CN111106932B - 基于直波导调制器的偏振控制系统、方法及量子密钥分发系统 - Google Patents

基于直波导调制器的偏振控制系统、方法及量子密钥分发系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏振控制系统、方法及量子密钥分发系统。根据本发明的方法，要先后利用第一和第二电光晶体对信号光进行相位调制，其中信号光在第一电光晶体中分别作为o光和e光传播的水平偏振光分量和垂直偏振光分量在第二电光晶体中分别作为e光和o光传播，且第一和第二电光晶体中的调制电场均平行于相应电光晶体的o光或e光偏振方向，且大小相同，但关于相应电光晶体的o光或e光偏振方向所在直线的相对方向彼此相反，因此通过控制调制电场可以方便地控制最终信号光的偏振态。

Description

基于直波导调制器的偏振控制系统、方法及量子密钥分发 系统
技术领域
本发明涉及一种光学偏振控制技术，更具体涉及一种基于直波导调制器的偏振控制系统及方法，其尤其适用于量子密钥分发中的偏振编码。
背景技术
BB84协议作为国际上首个量子密钥分发协议，是由美国科学家CharlesH.Bennett和加拿大科学家Gilles Brassard在1984年提出的。时至今日，BB84协议已成为应用和研究范围最广、技术最成熟的量子密钥分发协议。BB84协议的核心思想是量子不确定性原理，通过随机发送2组非正交基矢下的量子态，能保证窃听者在量子力学的理论范围内不能对这个量子态进行有效窃听。
通常，利用偏振或相位的方式对信息进行编解码来实现基于BB84协议的密钥分发。其中，偏振编码方案具有成本低、插损小、成码距离高等优点，因而受到广泛关注。随着光纤通信的飞速发展和普及，基于光纤干涉仪结构的偏振编码方案也一直在不断更新。现有技术采用的偏振编码结构可大致分为两种：基于同一路径的光纤干涉仪结构和基于不同路径(双臂)的光纤干涉仪结构。具有代表性的，基于同一路径的光纤干涉仪结构包括Sagnac干涉环及其衍生结构。基于不同路径的干涉仪结构包括MZ干涉仪结构、FM干涉仪结构等。
基于同一路径的干涉仪通常由偏振分束器、光纤干涉环、偏离环中心的相位调制器构成。实现偏振编码的方式为：利用偏振分束器将入射光脉冲分为偏振方向正交的两路光脉冲Λ1和Λ2，两路脉冲在干涉环中沿相反方向传播，驱动相位调制器对其中一路光脉冲进行相位调制，使其产生相移，另一路光脉冲经过相位调制器时不产生相移，两路光脉冲同时返回偏振分束器时存在相位差，合束输出后偏振态发生变化。通过改变相移量的大小，即可调控输出光的偏振态。公开号为CN103969841A、CN103475425B、CN103618598B、CN104579564A的中国发明专利公开了这种基于Sagnac环及其衍生结构的偏振控制系统。但是，对于基于同一路径的干涉仪结构，随着编码速率的提高，必然会出现两路光脉冲Λ1和Λ2同时经过相位调制器的情况，影响对输出光偏振态的精确控制。因此，这类方案必然存在由结构导致的编码速率上限。
基于不同路径的干涉仪通常由输入端偏振分束器、由光纤构建的干涉仪上臂和下臂、相位调制器、输出端偏振合束器构成。实现偏振编码的方式为：利用偏振分束器将入射光脉冲分为偏振方向正交的两路光脉冲Λ1和Λ2，分别沿干涉仪上臂和下臂传输，相位调制器位于干涉仪上臂或下臂，对通过该条路径的光脉冲进行相位调制，另一条路径上的光脉冲不经历相位调制。两路光脉冲Λ1和Λ2到达偏振合束器时存在相位差，合束输出后，光的偏振态发生变化。通过改变相移量的大小，即可调控输出光的偏振态。通常，要求干涉仪上下臂严格等光程，即光脉冲Λ1和Λ2同时到达偏振合束器。现有公开号CN1477808A的中国发明专利公开了一种基于等臂MZ干涉仪结构的偏振编码方案。而现有公开号CN106850213A提出可以利用不等臂干涉仪实现基于BB84协议的量子密钥分发，但要求编码端和解码端的干涉仪长臂、短臂分别等光程。也就是说，基于不同路径的光纤干涉仪结构实现偏振编码，均要求对两条干涉臂光程的精确控制，然而在实际制作时，很难严格控制干涉仪臂长，工艺上存在较大困难。
另外，偏振编码要求实现高速且精确的光子偏振态控制，然而光子偏振态易受到光纤震动、形变等影响，导致偏振态编码准确度降低或不稳定。因此，基于光纤干涉仪结构的偏振编码方案还存在易受到光纤偏振扰动影响的劣势。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的第一方面公开了一种基于直波导调制器的偏振控制系统，其包括串联的第一相位预调制单元和第二相位预调制单元，以及相位调制信号源。所述第一相位预调制单元包括第一直波导调制器，其具有第一电光晶体和电极；所述第二相位预调制单元包括第二直波导调制器，其具有第二电光晶体和电极。所述相位调制信号源被设置成向所述第一直波导调制器提供第一相位调制信号，以便在所述第一电光晶体上形成用于信号光且具有第一方向的第一调制电场；以及向所述第二直波导调制器提供第二相位调制信号，以便在所述第二电光晶体上形成用于所述信号光且具有第二方向的第二调制电场。所述第一相位预调制单元被设置成使所述信号光在所述第一电光晶体中分成作为o光传播的第一水平偏振光分量和作为e光传播的第一垂直偏振光分量。所述第二相位预调制单元被设置成接收由所述第一相位预调制单元输出的所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量，并使所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量在所述第二电光晶体中分别作为e光和o光传播。其中，所述第一方向与所述第一电光晶体的所述o光偏振方向平行，所述第二方向与所述第二电光晶体的所述o光偏振方向平行，且所述第一方向相对于所述第一电光晶体的o光偏振方向所在直线的方向与所述第二方向相对于所述第二电光晶体的o光偏振方向所在直线的方向相反；或者，所述第一方向与所述第一电光晶体的所述e光偏振方向平行，所述第二方向与所述第二电光晶体的所述e光偏振方向平行，且所述第一方向相对于所述第一电光晶体的e光偏振方向所在直线的方向与所述第二方向相对于所述第二电光晶体的e光偏振方向所在直线的方向相反。
