CN112688777B - 一种空间-光纤耦合阵列逆向调制自由空间qkd系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间‑光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD系统，包括询问端和逆向调制端；所述询问端配置为产生圆偏振强光信号，对量子信号的量子态进行测量，发送或接收光信号；所述逆向调制端配置为接收来自询问端的光信号，并对光信号进行偏振调制和强度调制，将接收到的光信号调制成符合BB84协议的弱相干态信号，且该弱相干态信号以与接收到的光信号相反的方向反射回询问端；该系统具有结构简单、功耗低、成本低，不仅能够适用于传统自由空间QKD应用中的大平台，且同样适用于对负载有严格限制的小平台，实现量子密钥分发。

Description

一种空间-光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD系统

技术领域

本发明涉及量子密码与光通信领域，特别是涉及一种基于非对称式逆向调制技术的自由空间QKD系统。

背景技术

量子保密通信的保密原理与传统的经典密码通信的保密原理有着根本的不同，它采用量子态作为密钥的传输载体，基于量子力学的海森堡测不准原理和量子不可克隆定理保证密钥分发的安全性。经过量子信道建立密钥，除当事人之外的第三方无法获得密钥的任何信息。不同于经典密钥通过破解密钥的计算复杂度来保证加密信息的安全性，量子密钥分发的这种安全性不是基于计算安全性而是基于物理基础，这就从根本上解决了密钥的安全性问题。从这种意义上说，量子保密通信是一种能实现理论上绝对安全的通信方式。

由于光子具有速度快、抗电磁干扰能力强、衰减小等优点，目前大部分的QKD系统都采用光子作为信息载体。根据密钥传输的信道不同，基于光子的QKD系统可以分为光纤QKD系统和自由空间QKD系统。目前光纤QKD系统已有瑞士idQuantique等公司提供商用产品，并且建成了若干个城域试验网。自由空间QKD系统是以自由空间作为信道，利用望远镜进行传送和接收光子。虽然受地表的可视性条件和大气波动等因素的影响，近地的自由空间QKD系统与光纤QKD系统相比没有明显优势，但是在部分光纤不可达的条件(例如高山、荒漠等)下，通过自由空间是唯一的选择。另外，通过量子卫星实现全球化的量子保密通信，被视为未来长距离QKD系统较有前景的方案之一。

传统的自由空间QKD系统需要通信双方同时配备复杂的ATP(Acquisition、Tracking and Pointing)设备和通信设备，导致终端设备体积大、能耗高、成本高，限制了应用的成本和难度。逆向调制光通信系统具有非对称式的光通信系统结构，通信双方分别称为询问端和逆向调制端。询问端与传统的自由空间QKD系统的通信终端相似，相对逆向调制端具有更高的设备复杂度和更多的功能。而逆向调制端的设备简单，它不需要配备复杂庞大的ATP系统，也不需要高性能的量子态测量系统，大大降低了设备的成本、重量和能耗。逆向调制自由空间QKD技术大大降低了自由空间QKD系统的应用门槛，可广泛应用于无人机通信、微小卫星量子网络等场景。

例如，中国专利CN107147442A公开了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。该专利并非基于非对称结构的逆向调制技术，存在通信终端对量子密钥设备的负载有严格限制的问题。

因此，针对现有技术中存在的技术问题，亟需提供一种结构简单、功耗低、成本低，不仅能够适用于传统自由空间QKD应用中的大平台，且能够搭载在对负载有严格限制的小平台中的QKD设备及技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种空间-光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD(quantum key distribution，量子密钥分发)系统，该系统采用非对称的通信结构，一方为询问端，向逆向调制端发射强光信号，并对逆向调制端反射回来的量子信号进行量子态测量；一方为逆向调制端，接收询问端发送的强光信号，并根据诱骗态BB84协议对其进行偏振态调制并衰减为弱相干光之后反射回询问端。

为了达到上述的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种空间-光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD系统，包括询问端和逆向调制端；所述询问端配置为产生圆偏振强光信号，对量子信号的偏振态进行测量，发送和收光信号；所述逆向调制端配置为接收来自询问端的光信号，并对该光信号进行偏振调制和强度调制，将接收到的光信号调制成符合BB84协议的弱相干态信号，且该弱相干态信号以与接收到的光信号相反的方向反射回询问端；

