CN108398188A - 一种用于量子通信的光偏振态测量和控制系统 - Google Patents

一种用于量子通信的光偏振态测量和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能够快速检测完全偏振光的偏振态，同时可以方便地提供偏振态控制的系统及方法，使得能够在量子通信偏振编码系统中采用开环式主动偏振补偿方案，有利于量子通信系统在复杂环境下的应用。

Description

一种用于量子通信的光偏振态测量和控制系统
技术领域
本发明涉及光学测量控制领域，尤其涉及量子通信中光偏振态的测量与控制。
背景技术
在光学应用中，光信号的偏振态是常见的需要进行测量和控制的光学参数。斯托克斯矢量S可以表征任意光的偏振态，假设光束沿着笛卡尔坐标系xyz的正z轴传播，斯托克斯矢量的四个分量S0、S1、S2和S3可以被如下定义：
其中，S0表示光的总光强；S1表示光在x方向线偏振分量与y方向线偏振分量的光强差；S2表示光在45度方向线偏振分量与-45度线偏振分量的光强差；S3表示光右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量的光强差。
由这四个分量S0、S1、S2和S3构成的斯托克斯矢量S习惯上由一个4*1阶列矢量表示：
其中，T表示矩阵的转置。
当用斯托克斯矢量研究光通过光学系统后的偏振态时，系统的性质可以用称为穆勒矩阵的4*4矩阵来表示。出射光的斯托克斯矢量Sout等于光学系统的穆勒矩阵M乘以入射光的斯托克斯矢量Sin，即：
现如今大多数偏振态检测都归结为各个斯托克斯矢量分量S0-S3的测量。
现阶段光偏振态测量，即斯托克斯矢量测量法主要有：机械转动测量法和无需机械转动的分振幅测量法。机械转动法主要是利用一个1/4波片和一个起偏器，通过控制波片在光路中的存在与否以及起偏器的角度，再根据经此控制的光路输出的光强分别得到斯托克斯矢量的四个分量，进而测得光偏振态。该方法是对单条光路进行测量，需要旋转起偏器和移入移出波片，只能测量变化较慢的偏振态。
无需机械转动的分振幅测量法主要是将入射光波分成四束光，这四束光分别经过不同的波片，使得这四路光最后的穆勒矩阵首行组成的矩阵是线性无关的，并对此测量矩阵进行定标，最后依据探测到的四路光输出光强计算出入射光的斯托克斯矢量的四个分量。该方法结构简单，但依赖于测量矩阵的定标。
然而，对于机械转动测量法，在实现光偏振态测量的同时也可以实现对光偏振态的控制，但其速度较慢、体积较大，并且往往只能对偏振态进行特定的控制，不能得到任意偏振态。对于分振幅测量法，由于是固定的测量矩阵，其器件也是特定的，不能实现对输出偏振态的控制。
基于BB84协议量子保密通信，依赖量子力学的测不准原理和不可克隆性，随机的发送两组非正交基矢下的量子态。在偏振编码方案中，往往采取的是|H/V>和|+/->基矢进行编码，相应的接收方采用2个偏振分束器对2个编码基矢进行解码。发送方基矢要和接收方基矢若是不一致将导致误码。实际通信链路中，由于存在环境变化影响，会使得传输过程中光的偏振态发生变化，进而导致发送方和接收方基矢不一致，为此需要对链路中环境变化带来的偏振态变化进行补偿。因此，对于偏振编码方案中的解码模块，不仅需要快速地实现对编码光脉冲偏振态的测量，还要求提供偏振控制能力，以便能够提供偏振反馈控制。