优选地，所述第一电光晶体和所述第二电光晶体具有相同的长度L、电光系数γ、o光折射率no和e光折射率ne，且所述第一调制电场和所述第二调制电场具有相同的电场强度。
优选地，所述第一直波导调制器和所述第二直波导调制器相同，且所述第一相位调制信号和所述第二相位调制信号具有相同的电压值。
作为一种可选的方式，在所述第二相位预调制单元中，所述第二直波导调制器被定位成使所述第二电光晶体的o光偏振方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向正交。
作为一种可选的方式，所述第二相位预调制单元还包括偏振方向调节组件，其设置在所述第二直波导调制器之前以使所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量的偏振方向发生90度旋转；并且所述第二直波导调制器被定位成使所述第二电光晶体的o光偏振方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向平行。优选地，所述偏振方向调节组件为半波片、法拉第旋转片或者旋光元件。
作为进一步可选的方式，所述第二相位预调制单元还可以包括光束平移器；并且，所述第一相位预调制单元和所述第二相位预调制单元并排设置。
优选地，所述光束平移器具有直角三棱镜结构或者椭球面反射镜结构。作为选择，所述直角三棱镜结构由单个直角三棱镜或者两个直角三棱镜组成；或者所述椭球面反射镜的两个焦点分别与所述第一电光晶体和所述第二电光晶体的末端中心位置重合。
进一步地，所述相位调制信号源包括用于输出所述第一相位调制信号的第一输出端和用于输出所述第二相位调制信号的第二输出端；或者，所述相位调制信号源具有输出端，所述输出端电连接所述第一直波导调制器的所述电极中的一个，所述第一直波导调制的所述电极中的所述一个经由电延迟线电连接所述第二直波导调制器的所述电极中的一个。更进一步地，所述电延迟线的长度根据所述信号光从所述第一电光晶体传播到所述第二电光晶体的时间确定。
进一步地，偏振控制系统可以具有保偏的输入端。
本发明的第二方面公开了一种量子密钥分发系统，其可以包括上述偏振控制系统。
本发明的第三方面公开了一种利用直波导调制器进行偏振控制的方法，其包括：步骤一，利用第一电光晶体对信号光进行相位调制；其中，使所述信号光在所述第一电光晶体中分成作为o光传播的第一水平偏振光分量和作为e光传播的第一垂直偏振光分量，并且借助第一相位调制信号在所述第一电光晶体上形成具有第一方向的第一调制电场；步骤二，利用第二电光晶体对所述信号光进行相位调制；其中，使得在所述第二电光晶体中，所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量在所述第二电光晶体中分别作为e光和o光传播，并且借助第二相位调制信号在所述第二电光晶体上形成具有第二方向的第二调制电场；以及步骤三，使经所述第二电光晶体进行相位调制的所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量合束。其中，所述第一方向与所述第一电光晶体的所述o光偏振方向平行，所述第二方向与所述第二电光晶体的所述o光偏振方向平行，且所述第一方向相对于所述第一电光晶体的o光偏振方向所在直线的方向与所述第二方向相对于所述第二电光晶体的o光偏振方向所在直线的方向相反；或者，所述第一方向与所述第一电光晶体的所述e光偏振方向平行，所述第二方向与所述第二电光晶体的所述e光偏振方向平行，且所述第一方向相对于所述第一电光晶体的e光偏振方向所在直线的方向与所述第二方向相对于所述第二电光晶体的e光偏振方向所在直线的方向相反。优选地，所述第一电光晶体和所述第二电光晶体具有相同的长度L、电光系数γ、o光折射率no和e光折射率ne，且所述第一调制电场和所述第二调制电场具有相同的电场强度。
作为一种可选的方式，使所述第二电光晶体的o光偏振方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向正交。
作为一种可选的方式，在所述步骤一和所述步骤二之间还可以包括使所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量的偏振方向发生90度旋转的步骤，并且所述第二电光晶体的o光偏振方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向平行。
进一步可选地，所述第一电光晶体和所述第二电光晶体可以并排设置，且在所述步骤一和所述步骤二之间还包括使所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量在所述并排设置的方向上平移的步骤。
进一步地，所述第二相位调制信号是由所述第一电光晶体上的所述第一相位调制信号经电延迟线传送至所述第二电光晶体上的。其中，所述电延迟线的长度根据所述信号光从所述第一电光晶体传播到所述第二电光晶体的时间确定。