所述询问端包括信号发送系统、信号接收系统和望远镜系统；其中，所述信号发送系统配置为产生强光信号；信号接收系统配置为接收量子信号并进行信号的偏振态测量；望远镜系统配置为将信号发送系统产生的光信号通过自由空间发送至逆向调制端，并接收来自逆向调制端反射的量子信号，将其传输至信号接收系统。

所述信号发送系统包括激光器和偏振调制器；所述激光器产生脉冲光信号，脉冲光信号经过偏振调制器调制成圆偏振态的光信号，将该圆偏振态的光信号由望远镜系统经自由空间传输到逆向调制端。

所述信号接收系统包括分束器、第一偏振分束器、半波片、第二偏振分束器、以及四个单光子探测器；其中，四个单光子探测器分别对应BB84协议所使用的四个偏振态。

以上的，当所述信号接收系统接收到量子信号时，所述量子信号经过分束器，以相等的概率透射或反射；当量子信号透射时，首先经过与直角基光轴夹角为22.5°的半波片，随后经过第二偏振分束器分离出水平和垂直的偏振光，最后该水平和垂直的偏振光分别被两个单光子探测器探测；当量子信号反射时，直接经过第二偏振分束器分离出水平和垂直的偏振光，最后该水平和垂直的偏振光分别被两个单光子探测器探测。

所述逆向调制端包括第一宽视场透镜、第二宽视场透镜、半透半反镜、第一球形端面光纤耦合阵列、第二球形端面光纤耦合阵列、第一光开关、第二光开关、单模光纤、光纤滤波器、光隔离器、分束器、高速光电探测器、偏振调制器、强度调制器、光衰减器、到达角传感器、反馈单元、调制单元以及控制单元；

以上的，所述第一宽视场透镜用于对入射的平行光束进行会聚；当光线入射角较大时，宽视场透镜依然能够在焦平面较好的成像。

优选的，第二宽视场透镜与第一宽视场透镜具有相同的透镜结构，且它们的光轴互相平行。

以上的，所述第一球形端面光纤耦合阵列和第二球形端面光纤耦合阵列具有相同的结构，其像素数量相同，且排列相同。

具体的，在量子密钥分发过程中，光信号输入到第一球形端面光纤耦合阵列的光信号为强光信号；光信号输入到第二球形端面光纤耦合阵列的光信号为量子信号。阵列像素的开关状态由控制单元控制。

具体的，第二球形端面光纤耦合阵列位于第二宽视场透镜的焦平面。由第二球形端面光纤耦合阵列输出的量子信号经过第二宽视场透镜透射，透射光束为平行光。由于第二球形端面光纤耦合阵列与第一球形端面光纤耦合阵列、第二宽视场透镜与第一宽视场透镜结构相同，且在同一时间内，与第二球形端面光纤耦合阵列和第一球形端面光纤耦合阵列连接的第一光开关和第二光开关打开和关闭的端口相同。因此，第二球形端面光纤耦合阵列与第一球形端面光纤耦合阵列打开和关闭的像素相同。因此，第二宽视场透镜的出射光束与第一宽视场透镜的入射光束互相平行、方向相反。

以上的，所述第一球形端面光纤阵列的球形端面阵列位于第一宽视场透镜的焦平面；在所述第一球形端面光纤耦合阵列中，每个球形端面分别将入射光耦合到各自对应的光纤中；第一球形端面光纤阵列通过第一光开关耦合到一根单模光纤中；入射光信号会聚在到达角传感器的像素上产生光电流，当监测到某个像素的光电流高于预先设定的阈值时，我们便认为这个像素被照明。所述球形端面光纤耦合阵列的像素和达角传感器的像素一一对应，且共用一个宽视场透镜。因此，同一束光信号入射到宽视场透镜会聚在球形端面光纤耦合阵列和到达角传感器的两个光斑位置相同。根据达角传感器反馈的光电流，控制单元输出电信号同时控制第一光开关和第二光开关打开球形端面光纤耦合阵列中与到达角传感器被照明的像素一一对应的像素。