在偏振编码系统中，编码基矢为完全偏振光的形式，其满足S0 2＝S1 2+S2 2+S3 2＝1的条件，因此，此时只需要确定S1、S2和S3即可确定光的偏振态。偏振编码系统中的解码模块实质上也是一个偏振检测模块，但其主要用于区分成一定夹角的线偏振光，并不具备区分所有偏振态的能力(例如无法区分左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)，究其主要原因是在这种解码模块的光路设计下无法确定斯托克斯矢量中的S3分量值，该分量值将具有共两个解。为了获得正确的S3分量值以对量子通信链路进行偏振补偿，多是采用闭环反馈控制的方法，多次迭代计算从而循环逼近唯一获得该分量值。这种闭环方式需要对偏振控制器进行多次调节，耗费时间长。对于地埋光缆这种环境变化较缓慢、对偏振补偿速度要求不是太高的系统尚能满足，但对于如架空光缆等复杂环境下的链路，其偏振补偿速度要求极高，闭环反馈式偏振反馈方式面临较大压力。相比之下，开环式主动偏振补偿就显得极具优势。所谓开环式主动偏振补偿，需要获取当前偏振态，即实现光偏振态快速测量，接着通过计算所需偏振补偿量，再控制偏振控制器使其完成偏振补偿。因此，针对量子通信系统，尤其是基于BB84协议的偏振编码系统，需要一种偏振态测量系统和方法，其不但能够实现偏振态的快速检测，还能够提供偏振态的控制，以便使得在偏振编码系统中能够实现开环式主动偏振补偿，这对于实现复杂环境下链路的量子通信极具意义。
发明内容
针对量子通信偏振编码方案中解码模块存在的上述问题，本发明公开了一种能够快速检测完全偏振光的偏振态，同时可以方便地提供偏振态控制的系统及方法，使得能够在量子通信偏振编码系统中采用开环式主动偏振补偿方案，有利于量子通信系统在复杂环境下的应用。
在本发明的方面，公开了一种用于量子通信的光偏振态测量和控制系统。该系统可以包括偏振控制器、分振幅测量模块和控制模块。其中，可以在待测光的传播方向上将偏振控制器设置在分振幅测量模块之前，用于对待测光的偏振态进行补偿控制。分振幅测量模块可以被配置成将一路待测光扩展为四路光信号，并同时接收和处理四路光信号，以相应输出四路光强信号。根据分振幅测量模块基于待测光输出的四路光强信号，控制模块可以计算出待测光的斯托克斯矢量的S1、S2和S3分量中的第一分量和第二分量的唯一正确数值，以及第三分量的两个可能数值。为了唯一确定待测光的斯托克斯矢量，控制模块还可以被配置成，控制偏振控制器在待测光上施加预定的偏振补偿以改变其偏振态，并且根据分振幅测量模块基于经偏振补偿的待测光输出的四路光强信号从第三分量的两个可能数值中确定唯一正确数值。
进一步地，控制模块可以被配置成，对应于第三分量的两个可能数值，在以S1、S2和S3分量为笛卡尔坐标系的邦加球上，确定与经预定偏振补偿的待测光的偏振态对应的两个可能点，并且计算这些可能点所表示的第一和第二分量数值。
进一步地，控制模块可以被配置成，根据分振幅测量模块基于经预定偏振补偿的待测光输出的四路光强信号计算出经预定偏振补偿的待测光的第一和第二分量的数值，并且将其分别与两个可能点所表示的第一和第二分量数值进行比较。
进一步地，控制模块可以被配置成，根据由分振幅测量模块输出的光强信号计算出的经预定偏振补偿的待测光的第一和第二分量的数值与两个可能点所表示的第一和第二分量的数值之间的一致性，确定第三分量的两个可能数值中的唯一正确数值。
可选地，偏振控制器可以为挤压式光纤偏振控制器。因此，可以通过对其中的挤压单元加上不同的电压来造成压电材料不同程度伸缩，从而对光纤产生不同程度挤压，进而改变光纤中传输光的偏振态。可选地，挤压单元可以是压电陶瓷。
可选地，分振幅测量模块可以包括一个分束器、两个偏振分束器、一个半波片及四个光电探测器。其中，待测光经分束器分束成两路光信号，这两路光信号中的一路经两个偏振分束器之一又被分束成两路光信号以分别进入四个光电探测器中的两个；这两路光信号中的另一路通过半波片后经两个偏振分束器中的另一个又被分束成两路光信号以分别进入四个光电探测器中的另外两个。
优选地，半波片可以相对于待测光的传播方向呈22.5°角放置。
优选地，分束器为1:1的分束器。
优选地，在待测光上施加预定的偏振补偿时，控制模块可以控制在挤压式光纤偏振控制器上施加半波电压。
本发明的偏振态测量系统结构紧凑、损耗小且响应速度快，尤其在对损耗敏感、要求对恶劣环境中偏振态变化实现快速补偿的量子通信中极具优势。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的示例性的偏振态测量和控制系统；以及