在本发明的偏振控制系统和方法中，采用单路径直波导结构来提供相位调制，信号光从输入端到输出端不经历回路，因此其偏振控制速率不受结构限制。另外，信号光的两个相互正交的偏振光分量在偏振控制过程中可经历完全相同的路径，从而能有效避免干涉仪臂长控制难题。此外，本发明所提出的偏振控制过程仅借助相位调制单元的电光晶体即可实现，无需利用偏振分束器和光纤等构建干涉仪结构，大大简化了系统结构，同时很大程度上减小了由于震动、形变等外界环境干扰造成的对系统的影响。更进一步地，在偏振调制过程中，信号光脉冲分别在第一和第二相位预调制单元中经历相位调制，最终的相位差为两次相位调制叠加的结果。在这种叠加作用下，需要单个相位调制单元实现的相位调制量更小，这意味着要求相位调制信号源所能提供的驱动电压值也更低。这些都将有利于实现更高的偏振控制系统速率，使得本发明的偏振控制系统及方法尤其适用于实现量子密钥分发中的偏振编码。
附图说明
图1示出了本发明的基于直波导调制器的偏振控制系统及方法的原理图；
图2示出了本发明的基于直波导调制器的偏振控制系统及方法的第一优选实施例；
图3示出了图2所示偏振控制系统及方法的一种替换实施例；
图4示出了本发明的基于直波导调制器的偏振控制系统及方法的第二优选实施例；
图5示出了图4所示偏振控制系统及方法的一种替换实施例；
图6和图7分别示意性地示出了图4和图5所示的偏振控制系统及方法的替换实施例；
图8示出了图6所示偏振控制系统及方法的一种替换实施例；以及
图9和图10分别示意性地示出了图4和图5所示偏振控制系统及方法的另一替换实施例。
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。
下面结合图1说明本发明的基于直波导调制器的偏振控制系统及方法的工作原理。
如图1所示，偏振控制系统可以包括串联的第一相位预调制单元11和第二相位预调制单元12，以及相位调制信号源14。在本文中，“串联”是指前一单元的输出将成为后一单元的输入。
第一相位预调制单元11和第二相位预调制单元12可以包括直波导调制器，用于对输入的信号光进行相位调制。根据本发明，直波导调制器可以包括电光晶体和电极。相位调制信号源14向调制器的电极提供相位调制信号，电极基于该相位调制信号在电光晶体上形成调制电场，从而对信号光提供相位调制。
在本发明的偏振控制系统及方法中，光信号首先保偏地经输入端10进入第一相位预调制单元11，并在电光晶体中分解为两个相互正交的偏振分量，即，第一水平偏振光分量(H光分量，即o光)和第一垂直偏振光分量(V光分量，即e光)。例如，在图1中，第一水平偏振光分量的偏振方向与x轴平行，第一垂直偏振光分量的偏振方向与y轴平行。
相位调制信号源14向第一相位预调制单元11提供第一相位调制信号，以在第一方向上在电光晶体内形成第一调制电场。根据本发明，该第一方向可以平行于第一水平偏振光分量的偏振方向和第一垂直偏振光分量的偏振方向中的一个。
此时，由于横向电光效应的存在，电光晶体中水平方向和垂直方向上的折射率会出现不同，由此，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量在经过第一相位预调制单元11的直波导调制器中的电光晶体后将会产生第一相位差
Figure BDA0001843574320000081
随后，由第一相位预调制单元11输出的第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量进入第二相位预调制单元12。
在本发明中，第二相位预调制单元12将被设置成使得在其直波导调制器的电光晶体内，第一水平偏振光分量作为e光传播，第一垂直偏振光分量作为o光传播。例如，在图1中，单元12中的电光晶体被设置成其o光偏振方向(x’)与单元11中的电光晶体的o光偏振方向(x)垂直，相应地，第一水平偏振光分量的偏振方向与y’轴平行(e光)，第一垂直偏振光分量的偏振方向与x’轴平行(o光)。
相位调制信号源14向第二相位预调制单元12提供第二相位调制信号，以在第二方向上在电光晶体内形成第二调制电场。
根据本发明，第一方向和第二方向均平行于其所在电光晶体的o光偏振方向，且关于相应o光偏振方向所在直线的相对方向彼此相反；或者均平行于其所在电光晶体的e光偏振方向，且关于相应e光偏振方向所在直线的相对方向彼此相反。举例而言，图1中，对于第一相位预调制单元11，电光晶体的o光偏振方向与x轴平行，且关于第二相位预调制单元12，电光晶体的o光偏振方向与x’轴平行，则当第一方向平行于x轴且沿x轴正方向时，第二方向应当平行于x’轴且沿x’轴的负方向。
同样地，由于横向电光效应的存在，电光晶体中水平方向和垂直方向上的折射率也会出现不同，由此，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量在经过第二相位预调制单元12的直波导调制器中的该电光晶体后也将会产生第二相位差
Figure BDA0001843574320000091
最后，先后经过两次相位预调制的第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量进行合束，并经由输出端13输出。此时，在输出的光信号中，水平偏振光分量和垂直偏振光分量之间的总相位差
Figure BDA0001843574320000092
其将与相位调制信号源14向第一和第二相位预调制单元提供的相位调制信号的电压值有关。由此，在本发明的偏振控制系统中，可以通过控制相位调制信号源14输出的相位调制信号，控制信号光的水平偏振光分量和垂直偏振光分量之间的相位差
Figure BDA0001843574320000093
从而实现对信号光偏振态的控制。
举例而言，当第一调制电场方向(第一方向)与电光晶体的o光偏振方向平行时(例如在图1中第一方向沿x轴正方向)，根据横向电光效应，在第一相位预调制单元11的直波导调制器的电光晶体中，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量所经历的折射率nH1和nV1将分别为：
nH1＝no
Figure BDA0001843574320000094