具体的，询问端发射的光信号经过自由空间，会受大气湍流的影响，产生光束漂移、强度抖动等现象。光信号入射到逆向调制端可近似为平行光束，经过第一宽视场透镜聚焦在透镜的焦平面；经过第一宽视场透镜的出射光束经过半透半反镜将光信号分为两束，其中一束经过透射入射至第一球形端面光纤耦合阵列，一束经过反射入射至到达角传感器；

以上的，所述到达角传感器为光成像器件，位于第一宽视场透镜反射光路的焦平面处；入射的平行光束经过第一宽视场透镜聚焦和半透半反镜的反射，聚焦在到达角传感器处形成光斑；其中，不同方向入射的光束在到达角传感器上所形成的光斑的位置不同；光信号会聚在到达角传感器，被光斑照射的像素会产生光电流，从而识别入射光束的入射方向。

优选的，所述第一球形端面光纤耦合阵列、第二球形端面光纤耦合阵列均为N×M球形端面光纤耦合阵列，其中，N×M球形端面光纤耦合阵列由N×M个球形端面光纤组合排列构成，一根球形端面光纤对应一个像素；球形端面的半径为r，光纤的半径为R，像素的直径为x，像素与像素之间的间距为x+y，像素与像素之间的间隔为y，像素具有M行N列，共N×M个像素。

以上的，第一光开关与第二光开关具有相同的结构；其中，第一光开关为控制光传输的电控开关，且为Z×1光开关；第一光开关具有Z个输入端和一个输出端；所述第二光开关为Z×1光开关，第二光开关具有一个输入端和Z个输出端。

具体的，所述光信号从第一光开关的Z个输入端输入，从第一光开关的输出端输出；所述第二光开关具有一个输入端和Z个输出端，所述光信号经过调制之后从第二光开关的输入端输入，且从Z个输出端输出。在同一时刻，所述第一光开关或第二光开关可以控制Z个端口中的某一个或某几个端口处于打开或闭合状态，端口的开关状态由控制单元控制，控制信号由光信号入射至到达角传感器并反馈至所述控制单元产生。当端口处于打开状态时，信号可以从该端口输入，并传输至单个输出端输出，信号也可以从单个输入端传输至该端口输出。当端口处于关闭状态时，从该端口输入的信号无法传输至单个端口输出，从单个端口输入的信号也无法传输至该端口输出。

以上的，所述第一光开关、第二光开关的Z个端口的数量，与所述球形端面光纤耦合阵列的像素N×M相同，即Z＝N×M，且一个端口对应与一个像素的尾纤相连接。

以上的，所述光纤滤波器配置为滤除通信波段之外的噪声信号，其中心波长选择光通信波段中的1550nm波段，带宽约为2dB，隔离度大于30dB；所述光信号经过光纤滤波器进行滤波后输出，该输出的光信号滤除了背景杂散光。

以上的，所述光隔离器为光纤隔离器，所述光隔离器配置为允许光单向传输；即允许光向一个方向通过，而阻止传输方向相反的光通过，使光只能单向传输，所述光隔离器正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。

优选的，光隔离器的结构设置为两个偏振片中间夹设有一个法拉第旋转镜；其中，两个偏振片的光轴之间的夹角为45°，法拉第旋转镜使得出射光束相对入射光束旋转45°；当光信号沿着顺时针方向经过光隔离器时，光信号可以低损耗通过，出射光为线偏振光。

以上的，所述分束器配置为输入任意偏振的光信号，分束器将输入光信号分成两束能量比为90∶10的分束信号，该分束信号为与输入的光信号偏振相同的光信号；所述两束分束信号分别从分束器的第一端口和第二端口输出。

以上的，所述高速光电探测器配置为实时监测输入的1550nm波段光信号的光功率；高速光电探测器将输入的光信号转换为电信号并输出至反馈单元。

以上的，所述反馈单元根据接收到的来自高速光电探测器的电信号，并经过预先设定的反馈算法计算获得控制电信号的值控制光衰减器的衰减系数，用于消除光信号由于大气湍流、背景噪声等引起的强度抖动。