图2示出了以斯托克斯矢量分量S1、S2和S3为笛卡尔坐标系的邦加球。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
本发明公开了一种可用于对完全偏振光进行偏振态测量和控制的系统，其可以包括偏振控制器、分振幅测量模块及控制模块。其中，偏振控制器在光的传播方向上可以设置在分振幅测量模块之前，用于对光的偏振态进行补偿控制。分振幅测量模块可以被配置成将一路入射光束扩展为四路光信号并同时接收和处理四路光信号，以相应输出四路光强信号I1、I2、I3和I4。控制模块可以被配置用于控制偏振控制器的偏振补偿，以及根据分振幅测量模块输出的四路光强信号计算斯托克斯矢量的三个分量S1、S2和S3。
优选地，偏振控制器可以为挤压式光纤偏振控制器(FPC)。进一步地，FPC中的挤压单元可以优选为压电陶瓷。
下面将详细介绍利用本发明的系统对完全偏振光的偏振态进行测量和控制的方法或过程，以说明本发明的偏振态测量和控制原理。本发明的测量和控制方法或过程可以借助控制模块来实现，且具体可以包括以下步骤。
步骤一：控制模块控制偏振控制器不对待测光进行偏振态补偿，例如不在FPC上施加电压；并且根据分振幅测量模块输出的四路光强信号I1、I2、I3和I4计算出待测光的斯托克斯矢量的S1、S2和S3分量中的两个。在步骤一中计算得到的两个分量可以被记为第一分量和第二分量，它们例如可以分别为S1和S2分量，但不限于此。
步骤二：控制模块根据第一分量和第二分量计算得出斯托克斯矢量的S1、S2和S3分量中的另一个，其可以被记为第三分量，例如可以为S3分量，但不限于此。由于完全偏振光的斯托克斯矢量的S1、S2和S3分量满足S1 2+S2 2+S3 2＝1，且S0分量＝1，因此第三分量将具有正负两个解，例如显然，在步骤二中尚不能唯一确定待测光的斯托克斯矢量S＝[S0 S1 S2 S3]T，其存在两个可能的解。在此可以将这两个可能的解分别记为第一斯托克斯矢量解和第二斯托克斯矢量解，其中第一斯托克斯矢量解可以包括S3分量的正解，第二斯托克斯矢量解可以包括S3分量的负解。
步骤三：在以分量S1、S2和S3为笛卡尔坐标系的邦加球上显示与第一和第二斯托克斯矢量解所表示的偏振态对应的点。由于当借助偏振控制器在待测光上施加偏振补偿时(例如通过控制模块在挤压式光纤偏振控制器上施加电压以提供相应的偏振补偿)，对应于偏振态的变化，相应在邦加球上的点的位置会围绕一个旋转轴改变，且对于某个特定的偏振控制器而言，这个旋转轴是确定的。因此，在该步骤中，还要计算出在偏振控制器在待测光上施加的偏振补偿的情况下，邦加球上与第一和第二斯托克斯矢量解对应的点围绕特定旋转轴旋转相应角度后到达的相应两个位置(其分别记为第一补偿点和第二补偿点)，以及第一和第二补偿点所对应的S1、S2和S3分量。
步骤四：控制模块控制偏振控制器在待测光上施加的偏振补偿，并根据分振幅测量模块输出的四路光强信号I1’、I2’、I3’和I4’计算得出经偏振补偿的光的偏振态的第一和第二分量。
步骤五：控制模块将经偏振补偿的光的偏振态的第一和第二分量的数值分别与第一和第二补偿点对应的斯托克斯矢量中的相应分量的数值进行比较，如果经偏振补偿的光的偏振态的第一和第二分量的数值与第一补偿点对应的斯托克斯矢量中的相应分量的数值更为接近甚至一致，则表明待测光的斯托克斯矢量应当取第一斯托克斯矢量解，否则待测光的斯托克斯矢量应当取第二斯托克斯矢量解。
步骤六：消除偏振控制器对待测光施加的偏振补偿，根据判断结果输出待测光的斯托克斯矢量，从而完成对待测光的偏振态测量；或者，可以进一步基于输出的待测光的斯托克斯矢量，由控制模块控制偏振控制器施加特定的偏振补偿，以进行偏振控制。
下面将借助一个示例性实施例来进一步帮助理解本发明的偏振态测量和控制系统及方法。
