏切光镜7、BB84偏振解码模块8组成。其中BB84偏振编码模块1可分别通过带LD的第一保偏光纤1-1-1、带LD的第二保偏光纤1-1-2、带LD的第三保偏光纤1-2-1及带LD的第四保偏光纤 1-2-2引入量子信号，量子信号经过BB84偏振编码模块1后分别以0°、90°、+45°和-45°4种线偏光同轴输出，4种线偏光再经过光束耦合装置2后准直输出，准直光分别经过第一可旋转1/4波片3、第二可旋转1/4波片4、可旋转1/2波片5、扩束镜6后发射，其中扩束镜6用于压缩出射光发散角，同时扩大出射光斑大小，通信光束沿主光路发射至接收端，部分光束经过保偏切光镜7反射后进入BB84 解码模块8，BB84解码模块8可对入射光的0°、90°、+45°和-45°偏振分量同时进行测量，进而监视出射光偏振状态，通过对出射光偏振状态的测量，并利用参考文献“Wang Shao-Kai.et al.《Realization of Arbitrary Inverse Unitary Transformation of Single Mode Fibreby Using Three Wave Plates.》Chin.Phys. Lett.24(9),2471-2474(2007)”中的偏振补偿原理控制波片组的角度来补偿偏振态退化，从而保证出射光的线偏振状态。偏振状态调节完成后，通过BB84解码模块8所接收到的信号进行反馈，分别调节带LD的第一保偏光纤1-1-1、带LD 的第二保偏光纤1-1-2、带LD的第三保偏光纤1-2-1及带LD的第四保偏光纤1-2-2所引入量子信号能量大小，最终通过能量反馈信息将4路出射光的能量调节一致。
所述的BB84偏振编码模块(1)由带LD的第一保偏光纤1-1-1、带LD的第二保偏光纤1-1-2、带LD的第三保偏光纤1-2-1及带LD的第四保偏光纤1-2-2、第一渥拉斯顿棱镜1-1、第二渥拉斯顿棱镜1-2、消偏振BS1-3、准直透镜1-4 及PIN管1-5组成。第一渥拉斯顿棱镜1-1将带LD的第一保偏光纤1-1-1、带 LD的第二保偏光纤1-1-2输出的两束正交偏振光进行合束；所述的第二渥拉斯顿棱镜1-2将带LD的第三保偏光纤1-2-1、带LD的第四保偏光纤1-2-2输出的两束正交偏振光进行合束；同时经过第一渥拉斯顿棱镜1-1、第二渥拉斯顿棱镜1-2合束的2种正交偏振光经过消偏振BS1-3进行合束，通过旋转透射端渥拉斯顿棱镜1-145°来保证透射光与反射光之间偏振方向偏差45°，保证4 路偏振光分别以0°、90°、+45°和-45°线偏振方向出射，从而保证4种偏振态编码输出，最后经过准直透镜1-4后发出平行光束,而PIN管1-5用于检测四路光功率。
所述的光束准直装置2由耦合透镜2-1、单模光纤2-2及准直发射透镜2-3 组成。BB84偏振编码模块1输出的平行光，首先经过耦合透镜2-1后耦合到单模光纤2-2内,再经过准直发射透镜2-3准直输出。
所述的BB84偏振解码模块8由带探测器的第一多模光纤8-1-1、带探测器的第二多模光纤8-1-2、带探测器的第三多模光纤8-2-1及带探测器的第四多模光纤8-2-2、第三渥拉斯顿棱镜8-1、第四渥拉斯顿棱镜8-2、消偏振BS8-3、会聚透镜8-4组成。部分出射光束经过保偏切光镜7反射后进入BB84解码模块8内，首先经过会聚透镜8-4会聚，会聚光经过消偏振BS8-3分成透射与反射两路，透射光经过第三渥拉斯顿棱镜8-1偏振分光后分别引入至带探测器的第一多模光纤8-1-1、带探测器的第二多模光纤8-1-2内进行探测，反射光经过第四渥拉斯顿棱镜8-2偏振分光后分别引入至带探测器的第三多模光纤 8-2-1、带探测器的第四多模光纤8-2-2内进行探测；同时通过旋转透射端第三渥拉斯顿棱镜8-145°来保证透射光与反射光之间偏振方向偏差45°，从而保证4路偏振光分别以0°、90°、+45°和-45°线偏振分量进行监测。

Claims (6)

1.一种四路同轴的的自由空间量子通信编码装置，包括BB84偏振编码模块(1)、光束耦合装置(2)、第一可旋转1/4波片(3)、第二可旋转1/4波片(4)、可旋转1/2波片(5)、扩束镜(6)、保偏切光镜(7)、BB84偏振解码模块(8)，其特征在于：
BB84偏振编码模块(1)通过带LD的第一保偏光纤(1-1-1)、带LD的第二保偏光纤(1-1-2)、带LD的第三保偏光纤(1-2-1)及带LD的第四保偏光纤(1-2-2)引入4路量子信号，所述4路量子信号中的大部分光经过BB84偏振编码模块(1)后分别以0°、90°、+45°和-45°4种线偏光同轴输出，4种线偏光再经过光束耦合装置(2)准直后输出，输出的4路准直光分别经过第一可旋转1/4波片(3)、第二可旋转1/4波片(4)、可旋转1/2波片(5)、扩束镜(6)后发射，其中扩束镜(6)用于压缩出射光发散角，同时扩大出射光斑大小；