以上的，所述偏振调制器对输入的光信号的偏振态进行调制，其中，调制单元配置为产生一串随机数序列；所述调制单元中的偏振调制驱动电路根据该串随机数序列，控制偏振调制器将入射的偏振光信号调制成BB84协议中对应的偏振态。

以上的，所述强度调制器对输入光信号的强度进行调制，其中，调制单元配置为产生另一串随机数序列，调制单元中的强度调制驱动电路根据该串随机数序列，控制强度调制器将入射的光信号调制成诱骗态协议中对应的诱骗态。

以上的，所述光衰减器设置为衰减系数可调的光衰减器；所述反馈单元根据高速光电探测器的输出电信号，并经过预先设定的反馈算法计算获得控制电信号的值控制光衰减器的衰减系数。

以上的，所述到达角传感器为光成像器件，位于宽视场透镜的焦平面处；所述到达角传感器与第一球形端面光纤耦合阵列具有相同的像素尺寸和排列，并一一对应；其中，像素的宽为x，像素与像素之间的间距为x+y，像素与像素之间的间隔为y。

具体的，所述询问端发送的光信号经过自由空间传输至逆向调制端，光信号透过第一宽视场透镜，并经过半透半反镜反射，一半的能量反射并会聚到到达角传感器的像素，被光信号照明的像素由于光电效应产生电信号，该电信号传输到控制单元；同一方向的平行光经过第一宽视场透镜和半透半反镜所成的反射光斑在到达角传感器的位置和透射光斑在第一球形端面光纤耦合阵列的位置相同，即被照明的像素相同。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种空间-光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD系统，该系统与用于传统自由空间QKD系统的对称式结构不同；其采用逆向调制技术，独特的非对称式通信结构使得通信方其中一方(即搭载逆向调制设备的通信方——逆向调制端)的QKD设备体积更小和功耗更低，大大地简化了逆向调制端融入QKD网络的条件和成本，使得QKD能够更广泛的应用在如无人机、汽车等对设备体积和能耗有严格限制的小型移动平台；而使用空间-光纤耦合阵列将空间光耦合至光纤中，使得高性能的光纤光器件得以被应用于逆向调制自由空间QKD系统，从而获得更高的逆向调制量子密钥分发性能。

附图说明

图1为本发明提供的逆向调制自由空间QKD系统的应用场景示意图；

图2为本发明提供的逆向调制自由空间QKD系统的分发流程简图；

图3为本发明提供的逆向调制自由空间QKD系统的询问端装置图；

图4为本发明提供的逆向调制自由空间QKD系统的逆向调制端装置图；

图5为本发明提供的逆向调制自由空间QKD系统的光纤耦合横向剖面图；

图6为本发明提供的逆向调制自由空间QKD系统的光纤耦合纵向剖面图；

图7为本发明提供的逆向调制自由空间QKD系统的到达角传感器纵向剖面图。

附图标记说明

A通信车，B地面固定基站，C汽车，D飞机，E卫星，F无人机；

1询问端，2逆向调制端；11信号发送系统，12信号接收系统，13望远镜系统；31强光信号，32弱相干态信号；

111激光器，112偏振调制器；121分束器，122偏振分束器，123半波片，124偏振分束器，125～128单光子探测器；

201第一宽视场透镜，201’第二宽视场透镜，202半透半反镜，203第一球形端面光纤耦合阵列，203’第二球形端面光纤耦合阵列，204第一光开关，204’第二光开关；205单模光纤，206光纤滤波器，207光隔离器，208分束器，209高速光电探测器，210偏振调制器，211强度调制器，212光衰减器，213到达角传感器；

301反馈单元，302调制单元，303控制单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1～7所示，本实施例提供了一种空间-光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD系统，包括询问端1和逆向调制端2；所述询问端1配置为产生圆偏振强光信号31，对量子信号的量子态进行测量，发送或接收光信号；所述逆向调制端2配置为接收来自询问端的光信号31，并对光信号进行偏振调制和强度调制，将接收到的光信号调制成符合诱骗态BB84协议的弱相干态信号32，且该弱相干态信号32以与接收到的光信号相反的方向反射回询问端1；