图1示出了一种示例性的偏振态测量和控制系统，其特别适于量子通信中基于BB84协议的偏振编码系统的解码模块。如图所示，该测量和控制系统可以包括：挤压式光纤偏振控制器(FPC)；一个1：1的分束器(BS)；两个偏振分束器(PBS)；一个半波片(HWP)，其呈22.5°角放置；四个光电探测器D1、D2、D3、D4；以及控制模块(未示出)。
参见图1可见，待测光经分束器BS分束成两路光信号，其中一路光信号通过偏振分束器PBS后再被分束成两路光分别到达探测器D1和D2，另一路光信号经过半波片HWP后由另一个偏振分束器PBS分束成两路光以分别到达探测器D3和D4。由此可见，在该示例性实施例中，分束器、偏振分束器、半波片及光电探测器构成了一个分振幅测量模块，用于将一路光扩展为四路光信号并同时接收和处理四路光信号，以相应输出四路光强信号I1、I2、I3和I4。
通过计算各路光信号所经光路对应的穆勒矩阵，可以获得各探测器处的光信号的偏振态与入射光的偏振态之间的关系，具体如下。
对于到达探测器D1的一路光信号，由于其依次通过分束器BS和偏振分束器PBS，因此其偏振态可以由下式表示：
对于到达探测器D2的一路光信号，由于其依次通过分束器BS和偏振分束器PBS，因此其偏振态可以由下式表示：
对于到达探测器D3的一路光信号，由于其依次通过分束器BS、半波片HWP和偏振分束器PBS，因此其偏振态可以由下式表示：
对于到达探测器D4的一路光信号，由于其依次通过分束器BS、半波片HWP和偏振分束器PBS，因此其偏振态可以由下式表示：
取探测器D1、D2、D3和D4输出的光强分别为I1、I2、I3和I4，则可以根据式(4)-(7)得到待测光的斯托克斯矢量与各探测器输出光强之间的关系：
进而可以有
S1＝I1-I2 (9)
S2＝I3-I4 (10)
从式(9)和(10)可以看出，此时借助分振幅测量模块的四路探测器的输出光强I1、I2、I3和I4，控制模块仅可以唯一确定待测光的斯托克斯矢量中的两个分量S1和S2，即所谓第一和第二分量。
由于完全偏振光的三个待测的斯托克斯矢量分量S1、S2和S3的平方和等于1，在其中两个分量的数值已经确定的情况下，此时控制模块可以计算出剩余的第三分量S3的两个可能解即，相应地，待测光的斯托克斯矢量此时具有第一斯托克斯矢量解和第二斯托克斯矢量解，其分别对应于第三分量S3的正值解和负值解。
根据本发明，可以进一步借助邦加球通过对待测光施加预定的偏振补偿来从第三分量的两个可能解中确定唯一正确解，进而确定正确的待测光的斯托克斯矢量。
图2示出了以斯托克斯矢量分量S1、S2和S3为笛卡尔坐标系的邦加球。在图2中，旋转轴为与FPC对应的特定旋转轴，点A1、A2分别对应待测光的第一和第二斯托克斯矢量解。
基于邦加球，控制模块模拟计算通过在FPC上施加半波电压来对待测光进行偏振补偿的情况下，点A1和A2在邦加球上围绕特定旋转轴旋转后到达的两个补偿点，即A1’和A2’；以及计算这两个补偿点对应的斯托克斯矢量分量，即A1’[S1、S2、S3]和A2’[S1、S2、S3]。
随后，控制模块控制在FPC上施加半波电压，并根据分振幅测量模块输出的四路光强信号I1’、I2’、I3’和I4’计算得出经偏振补偿的光的偏振态的第一和第二分量的数值S1’和S2’。
并且，控制模块将经偏振补偿的光的偏振态的第一和第二分量的数值S1’、S2’分别与第一和第二补偿点A1’、A2’对应的斯托克斯矢量中的相应分量的数值进行比较。如果S1’、S2’与A1’[S1、S2、S3]更为接近甚至一致，则表明待测光的斯托克斯矢量应当取第一斯托克斯矢量解，否则待测光的斯托克斯矢量应当取第二斯托克斯矢量解。
最后，控制模块可以将FPC上的电压归零，从而完成对待测光偏振态的测量。或者进一步地，基于所确定的待测光的偏振态，在FPC上施加特定电压，以在待测光上提供期望的偏振补偿，从而完成对待测光偏振态的控制。
本领域技术人员容易认识到，在该示例性实施例中，测量过程中在FPC上施加的电压值并不限于半波电压，而是可以为任意电压值。