所述4路量子信号中的小部分光经过保偏切光镜(7)反射后进入BB84偏振解码模块(8)，BB84偏振解码模块(8)可对进入至模块内部的偏振光的0°、90°、+45°和-45°的偏振分量同时进行测量，进而监视出射光偏振状态，通过对出射光偏振状态的测量，利用波片组进行偏振态补偿来保证出射光的偏振状态；同时带LD的第一保偏光纤(1-1-1)、带LD的第二保偏光纤(1-1-2)、带LD的第三保偏光纤(1-2-1)及带LD的第四保偏光纤(1-2-2)所引入量子信号能量大小可由BB84解码模块(8)所接收到的信号进行反馈，通过能量反馈信息将4路出射光的能量调节一致。
2.根据权利要求1所述的一种四路同轴的的自由空间量子通信编码装置，其特征在于：所述的BB84偏振编码模块(1)由带LD的第一保偏光纤(1-1-1)、带LD的第二保偏光纤(1-1-2)、带LD的第三保偏光纤(1-2-1)及带LD的第四保偏光纤(1-2-2)、第一渥拉斯顿棱镜(1-1)、第二渥拉斯顿棱镜(1-2)、消偏振BS(1-3)、准直透镜(1-4)及PIN管(1-5)组成。
所述的第一渥拉斯顿棱镜(1-1)将带LD的第一保偏光纤(1-1-1)、带LD的第二保偏光纤(1-1-2)输出的两束正交偏振光进行合束；所述的第二渥拉斯顿棱镜(1-2)将带LD的第三保偏光纤(1-2-1)、带LD的第四保偏光纤(1-2-2)输出的两束正交偏振光进行合束；所述的消偏振BS(1-3)具备保偏功能，0°、90°、+45°和-45线偏光经过BS(1-3)的消光比优于2000：1，同时经过第一渥拉斯顿棱镜(1-1)、第二渥拉斯顿棱镜(1-2)合束的2种正交偏振光经过消偏振BS(1-3)进行合束，通过旋转透射端渥拉斯顿棱镜(1-1)45°来保证透射光与反射光之间偏振方向偏差45°，保证4路偏振光分别以0°、90°、+45°和-45°线偏方向方向出射，同时经过准直透镜(1-4)后发出平行光束,而PIN管(1-5)用于检测四路光功率。
3.根据权利要求1所述的一种四路同轴的的自由空间量子通信编码装置，其特征在于：所述的光束准直装置(2)由耦合透镜(2-1)、单模光纤(2-2)及准直发射透镜(2-3)组成。BB84偏振编码模块(1)输出的平行光，首先经过耦合透镜(2-1)后耦合到单模光纤(2-2)内,再经过准直发射透镜(2-3)准直输出。
4.根据权利要求1所述的一种四路同轴的的自由空间量子通信编码装置其特征在于：所述的可旋转1/4波片(3)、可旋转1/4波片(4)、可旋转1/2波片(5)均能够在入射光正交面内旋转，其相位延迟精度在使用波长处均优于1/300λ。
5.根据权利要求1所述的一种四路同轴的的自由空间量子通信编码装置，其特征在于：所述的保偏切光镜(7)切光角度小于25°，要求+45°和-45°线偏光反射后的消光比优于5000：1。
6.根据权利要求1所述的一种四路同轴的的自由空间量子通信编码装置，其特征在于：所述的BB84偏振解码模块(8)由带探测器的第一多模光纤(8-1-1)、带探测器的第二多模光纤(8-1-2)、带探测器的第三多模光纤(8-2-1)及带探测器的第四多模光纤(8-2-2)、第三渥拉斯顿棱镜(8-1)、第四渥拉斯顿棱镜(8-2)、消偏振BS(8-3)、会聚透镜(8-4)组成。
所述的部分出射光束经过保偏切光镜(7)反射后进入BB84解码模块(8)内，首先经过会聚透镜(8-4)会聚，会聚光经过消偏振BS(8-3)分成透射与反射两路，透射光经过第三渥拉斯顿棱镜(8-1)偏振分光后分别引入至带探测器的第一多模光纤(8-1-1)、带探测器的第二多模光纤(8-1-2)内进行探测，反射光经过第四渥拉斯顿棱镜(8-2)偏振分光后分别引入至带探测器的第三多模光纤(8-2-1)、带探测器的第四多模光纤(8-2-2)内进行探测；所述的消偏振BS(8-3)具备保偏功能，0°、90°、+45°和-45线偏光经过BS(8-3)后的消光比优于2000：1，同时通过旋转透射端第三渥拉斯顿棱镜(8-1)45°来保证透射光与反射光之间偏振方向偏差45°，从而保证4路偏振光分别以0°、90°、+45°和-45°方向进行偏振分量检测。
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