CN110098874B - 基于u型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于U型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置及方法，该发明基于U型光路的保偏和大范围跟踪、指向及其系统量子传输功能，利用U型光路的二维跟踪范围大，响应速度快等特点，再利用量子通信系统的偏振保持特点进行量子偏振编码的传输，即降低误码率。系统主要是通过相机跟踪进行光路建立，经过系统保偏传输，来进行量子传输，从形成一个可以快速跟踪且可以精准量子通信的组成系统。该发明适用于快速跟踪领域，也适用于量子通信领域。该系统结构简单，工程实践能力强。

Description

基于U型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置及方法

技术领域

本发明公开一种基于U型光路的保偏、大范围指向型量子通信光装置及方法，特别适用于量子通信领域、远距离跟踪对准领域。

背景技术

随着对光的偏振性研究的加深，人们逐渐认识到偏振信息的广泛应用前景，偏振技术也开始进入到实用化阶段。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。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公里以上的二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，空间量子通信正处于从原理性研究走向实用化应用的关键时期。本发明充分考虑自由空间量子通信的应用需求，由自由空间量子通信需要远距离跟踪、指向等因素，才能保证量子通信的成功与失败。本发明提出了一种装置既可以完成超高精度的跟踪、指向并能完成高的偏振保持的量子传输系统，为工程实践提供有力指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于U型光路的保偏、大范围指向型量子通信光装置及方法，该发明装置的使用，为了更好的满足自由空间量子通信的应用需求，该发明基于粗跟踪相机和精跟踪相机相互作用来调节U型的二维来进行光轴配准。进而完成量子通信。该发明的特点主要体现在：1)可快速大范围进行跟踪、指向；2)可以保证完好的偏振传输；3)U型穿轴反射镜组可以减少二维调整带来的误差；4)快反镜组可以进行微量调节使传输通信精度更高。

本发明一种基于U型光路的保偏、大范围指向型量子通信光装置及方法如附图1所示：该发明装置包括粗跟踪相机1、前光路组2、U型穿轴保偏反射镜组3、快反镜组4、850nm半透半反镜5、精跟踪相机组6、850nm量子通信光组7、角反射器8，其中：

粗跟踪相机1固定在离轴无焦扩束系统201和第一折转镜202组成前光路组2上，粗跟踪相机1的光学轴与U型架中的离轴无焦扩束系统201光学轴同轴，光束经过离轴无焦扩束系统201进行缩束，缩束光斑经过第一折转镜202进入U型穿轴保偏反射镜组3引入到后光路中，首先进入快反镜组4中来微量调节光斑进入精跟踪相机6内的，并在精跟踪相机形成一个光斑，调节精跟踪相机组6是光斑在探测器中心位置。

850nm量子通信光组7为0°、90°、45°、135°4路同轴偏振光组成，光斑经过850nm半透半反镜5反射光进入快反镜组6，然后进入U型穿轴保偏反射镜组3最终由前光路组扩束发出。透射路经过角反射器8在经过850nm半透半反镜5进入精跟踪相机组6内，调节850nm量子通信光组7使在精跟踪相机6与入射光束成像在同一点。所以入射光斑与850nm量子通信光7在同轴。

该一种基于U型光路的保偏、大范围指向型量子通信光装置及方法工作流程如下：

本发明提供了一种基于U型光路的保偏、大范围指向型量子通信光装置及方法，其主要工作原理是：首先光从无穷远发射过来，粗跟踪相机1指导U型的二维转台进行二维大范围调整来跟踪来自无穷远的光，然后微调二维方向，使光斑调节到粗跟踪相机1的探测器中心位置，光斑经过离轴无焦扩束系统201进行缩束后，进入到U型穿轴保偏反射镜组3中进行光束穿轴，然后经过快反射镜组4进行微量调节使光斑进入到精跟踪相机组6的探测器中心位置，并保持在精跟踪相机组6探测器中心位置不变。然后进行850nm量子通信光组7偏振编码，将带有偏振编码的850nm量子通信光组7进行偏振传输，首先经过850nm半透半反镜5，然后进入到快反镜组4中，然后经过U型穿轴保偏反射镜组3进入到带有U型的二维转台前光路2内，经过离轴无焦扩束系统201进行扩束，是带有偏振编码的850nm量子通信光组7经过离轴无焦扩束系统201扩束发到另一个偏振解码载荷，进而完成了850nm量子通信光组7的保密传输功能。

本发明的目的是提供一种基于U型光路的保偏、大范围指向型量子通信光装置及方法，既可以满足快速高精度跟踪指向，也可以更改器件来满足特定波长的量子通信光，该发明的特点主要体现在：