更为具体的，本实施例中的逆向调制端2具有识别入射光束入射方向的能力，并能够单独对某一方向入射的光信号进行偏振和强度调制得到符合诱骗态BB84协议的弱相干态量子信号，并将所述量子信号以与所述入射光信号方向平行且相反的方向反射。

如图1所示，询问端1在量子密钥分发过程中作为基站，可装配在地面固定基站B、通信车A、卫星E等可承载高负荷设备的平台。逆向调制端2作为通信的另一方，可装配在汽车C、飞机D、无人机F等载荷低的移动平台，也可装配在通信车A、地面固定基站B、卫星E等可承载高负荷设备的平台，分别装配询问端1和逆向调制端2的平台可以通过自由信道进行量子密钥分发。

如图2所示，询问端1能够产生强度稳定的圆偏振强光信号31。逆向调制端2能够接收询问端1发送的光信号31，并对该光信号进行偏振调制和强度调制，调制成符合诱骗态BB84协议的弱相干态信号32，并以与光信号31相反的反向反射回询问端1。询问端1能够接收所述弱相干态信号32并进行偏振态测量。图2所示的点虚线箭头表示光信号通过自由空间信道传播，实现箭头表示空间光耦合到光纤中后，由逆向调制器的逆向调制系统对信号进行调制并反射。最后，光信号31经过逆向调制端2调制为弱相干态信号(即量子信号)32之后，以相反的方向再一次通过自由信道传输会询问端1。弱相干态信号32被望远镜系统13接收之后传输至信号接收系统12进行偏振态测量。

所述询问端1包括信号发送系统11、信号接收系统12和望远镜系统13；其中，所述信号发送系统11配置为产生强光信号；信号接收系统12配置为接收到量子信号并进行偏振态测量；望远镜系统13配置为将信号发送系统产生的光信号通过自由空间发送至逆向调制端，并接收来自逆向调制端反射的量子信号，将其传输至信号接收系统。

所述信号发送系统11包括激光器111和偏振调制器112；所述激光器111产生脉冲光信号，脉冲光信号经过偏振调制器112调制成圆偏振态的光信号，将该圆偏振态的光信号由望远镜系统13经自由空间传输到逆向调制端2。

所述信号接收系统12包括分束器121、第一偏振分束器122、半波片123、第二偏振分束器124、以及四个单光子探测器125～128；其中，四个单光子探测器分别对应BB84协议所使用的四个偏振态。

在本实施例中，当所述信号接收系统12接收到量子信号时，所述量子信号经过分束器121，以相等的概率透射或反射；当量子信号透射时，经过与直角基光轴夹角为22.5°的半波片123，随后经过第二偏振分束器124分离出水平和垂直的偏振光，最后该水平和垂直的偏振光分别被两个单光子探测器127、128探测；当量子信号反射时，直接经过第二偏振分束器124分离出水平和垂直的偏振光，最后该水平和垂直的偏振光分别被两个单光子探测器127、128探测。

所述逆向调制端包括第一宽视场透镜201、第二宽视场透镜201’、半透半反镜202、第一球形端面光纤耦合阵列203、第二球形端面光纤耦合阵列203’、第一光开关204、第二光开关204’、单模光纤205、光纤滤波器206、光隔离器207、分束器208、高速光电探测器209、偏振调制器210、强度调制器211、光衰减器212、到达角传感器213、反馈单元301、调制单元302以及控制单元303。

如图4所示，点虚线和点虚线箭头表示在自由空间中传播的光信号，虚线箭头表示所述信号为电信号，实线和实线箭头表示所述信号为在光纤中传输的光信号。

在本实施例中，第一宽视场透镜201为一个透镜组，在图例中使用一个透镜表示，第一宽视场透镜201和第二宽视场透镜201’具有相同的透镜结构，且它们的光轴互相平行。第一宽视场透镜201用于对入射的平行光束进行会聚；当光线入射角较大时，宽视场透镜依然能够在焦平面较好的成像。具体的，光信号31入射到逆向调制端2可近似为平行光束，经过第一宽视场透镜201聚焦在透镜的焦平面；经过第一宽视场透镜201的出射光束经过半透半反镜202将光信号31分为两束，其中一束经过透射入射至球形端面光纤耦合阵列203，一束经过反射入射至到达角传感器213；