其中，no为电光晶体的o光折射率，ne为电光晶体的e光折射率，γ为电光晶体的电光系数，E1为第一调制电场的强度。
此时，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量在经过第一相位预调制单元11后，直波导调制器在两者上施加的相移量
Figure BDA0001843574320000095
和
Figure BDA0001843574320000096
分别为：
Figure BDA0001843574320000097
Figure BDA0001843574320000098
其中，λ为信号光的波长，L为第一相位预调制单元11中电光晶体的长度。
由于第一调制电场强度
Figure BDA0001843574320000101
V1为第一相位调制信号的电压值，d为第一相位预调制单元11的直波导调制器中用于在电光晶体内形成调制电场的两个电极之间的间距，因此，第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量在经过第一相位预调制单元11后，借助调制电场在两者之间产生的相位差为：
Figure BDA0001843574320000102
随后，第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量进入第二相位预调制单元12。如前所述，在第二相位预调制单元12中，第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量将被调节成在直波导调制器的电光晶体中作为e光和o光传播(例如在图1中，第一水平偏振光分量的偏振方向和第一垂直偏振光分量的偏振方向分别平行于y’轴和x’轴)，并且第二调制电场方向也平行于电光晶体的o光偏振方向，但其关于第二电光晶体o光偏振方向所在直线的相对方向与第一调制电场方向关于第一电光晶体o光偏振方向所在直线的相对方向彼此相反(例如在图1中，第二方向沿x’轴的负方向)。此时，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量所经历的折射率nH2和nV2分别为：
Figure BDA0001843574320000103
nV2＝no
其中，no为电光晶体的o光折射率，ne为电光晶体的e光折射率，γ为电光晶体的电光系数，E2为第二调制电场的强度。
类似地，借助第二相位预调制单元12，可以在第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量之间产生的相位差为：
Figure BDA0001843574320000111
其中，第二调制电场强度
Figure BDA0001843574320000112
V2为第二相位调制信号的电压值，d为第二相位预调制单元12的直波导调制器中用于在电光晶体内形成调制电场的两个电极之间的间距。
因此，当第一和第二相位预调制单元中的电光晶体相同(即具有相同的长度、电光系数、o光折射率和e光折射率)，第一调制电场的电场强度E1和第二调制电场的电场强度E2均为E0时，借助第一相位预调制单元11和第二相位预调制单元12，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量之间将产生的总相位差为：
Figure BDA0001843574320000113
当第一和第二相位预调制单元采用相同的直波导调制器(即用于形成调制电场的电极间距d相同)，第一相位调制信号的电压值V1和第二相位调制信号的电压值V2大小均为V0时，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量之间将产生的总相位差为：
Figure BDA0001843574320000114
由此可见，在本发明的偏振控制系统及方法中，可以通过改变相位调制信号的电压值V的大小来控制第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量之间的总相位差
Figure BDA0001843574320000115
从而控制由第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量合束并经输出端13输出的光信号的偏振态。例如，假设入射信号光为45°线偏振光，当总相位差
Figure BDA0001843574320000116
分别为0、π/2、π、3π/2时，对应输出光偏振态分别为45°线偏振光、右旋偏振光、135°线偏振光、左旋偏振光。
本领域技术人员容易认识到，由于在本发明的偏振控制系统中采用单路径直波导结构来提供相位调制，信号光从输入端到输出端不经历回路，因此这种偏振控制系统速率不会受到结构的限制。另外，信号光的两个相互正交的偏振光分量在偏振控制过程中可以经历完全相同的路径，即光程完全相等，从而能够有效避免干涉仪臂长控制难题。此外，本发明所提出的偏振控制过程仅借助相位调制单元的电光晶体即可实现，无需利用偏振分束器和光纤等构建干涉仪结构，大大简化了系统结构，同时很大程度上减小了由于震动、形变等外界环境干扰造成的对系统的影响。更进一步地，在偏振调制过程中，信号光脉冲分别在第一和第二相位预调制单元中经历相位调制，最终的相位差为两次相位调制叠加的结果。在这种叠加作用下，需要单个相位调制单元实现的相位调制量更小，这意味着要求相位调制信号源所能提供的驱动电压值也更低。这些都将有利于实现更高的偏振控制系统速率，使得本发明的偏振控制系统及方法尤其适用于实现量子密钥分发中的偏振编码。
图2示出了本发明的偏振控制系统及方法的第一优选实施例。如图所示，偏振控制系统可以包括第一相位预调制单元21、第二相位预调制单元22和相位调制信号源24。