1)可快速大范围高精度进行跟踪、指向

2)可以保证完美偏振传输

3)穿轴反射镜可以减少二维调整带来的转动误差

4)快反镜组进行微量光斑调节可以使传输通信精度更高

附图说明

图1为一种基于U型光路的保偏、大范围指向型量子通信光装置及方法示意图。

图2为实施例中前光路组示意图。

图3为实施例中850nm量子通信光组示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。

本发明中所采用的主要器件描述如下：

1、粗跟踪相机1：跟踪相机由汇聚镜头与CCD相机组成，汇聚镜头采用定制型号，其主要性能参数；镜头加工参数要求：透光面表面面型RMS值优于1/20λ@632.8nm；系统像差RMS值优于1/10λ@632.8nm，通光口径30mm，镜头焦距为f＝0.154m。CCD相机采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*4.4um，像素个数1600*1200。

2、前光路2组：离轴无焦扩束系统201，定制，放大倍数为10倍，望远镜口径为180mm，缩束后光斑大小为18mm，系统的面型精度要求为1/10λ@632.8nm；第一折转镜202，采用定制保偏金属反射镜，面型精度要求为1/30λ@632.8nm；

3、U型穿轴保偏反射镜组3：定制，对850nm在45°方向上偏振消光比大于3000:1，穿轴保偏反射镜分布在U型的二维转轴方向且面型精度要求为1/30λ@632.8nm

4、快反射镜组4：定制，快反射镜组为850nm在45°方向上偏振消光比大于4000：1，面型精度要求1/30λ@632.8nm，并可快速进行微量调节。

5、850nm半透半反镜5：定制，对850nm波长50：50分光。

6、精跟踪相机组6：精跟踪相机由长焦镜头与CCD相机组成，长焦镜头采用定制型号，其主要性能参数；镜头加工参数要求：透光面表面面型RMS值优于1/20λ@632.8nm；系统像差RMS值优于1/10λ@632.8nm，通光口径30mm，镜头焦距为f＝6.875m。CCD相机采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*4.4um，像素个数1600*1200。

7、850nm量子通信光组7：为BB84模块，有四路通信光0°、90°、45°、135°作为编码通信光，发散角为80urad

8、角反射器8：采用Thorlabs公司型号为PS971的角锥棱镜，其主要性能参数：透光面表面面型优于λ/10@632.8nm；回转精度小于3″，通光口径为25.4mm，透光范围为400-1100。

本发明方法的示意图如附图1所示，具体情况描述如下：

该发明装置包括粗跟踪相机1、前光路组2、U型穿轴保偏反射镜组3、快反镜组4、850nm半透半反镜5、精跟踪相机组6、850nm量子通信光组7、角反射器8，其特征在于：

粗跟踪相机1固定在离轴无焦扩束系统201和第一折转镜202组成前光路组2上，粗跟踪相机1的光学轴与U型架中的离轴无焦扩束系统201光学轴同轴，光束经过离轴无焦扩束系统201进行缩束，缩束光斑经过第一折转镜202进入穿轴保偏反射镜3进入后光路中，然后进入快反镜组4中来微量调节光斑引入精跟踪相机6内的，并在精跟踪相机形成一个光斑，调节精跟踪相机组6使光斑在探测器中心位置。

850nm量子通信光组7为0°、90°、45°、135°4路同轴偏振光组成，光斑经过850nm半透半反镜5反射光进入快反镜组6，然后进入U型穿轴保偏反射镜组3最终由前光路组2扩束发出。透射路经过角反射器8在经过850nm半透半反镜5进入精跟踪相机组6内，调节850nm量子通信光组7使在精跟踪相机组6与入射光束成像在同一点。所以入射光斑与850nm量子通信光组7在同轴。

该一种基于U型光路的保偏、大范围指向型量子通信光装置及方法工作流程如下：

本发明提供了一种基于U型光路的保偏、大范围指向型量子通信光装置及方法，其主要工作原理是：首先光从无穷远发射过来，U型架进行二维调节，粗跟踪相机1会跟踪来自无穷远的光，然后再次调节U型架二维方向，使光斑调节到粗跟踪相机1的探测器中心位置，光斑经过离轴无焦扩束系统201进行缩束后，进入到U型穿轴保偏反射镜组3中进行光束穿轴，然后经过快反射镜组4进行微量调节使光斑引入到精跟踪相机组6的探测器中心位置，并保持在精跟踪相机组6探测器中心位置不变。