在本实施例中，所述到达角传感器213为光成像器件，位于第一宽视场透镜201反射光路的焦平面处；入射的平行光束经过第一宽视场透镜201聚焦和半透半反镜202的反射，聚焦在到达角传感器213处形成光斑；其中，不同方向入射的光束在到达角传感器213上所形成的光斑的位置不同；光信号31会聚在到达角传感器213，被光斑照射的像素会产生光电流，从而识别入射光束的方向。

在本实施例中，所述到达角传感器213为光成像器件，位于宽视场透镜201的焦平面处；所述到达角传感器213与第一球形端面光纤耦合阵列203具有相同的像素尺寸和排列方式，位置一一对应；其中，像素的宽为x，像素与像素之间的间距为x+y，像素与像素之间的间隔为y。具体的，所述询问端发送的光信号31经过自由空间传输至逆向调制端，光信号31透过第一宽视场透镜201，并经过半透半反镜反射202，一半的能量反射并会聚在到达角传感器213的像素上，被光信号照明的像素由于光电效应产生电信号，该电信号传输到控制单元303；同一方向的平行光经过第一宽视场透镜201和半透半反镜202所成的反射光斑在到达角传感器213的位置和透射光斑在第一球形端面光纤耦合阵列203的位置相同，即被照明的像素相同。

在本实施例中，所述第一球形端面光纤耦合阵列203和第二球形端面光纤耦合阵列203’具有相同的结构，其像素数量相同，且排列相同。

如图5所示，球形端面光纤耦合阵列由N×M个球形端面光纤组成。球形端面光纤的一面端面为半径为r的球形，另一面与Z×1光开关的Z个端口一一对应连接。203-1为一根球形端面光纤，203-2为N×M根球形端面光纤的套件，所述套件对排列的球形端面光纤起固定作用。

球形端面光纤的耦合效率满足如下关系式：

其中：

x₁∈[0，r(1-cosθ))

x₂∈[r(1-cosθ)，0.4r)

其中，x为横坐标，z为纵坐标，α为孔径角，NA为光纤的数值孔径，n′为球形端面的折射率。

如图6所示，N×M球形端面光纤耦合阵列203/203’由单个球形端面光纤组合排列构成，一根球形端面光纤对应一个像素。球形端面的半径为r，光纤的半径为R，像素的直径为x，像素与像素之间的间距为x+y，像素与像素之间的间隔为y，像素具有M行N列，共N×M个像素。第一球形端面光纤耦合阵列203与第二球形端面光纤耦合阵列203′具有相同的结构，具有相同像素的数量、相同的像素排列和大小。第一球形端面光纤耦合阵列203位于第一宽视场透镜201的焦平面处。第二球形端面光纤耦合阵列203’位于第二宽视场透镜201’的焦平面处。

具体的，在量子密钥分发过程中，光信号31输入到第一球形端面光纤耦合阵列203的光信号为圆偏振强光信号；光信号输入到第二球形端面光纤耦合阵列203’的光信号为量子信号。

具体的，在同一时间内，第一球形端面光纤耦合阵列203与第二球形端面光纤耦合阵列203’打开和关闭的像素相同，仅有处于打开状态的像素存在光输出。第二球形端面光纤耦合阵列203’位于第二宽视场透镜201’的焦平面。由第二球形端面光纤耦合阵列203’输出的量子信号经过第二宽视场透镜201’透射，透射光束为平行光。由于第二球形端面光纤耦合阵列203’与第一球形端面光纤耦合阵列203、第二宽视场透镜201’与第一宽视场透镜201结构相同，且在同一时间内，第二球形端面光纤耦合阵列203’与第一球形端面光纤耦合阵列203打开和关闭的像素相同。因此，同一时间内，第二宽视场透镜201’的出射光束与第一宽视场透镜201的入射光束互相平行、方向相反，实现了光信号的逆向反射。