第一相位预调制单元21可以包括直波导调制器，其具有电光晶体210、电极211和电极212。第二相位预调制单元22可以包括直波导调制器，其具有电光晶体220、电极221和电极222。
第二相位预调制单元22的直波导调制器被设置成使电光晶体220的光轴方向相对于第一相位预调制单元21中的电光晶体210的光轴方向旋转90°(例如顺光方向)，由此，电光晶体210输出的第一水平偏振光分量(其在电光晶体210中为o光)与第一垂直偏振光分量(其在电光晶体210中为e光)在第二相位预调制单元22中，将分别作为电光晶体220的e光和o光传播。
第一相位预调制单元21中的电极将接收相位调制信号源24提供的第一相位调制信号，从而在电光晶体210内形成具有第一方向的第一调制电场，且第一方向与o光偏振方向平行(例如在图2中沿x轴正方向)。入射第一相位预调制单元21的信号光将在该第一调制电场作用下经过直波导调制器。
第二相位预调制单元22中的电极将接收相位调制信号源24提供的第二相位调制信号，从而在电光晶体220内形成具有第二方向的第二调制电场，且第二方向与电光晶体220的o光偏振方向平行，但关于电光晶体220的o光偏振方向所在直线的相对方向(x’负方向)与第一方向关于电光晶体210的o光偏振方向所在直线的相对方向(x正方向)彼此相反。入射第二相位预调制单元22的信号光将在该第二调制电场作用下经过直波导调制器。
如前所述，在第一相位预调制单元21中，借助第一调制电场在第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量上形成的相移量
Figure BDA0001843574320000131
和
Figure BDA0001843574320000132
分别为：
Figure BDA0001843574320000133
Figure BDA0001843574320000134
其中，λ为信号光的波长，L为第一相位预调制单元21的直波导调制器中电光晶体的长度。
由于第一调制电场强度
Figure BDA0001843574320000135
V1为第一相位调制信号的电压值，d为第一相位预调制单元21中用于在电光晶体210中形成调制电场的两个电极211和212之间的间距，因此，第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量在经过第一相位预调制单元21后借助第一调制电场产生的相位差为：
Figure BDA0001843574320000136
类似地，第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量在经过第二相位预调制单元22后借助第二调制电场产生的相位差为：
Figure BDA0001843574320000141
其中，第二调制电场强度
Figure BDA0001843574320000142
V2为第二相位调制信号的电压值，d为第二相位预调制单元22中用于在电光晶体220内形成第二调制电场的两个电极221和222之间的间距。
因此，当第一和第二相位预调制单元中的电光晶体相同(即具有相同的长度、电光系数、o光折射率和e光折射率)，第一调制电场的电场强度E1和第二调制电场的电场强度E2均为E0时，借助第一相位预调制单元21和第二相位预调制单元22，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量之间将产生的总相位差可以表达为：
Figure BDA0001843574320000143
当第一和第二相位预调制单元采用相同的直波导调制器(即用于形成调制电场的电极间距d也相同)，第一相位调制信号的电压值V1和第二相位调制信号的电压值V2大小均为V0时，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量之间将产生的总相位差可以表达为：
Figure BDA0001843574320000144
因此，可以简单地通过改变相位调制信号的电压值V来控制信号光的第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量之间的总相位差
Figure BDA0001843574320000145
从而控制信号光的偏振态。
进一步参见图2可以看到，相位调制信号源24可以包括用于输出第一相位调制信号的第一输出端241和用于输出第二相位调制信号和第二输出端242。作为示例，如图所示，第一相位预调制单元21中的电极211电连接信号源24的第一输出端241，电极212接地。第二相位预调制单元22中的电极221电连接信号源24的第二输出端242，电极222接地。
图3示出了图2所示偏振控制系统及方法的一种替换实施例，其与图2所示实施例相比，不同仅在于第一相位调制信号和第二相位调制信号将均由相位调制信号源的同一输出端提供，因此，下文中仅对不同之处进行描述，相同之处不再赘述。
如图3所示，相位调制信号源34的输出端电连接第一相位预调制单元31的直波导调制器的一个电极311，该电极311通过电延迟线电连接第二相位预调制单元32的直波导调制器的一个电极321，由此实现由相位调制信号源34的同一输出端向两个相位预调制单元提供相位调制信号。其中，电延迟线的长度可以根据信号光从第一相位预调制单元31传播到第二相位预调制单元32的时间确定，以使得相位调制信号从电极311经电延迟线传播至电极321的时间，与光从第一相位预调制单元31的电光晶体310输入端传播至第二相位预调制单元32的电光晶体320输入端所需时间相等。
例如，第一相位预调制单元31中的电极311电连接信号源34的输出端，电极312接地；第二相位预调制单元32中的电极321通过电延迟线电连接电极311，电极322接地。