然后进行850nm量子通信光组7偏振编码，将带有偏振编码的850nm量子通信光进行偏振传输，首先经过850nm半透半反镜5，然后进入到快反镜组4中，然后经过U型穿轴保偏反射镜组3进入到带有U型的二维转台前光路2内，经过离轴无焦扩束系统201进行扩束，使带有偏振编码的850nm量子通信光经过离轴无焦扩束系统201扩束发到另一个偏振解码载荷，进而完成了850nm量子通信光的保密传输功能。

Claims (7)

1.一种基于U型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置，包括粗跟踪相机(1)、前光路组(2)、U型穿轴保偏反射镜组(3)、快反镜组(4)、850nm半透半反镜(5)、精跟踪相机组(6)、850nm量子通信光组(7)、角反射器(8)，其特征在于：

粗跟踪相机(1)固定在离轴无焦扩束系统(201)和第一折转镜(202)组成前光路组(2)上，粗跟踪相机(1)的光学轴与安装在U型的二维转台中的离轴无焦扩束系统(201)光学轴同轴，光束经过离轴无焦扩束系统(201)进行缩束，缩束光斑经过第一折转镜(202)进入U穿轴保偏反射镜组(3)进入后光路中，首先进入在零位快反镜组(4)，然后光斑进入到精跟踪相机组(6)中的方向，并在精跟踪相机形成一个光斑，调节精跟踪相机组(6)使光斑在探测器中心位置固紧相机组件；

所述的U型穿轴保偏反射镜组(3)由六块保偏反射镜匹配U型光路的二维结构转轴组成，具有偏振保持及穿U型光路二维轴系功能，补偿面形RMS值优于1/10λ，λ＝632.8nm；

850nm量子通信光组(7)产生0°、90°、45°、135°的四路850nm偏振光，光斑经过850nm半透半反镜(5)反射光进入快反镜组(4)，然后进入U型穿轴保偏反射镜组(3)最终由前光路扩束发出；透射路经过角反射器(8)在经过850nm半透半反镜(5)进入精跟踪相机组(6)内，调节850nm量子通信光组(7)使在精跟踪相机组(6)与入射光束成像在同一点，所以入射光斑与850nm量子通信光组(7)在同轴。

2.根据权利要求1所述的一种基于U型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置，其特征在于：所述的粗跟踪相机(1)为大视场相机，视场范围2°X 2°,角分辨率50urad。

3.根据权利要求1所述的一种基于U型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置，其特征在于：所述的前光路组(2)由离轴无焦扩束系统(201)和第一折转镜(202)组成，具备方位、俯仰角度调节功能并具有光束扩束功能。

4.根据权利要求1所述的一种基于U型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置，其特征在于：所述的快反镜组(4)由保偏反射镜和压电陶瓷组成，可进行2度以内快速的角度运动，面形RMS值优于1/10λ，λ＝632.8nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于U型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置，其特征在于：所述的精跟踪相机组(6)可以实时读取成像光斑质心点，面形RMS值优于1/10λ，λ＝632.8nm，视场范围640urad±5％，角分辨率5urad±5％。

6.根据权利要求1所述的一种基于U型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置，其特征在于：所述的850nm量子通信光组(7)产生的0°、90°、45°、135°4路偏振光同轴，且4种偏振光之间同轴度在3urad以内。

7.一种基于权利要求1所述的一种基于U型光路的保偏大范围指向型量子通信光装置的量子光通信方法，其特征在于方法如下：

首先光从无穷远发射过来，粗跟踪相机(1)指导U型的二维转台进行二维大范围调整来跟踪来自无穷远的光，然后微调二维方向，使光斑调节到粗跟踪相机(1)的探测器中心位置，光斑经过离轴无焦扩束系统(201)进行缩束后，进入到U型穿轴保偏反射镜组(3)中进行光束穿轴，然后经过快反射镜组(4)进行微量调节使光斑进入到精跟踪相机组(6)的探测器中心位置，并保持在精跟踪相机组(6)探测器中心位置不变；然后进行850nm量子通信光组(7)偏振编码，将带有偏振编码的850nm量子通信光组(7)进行偏振传输，首先经过850nm半透半反镜(5)，然后进入到快反镜组(4)中，然后经过U型穿轴保偏反射镜组(3)进入到带有U型的二维转台前光路组(2)内，经过离轴无焦扩束系统(201)进行扩束，是带有偏振编码的850nm量子通信光组(7)经过离轴无焦扩束系统(201)扩束发到另一个偏振解码载荷，进而完成了850nm量子通信光组(7)的保密传输功能。