基于上述说明可知，在本发明中，由于在进行分振幅测量之前引入了偏振控制器，因此可以借助偏振控制器改变待测光的偏振态来方便地确定之前分振幅测量中尚不能唯一确定的斯托克斯矢量分量的数值，从而简单地完成了有关完全偏振光的偏振态测量，同时由于偏振控制器本身的偏振控制功能，还能够提供偏振控制功能，使得能够实现开环式主动偏振补偿。此外，基于本发明的测量和控制系统结构紧凑、损耗小且响应速度快，尤其在对损耗敏感、要求对恶劣环境中偏振态变化实现快速补偿的量子通信中极具优势。

Claims (10)

1.一种用于量子通信的光偏振态测量和控制系统，其包括偏振控制器、分振幅测量模块和控制模块，其中，
所述偏振控制器在待测光的传播方向上设置在所述分振幅测量模块之前，用于对所述待测光的偏振态进行补偿控制；
所述分振幅测量模块被配置成将一路所述待测光扩展为四路光信号并同时接收和处理所述四路光信号，以相应输出四路光强信号；
所述控制模块被配置成根据所述分振幅测量模块基于所述待测光输出的所述四路光强信号计算所述待测光的斯托克斯矢量的S1、S2和S3分量中的第一分量和第二分量的唯一正确数值，以及第三分量的两个可能数值；其特征在于：
所述控制模块被进一步配置成，控制所述偏振控制器在所述待测光上施加预定的偏振补偿以改变其偏振态，以及根据所述分振幅测量模块基于经偏振补偿的所述待测光输出的四路光强信号从所述第三分量的两个可能数值中确定唯一正确数值，从而确定所述待测光的斯托克斯矢量。
2.如权利要求1所述的光偏振态测量和控制系统，其中，所述控制模块被进一步配置成，对应于所述第三分量的两个可能数值，在以所述S1、S2和S3分量为笛卡尔坐标系的邦加球上，确定与所述经预定偏振补偿的待测光的偏振态对应的两个可能点；以及计算所述两个可能点所表示的所述第一和第二分量的数值。
3.如权利要求2所述的光偏振态测量和控制系统，其中，所述控制模块被进一步配置成，根据所述分振幅测量模块基于所述经预定偏振补偿的待测光输出的四路光强信号计算所述经预定偏振补偿的待测光的所述第一和第二分量的数值，并且将其分别与所述两个可能点所表示的所述第一和第二分量的数值进行比较。
4.如权利要求3所述的光偏振态测量和控制系统，其中，所述控制模块被进一步配置成，根据由所述分振幅测量模块输出的光强信号计算出的所述经预定偏振补偿的待测光的所述第一和第二分量的数值与所述两个可能点所表示的所述第一和第二分量的数值之间的一致性，确定所述第三分量的两个可能数值中的所述唯一正确数值。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光偏振态测量和控制系统，其中，所述偏振控制器为挤压式光纤偏振控制器。
6.如权利要求1-4中任一项所述的光偏振态测量和控制系统，其中，所述分振幅测量模块包括一个分束器、两个偏振分束器、一个半波片及四个光电探测器。
7.如权利要求6所述的光偏振态测量和控制系统，其中，在所述分振幅测量模块中，所述待测光经所述分束器分束成两路光信号，经所述分束器分束而成的所述两路光信号中的一路经所述两个偏振分束器之一被分束成两路光信号以分别进入所述四个光电探测器中的两个；经所述分束器分束而成的所述两路光信号中的另一路通过所述半波片后经所述两个偏振分束器中的另一个被分束成两路光信号以分别进入所述四个光电探测器中的另外两个。
8.如权利要求7所述的光偏振态测量和控制系统，其中，所述半波片相对于所述待测光的传播方向呈22.5°角放置。
9.如权利要求6所述的光偏振态测量和控制系统，其中，所述分束器为1:1的分束器。
10.如权利要求5所述的光偏振态测量和控制系统，其中，所述控制模块控制在所述挤压式光纤偏振控制器上施加半波电压，以在所述待测光上施加所述预定的偏振补偿。
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