图4示出了本发明的偏振控制系统及方法的第二优选实施例。
如图所示，偏振控制系统可以包括第一相位预调制单元41、第二相位预调制单元42和相位调制信号源44。第一相位预调制单元41包括直波导调制器，其具有电光晶体410、电极411和电极412。第二相位预调制单元42包括用于使偏振光的偏振方向旋转90度的偏振方向调节组件45和具有电光晶体420、电极421和电极422的直波导调制器。电光晶体410和电光晶体420具有一致的光轴方向。
在该实施例中，偏振方向调节组件45设置在第一相位预调制单元41的直波导调制器(即电光晶体410)和第二相位预调制单元42的直波导调制器(即电光晶体420)之间，以使得电光晶体410输出的第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量在进入电光晶体420之前，偏振方向发生90度旋转，从而使第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量在电光晶体420内分别作为电光晶体420的e光和o光传播。
偏振方向调节组件45可以是任何能够使偏振方向发生90度旋转的光学元件，例如半波片、法拉第旋转片或者旋光元件。在该实施例中，优选采用半波片45。
作为示例，第一相位预调制单元41中的电极将接收相位调制信号源44提供的第一相位调制信号，从而在电光晶体410内形成具有第一方向的第一调制电场，且第一方向与电光晶体410的o光偏振方向平行(例如在图4中沿x轴正方向)。入射第一相位预调制单元41的信号光将在该第一调制电场作用下经过直波导调制器。第二相位预调制单元42中的电极将接收相位调制信号源44提供的第二相位调制信号，从而在电光晶体420内形成具有第二方向的第二调制电场，且第二方向与电光晶体420的o光偏振方向平行，但关于电光晶体420的o光偏振方向所在直线的相对方向(x’负方向)与第一方向关于电光晶体410的o光偏振方向所在直线的相对方向(x正方向)彼此相反。入射第二相位预调制单元42的信号光将在该第二调制电场作用下经过直波导调制器。
如前所述，在第一相位预调制单元41中，借助第一调制电场在第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量上形成的相移量
Figure BDA0001843574320000161
和
Figure BDA0001843574320000162
分别为：
Figure BDA0001843574320000163
Figure BDA0001843574320000164
相应地，第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量在经过第一相位预调制单元41后借助第一调制电场产生的相位差为：
Figure BDA0001843574320000165
其中，λ为信号光的波长，L为第一相位预调制单元41的直波导调制器中电光晶体的长度，V1为第一相位调制信号的电压值，d为第一相位预调制单元41中用于在电光晶体410中形成调制电场的两个电极411和412之间的间距。
类似地，第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量在经过第二相位预调制单元42后借助第二调制电场产生的相位差为：
Figure BDA0001843574320000171
其中，V2为第二相位调制信号的电压值，d为第二相位预调制单元42中用于在电光晶体420内形成第二调制电场的两个电极421和422之间的间距。
因此，当第一和第二相位预调制单元中的电光晶体相同(即具有相同的长度、电光系数、o光折射率和e光折射率)，第一调制电场的电场强度E1和第二调制电场的电场强度E2均为E0时，借助第一相位预调制单元41和第二相位预调制单元42，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量之间将产生的总相位差可以表达为：
Figure BDA0001843574320000172
当第一和第二相位预调制单元采用相同的直波导调制器(即用于形成调制电场的电极间距d也相同)，第一相位调制信号的电压值V1和第二相位调制信号的电压值V2大小均为V0时，第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量之间将产生的总相位差可以表达为：
Figure BDA0001843574320000173
因此，可以简单地通过改变相位调制信号的电压值V来控制信号光的第一水平偏振光分量与第一垂直偏振光分量之间的总相位差
Figure BDA0001843574320000174
从而控制信号光的偏振态。
进一步参见图4可以看到，相位调制信号源44可以包括用于输出第一相位调制信号的第一输出端441和用于输出第二相位调制信号的第二输出端442。作为示例，如图所示，第一相位预调制单元41中的电极411电连接信号源44的第一输出端441，电极412接地。第二相位预调制单元42中的电极421电连接信号源44的第二输出端442，电极422接地。
可替换地，第一相位调制信号和第二相位调制信号可以由相位调制信号源的同一输出端提供。图5示出了图4的一种替换实施例，如图所示，相位调制信号源54的输出端电连接第一相位预调制单元51的直波导调制器的一个电极511，该电极511通过电延迟线电连接第二相位预调制单元52的直波导调制器的一个电极521，由此实现由相位调制信号源54的同一输出端向两个相位预调制单元提供相位调制信号。其中，电延迟线的长度可以根据信号光从第一相位预调制单元51传播到第二相位预调制单元52的时间确定，以使得相位调制信号从电极511经电延迟线传播至电极521的时间，与光从第一相位预调制单元51的电光晶体510输入端传播至第二相位预调制单元52的电光晶体520输入端所需时间相等。示例性地，第一相位预调制单元51中的电极511电连接信号源54的输出端，电极512接地；第二相位预调制单元52中的电极521通过电延迟线电连接电极511，电极522接地。