更为具体的，在本实施例中，所述第一球形端面光纤阵列203的球形端面阵列位于第一宽视场透镜201的焦平面；在所述第一球形端面光纤耦合阵列203中，每个球形端面分别将入射光耦合到各自对应的光纤中；第一球形端面光纤阵列203通过第一光开关204耦合到一根单模光纤205中；入射光信号31会聚在到达角传感器213的像素上产生光电流，当监测到某个像素的光电流高于预先设定的阈值时，我们便认为这个像素被照明。所述球形端面光纤耦合阵列203的像素和达角传感器213的像素一一对应，且共用一个宽视场透镜。因此，同一束光信号入射到宽视场透镜后分别会聚在球形端面光纤耦合阵列和到达角传感器的两个光斑位置相同。根据达角传感器213反馈的光电流，控制单元303输出电信号控制光开关同时打开两个球形端面光纤耦合阵列中与到达角传感器213被照明的像素一一对应的像素。打开的像素所接收到的光信号能够传输到单模光纤205进行后续的信号调制，未打开的像素所接收到的光信号则无法传输到单模光纤205。

在本实施例中，所述第一球形端面光纤耦合阵列203、第二球形端面光纤耦合阵列203’均为N×M球形端面光纤耦合阵列，其中，N×M球形端面光纤耦合阵列由单个球形端面光纤组合排列构成，一根球形端面光纤对应一个像素；球形端面的半径为r，光纤的半径为R，像素的直径为x，像素与像素之间的间距为x+y，像素与像素之间的间隔为y，像素具有M行N列，共N×M个像素。

在本实施例中，第一光开关204与第二光开关204’具有相同的结构；其中，第一光开关204为控制光传输的电控开关，且为Z×1光开关，具有Z个输入端和一个输出端；所述第二光开关204’为Z×1光开关，具有一个输入端和Z个输出端。所述光信号31从第一光开关204的Z个输入端输入，从第一光开关204的输出端输出；所述光信号31经过调制之后从第二光开关204’的输入端输入，从Z个输出端输出。在同一时刻，所述第一光开关或第二光开关可以控制Z个端口中的某一个或某几个端口处于打开或闭合状态，端口的开关状态由控制单元303控制，控制信号由光信号31入射至到达角传感器213并反馈至所述控制单元产生。当端口处于打开状态时，信号可以从该端口输入，并传输至单个输出端输出，也可以从单个输入端传输至该端口输出。当端口处于关闭状态时，从该端口输入的信号无法传输至单个端口输出，从单个端口输入的信号也无法传输至该端口输出。

具体的，所述第一光开关、第二光开关的Z个端口的数量，与所述球形端面光纤耦合阵列的像素N×M相同，即Z＝N×M，且一个端口对应与一个像素的尾纤相连接。

在本实施例中，所述光纤滤波器206配置为滤除通信波段之外的噪声信号，其中心波长选择通信波段中的1550nm波段，带宽约为2dB，隔离度大于30dB；所述光信号经过光纤滤波器206进行滤波后输出，该输出的光信号滤除了背景杂散光。

在本实施例中，所述光隔离器207为光纤隔离器，所述光隔离器配置为允许光单向传输；即允许光向一个方向通过，而阻止向相反方向通过，使光只能单向传输，正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器的结构设置为两个偏振片中间夹设有一个法拉第旋转镜；其中，两个偏振片的光轴之间的夹角为45°，法拉第旋转镜使得出射光束相对入射光束旋转45°；当光信号沿着顺时针方向经过光隔离器207时，光信号可以低损耗通过，出射光为线偏振光。

在本实施例中，所述分束器208配置为输入任意偏振的光信号，分束器208将输入光信号分成两束能量比为90∶10的分束信号，该分束信号为与输入的光信号偏振相同的光信号；所述两束分束信号分别从分束器208的第一端口1和第二端口2输出。

在本实施例中，所述高速光电探测器209配置为实时监测输入的1550nm波段光信号的光功率；高速光电探测器209将输入的光信号转换为电信号并输出至反馈单元301。

在本实施例中，所述反馈单元301根据接收到的来自高速光电探测器209的电信号，并经过预先设定的反馈算法计算获得控制电信号的值控制光衰减器212的衰减系数，消除光信号由于大气湍流、背景噪声等引起的强度抖动。