可替换地，第一相位预调制单元和第二相位预调制单元可以并排设置，且第二相位预调制单元还可以包括光束平移器，其用于使第一相位预调制单元输出的第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量在并排设置方向上平移一段距离以便能够进入第二相位预调制单元。
图6和图7分别示意性地示出了图4和图5的一种替换实施例。图9和图10分别示意性地示出了图4和图5的另一种替换实施例。
如图6-7、9-10所示，第一相位预调制单元61(71/91/101)和第二相位预调制单元62(72/92/102)在垂直方向上并排设置。
光束平移器66(76/96/106)接收由第一相位预调制单元61
(71/91/101)中的电光晶体610(710/910/1010)输出的第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量，并使其反射以在垂直方向上平移一定距离后朝向第二相位预调制单元62(72/920/1020)中的电光晶体620(720/920/1020)行进。
作为优选示例，如图6或7所示，光束平移器可以为直角三棱镜结构66(76)。直角三棱镜结构66(76)可以由单个直角三棱镜66(76)构成，且其底面与第一相位预调制单元61(71)中的电光晶体610(710)和第二相位预调制单元62(72)中的电光晶体620(720)相接。偏振方向调节组件65(75)(例如半波片)可以设置在直角三棱镜结构66(76)内部，且与其底面相垂直。可选地，直角三棱镜结构66(76)可以由两个小直角三棱镜构成，其中小直角三棱镜的一条直角边与电光晶体相接，另一条直角边与偏振方向调节组件65(75)相接，组件65(75)夹在两个小直角三棱镜之间。
作为另一优选示例，如图9或10所示，光束平移器可以为椭球面反射镜结构96(106)。其中，椭球面反射镜96(106)的两个焦点分别与第一相位预调制单元91(101)的电光晶体910(1010)和第二相位预调制单元92(102)的电光晶体920(1020)末端中心位置重合。偏振方向调节组件(例如半波片)95(105)可以设置在椭球面反射镜96(106)两焦点之间。
还可以注意到，对于图6-7和9-10所示的偏振控制系统及方法，由于第一相位预调制单元和第二相位预调制单元并排设置，因此，两个相位预调制单元中的直波导调制器也是并排的，此时，第一相位预调制单元中的直波导调制器的一个电极将与第二相位预调制单元中的直波导调制器的一个电极相邻。因此，作为一种替换方式，相邻的这两个电极可以合并为一个电极使用，即两个直波导调制器共用一个接地电极。
出于方便理解的目的，图8示例性地示出了关于图6的一个替换实施例。如图所示，第一相位预调制单元81的直波导调制器包括电光晶体810、电极811和电极812。第二相位预调制单元82的直波导调制器包括电光晶体820、电极812和电极821。其中，电极811和电极821用于接收由相位调制信号源84提供的相位调制信号，电极812为接地电极。电极811和电极812共同作用以为电光晶体810施加第一调制电场，电极821和电极812共同作用以为电光晶体820施加第二调制电场。
本发明还提出了一种量子密钥分发系统及方法，其中采用了本发明的偏振控制系统及方法。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，且在不发生矛盾的情况下，上述各种替换方式可以相互组合使用。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (20)

1.一种基于直波导调制器的偏振控制系统，其包括串联的第一相位预调制单元和第二相位预调制单元，以及相位调制信号源；
所述第一相位预调制单元包括第一直波导调制器，其具有第一电光晶体和电极；
所述第二相位预调制单元包括第二直波导调制器，其具有第二电光晶体和电极；
所述相位调制信号源被设置成：向所述第一直波导调制器提供第一相位调制信号，以便在所述第一电光晶体上形成第一调制电场，所述第一调制电场用于信号光且具有第一方向；以及向所述第二直波导调制器提供第二相位调制信号，以便在所述第二电光晶体上形成第二调制电场，所述第二调制电场用于所述信号光且具有第二方向；
所述第一相位预调制单元被设置成使所述信号光在所述第一电光晶体中分成作为o光传播的第一水平偏振光分量和作为e光传播的第一垂直偏振光分量；
所述第二相位预调制单元被设置成接收由所述第一相位预调制单元输出的所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量，并使所述第一水平偏振光分量在所述第二电光晶体中作为e光传播，所述第一垂直偏振光分量在所述第二电光晶体中作为o光传播；其中，
所述第一方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向平行，所述第二方向与所述第二电光晶体的o光偏振方向平行，且所述第一方向关于所述第一电光晶体的o光偏振方向所在直线的相对方向与所述第二方向关于所述第二电光晶体的o光偏振方向所在直线的相对方向彼此相反；或者，所述第一方向与所述第一电光晶体的e光偏振方向平行，所述第二方向与所述第二电光晶体的e光偏振方向平行，且所述第一方向关于所述第一电光晶体的e光偏振方向所在直线的相对方向与所述第二方向关于所述第二电光晶体的e光偏振方向所在直线的相对方向彼此相反。
2.如权利要求1所述的偏振控制系统，其中，所述第一电光晶体和所述第二电光晶体具有相同的长度L、电光系数γ、o光折射率no和e光折射率ne，且所述第一调制电场和所述第二调制电场具有相同的电场强度。
3.如权利要求1所述的偏振控制系统，其中，所述第一直波导调制器和所述第二直波导调制器相同，且所述第一相位调制信号和所述第二相位调制信号具有相同的电压值。
4.如权利要求1所述的偏振控制系统，其中，在所述第二相位预调制单元中，所述第二直波导调制器被定位成使所述第二电光晶体的o光偏振方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向正交。
5.如权利要求1所述的偏振控制系统，其中，所述第二相位预调制单元还包括偏振方向调节组件，其设置在所述第二直波导调制器之前以使所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量的偏振方向发生90度旋转；并且所述第二直波导调制器被定位成使所述第二电光晶体的o光偏振方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向平行。
6.如权利要求5所述的偏振控制系统，其中，所述偏振方向调节组件为半波片、旋光元件或者法拉第旋转片。
7.如权利要求5所述的偏振控制系统，其中，所述第二相位预调制单元还包括光束平移器；并且，所述第一相位预调制单元和所述第二相位预调制单元并排设置。
8.如权利要求7所述的偏振控制系统，其中，所述光束平移器具有直角三棱镜结构或者椭球面反射镜结构。
9.如权利要求8所述的偏振控制系统，其中，所述直角三棱镜结构由单个直角三棱镜或者两个直角三棱镜组成；或者所述椭球面反射镜的两个焦点分别与所述第一电光晶体和所述第二电光晶体的末端中心位置重合。
10.如权利要求1-9中任一项所述的偏振控制系统，所述相位调制信号源包括用于输出所述第一相位调制信号的第一输出端和用于输出所述第二相位调制信号的第二输出端；或者，所述相位调制信号源具有输出端，所述输出端电连接所述第一直波导调制器的所述电极中的一个，所述第一直波导调制的所述电极中的所述一个经由电延迟线电连接所述第二直波导调制器的所述电极中的一个。
11.如权利要求10所述的偏振控制系统，其中，所述电延迟线的长度根据所述信号光从所述第一电光晶体传播到所述第二电光晶体的时间确定。
12.如权利要求1所述的偏振控制系统，其具有保偏的输入端。
13.一种量子密钥分发系统，其包括如权利要求1-12中任一项所述的偏振控制系统。
14.一种利用直波导调制器进行偏振控制的方法，其包括，
步骤一：利用第一电光晶体对信号光进行相位调制；其中，使所述信号光在所述第一电光晶体中分成作为o光传播的第一水平偏振光分量和作为e光传播的第一垂直偏振光分量，并且借助第一相位调制信号在所述第一电光晶体上形成具有第一方向的第一调制电场；
步骤二：利用第二电光晶体对所述信号光进行相位调制；其中，使得在所述第二电光晶体中，所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量在所述第二电光晶体中分别作为e光和o光传播，并且借助第二相位调制信号在所述第二电光晶体上形成具有第二方向的第二调制电场；
步骤三：使经所述第二电光晶体进行相位调制的所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量合束；
其中，所述第一方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向平行，所述第二方向与所述第二电光晶体的o光偏振方向平行，且所述第一方向关于所述第一电光晶体的o光偏振方向所在直线的相对方向与所述第二方向关于所述第二电光晶体的o光偏振方向所在直线的相对方向彼此相反；或者，所述第一方向与所述第一电光晶体的e光偏振方向平行，所述第二方向与所述第二电光晶体的e光偏振方向平行，且所述第一方向关于所述第一电光晶体的e光偏振方向所在直线的相对方向与所述第二方向关于所述第二电光晶体的e光偏振方向所在直线的相对方向彼此相反。
15.如权利要求14所述的偏振控制方法，其中，所述第一电光晶体和所述第二电光晶体具有相同的长度L、电光系数γ、o光折射率no和e光折射率ne，且所述第一调制电场和所述第二调制电场具有相同的电场强度。
16.如权利要求14所述的偏振控制方法，其中，使所述第二电光晶体的o光偏振方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向正交。
17.如权利要求14所述的偏振控制方法，其中，在所述步骤一和所述步骤二之间还包括使所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量的偏振方向发生90度旋转的步骤，并且所述第二电光晶体的o光偏振方向与所述第一电光晶体的o光偏振方向平行。
18.如权利要求17所述的偏振控制方法，其中，所述第一电光晶体和所述第二电光晶体并排设置，且在所述步骤一和所述步骤二之间还包括使所述第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量在所述并排设置的方向上平移的步骤。
19.如权利要求14-18中任一所述的偏振控制方法，其中，所述第二相位调制信号是由所述第一电光晶体上的所述第一相位调制信号经电延迟线传送至所述第二电光晶体上的。
20.如权利要求19所述的偏振控制方法，其中，所述电延迟线的长度根据所述信号光从所述第一电光晶体传播到所述第二电光晶体的时间确定。
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