在本实施例中，所述偏振调制器210对输入的光信号的偏振态进行调制，其中，调制单元302配置为产生一串随机数序列；所述调制单元302中的偏振调制驱动电路根据该串随机数序列，控制偏振调制器210将入射的偏振光信号调制成BB84协议中对应的偏振态。

在本实施例中，所述强度调制器211对输入光信号的强度进行调制，其中，调制单元302配置为产生另一串随机数序列，调制单元302中的强度调制驱动电路根据该串随机数序列，控制强度调制器211将入射的光信号调制成诱骗态协议中对应的诱骗态。

在本实施例中，所述光衰减器212设置为衰减系数可调的光衰减器；所述反馈单元301根据高速光电探测器209的输出电信号，并经过预先设定的反馈算法计算获得控制电信号的值控制光衰减器212的衰减系数。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种空间-光纤耦合阵列逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，包括询问端和逆向调制端；所述询问端配置为产生圆偏振强光信号，对量子信号的偏振态进行测量，发送或接收光信号；所述逆向调制端配置为接收来自询问端的光信号，并对该光信号进行偏振调制和强度调制，将接收到的光信号调制成符合BB84协议的弱相干态信号，且该弱相干态信号以与接收到的光信号相反的方向反射回询问端；

所述询问端包括信号发送系统、信号接收系统和望远镜系统；其中，所述信号发送系统配置为产生强光信号；信号接收系统配置为接收量子信号并进行信号的偏振态测量；望远镜系统配置为将信号发送系统产生的光信号通过自由空间发送至逆向调制端，并接收来自逆向调制端反射的量子信号，将其传输至信号接收系统；

所述逆向调制端包括第一宽视场透镜、第二宽视场透镜、半透半反镜、第一球形端面光纤耦合阵列、第二球形端面光纤耦合阵列、第一光开关、第二光开关、单模光纤、光纤滤波器、光隔离器、分束器、高速光电探测器、偏振调制器、强度调制器、光衰减器、到达角传感器、反馈单元、调制单元以及控制单元；

所述偏振调制器配置为对输入的光信号的偏振态进行调制，其中，调制单元配置为产生一串随机数序列；所述调制单元中的偏振调制驱动电路根据该串随机数序列，控制偏振调制器将入射的偏振光信号调制成BB84协议中对应的偏振态；

所述强度调制器配置为对输入光信号的强度进行调制，其中，调制单元配置为产生另一串随机数序列，调制单元中的强度调制驱动电路根据该串随机数序列，控制强度调制器将入射的光信号调制成诱骗态协议中对应的诱骗态；

所述信号发送系统包括激光器和偏振调制器；所述激光器产生脉冲光信号，脉冲光信号经过偏振调制器调制成圆偏振态的光信号，将该圆偏振态的光信号由望远镜系统经自由空间传输到逆向调制端；

所述信号接收系统包括分束器、第一偏振分束器、半波片、第二偏振分束器以及四个单光子探测器；其中，四个单光子探测器分别对应BB84协议所使用的四个偏振态。

2.如权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，当所述信号接收系统接收到量子信号时，所述量子信号经过分束器，以相等的概率透射或反射；当量子信号透射时，首先经过与直角基光轴夹角为22.5°的半波片，随后经过第偏振分束器分离出水平和垂直的偏振光，且该水平和垂直的偏振光分别被两个单光子探测器所探测；当量子信号反射时，直接经过第二偏振分束器分离出水平和垂直的偏振光，且该水平和垂直的偏振光分别被两个单光子探测器探测。

3.如权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第一宽视场透镜用于对入射的平行光束进行会聚；第二宽视场透镜与第一宽视场透镜具有相同的透镜结构，且二者的光轴互相平行。

4.如权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第一球形端面光纤耦合阵列和第二球形端面光纤耦合阵列具有相同的结构，其像素数量相同，且排列相同；

在量子密钥分发过程中，输入至第一球形端面光纤耦合阵列的光信号为强光信号；输入至第二球形端面光纤耦合阵列的光信号为量子信号；阵列像素的开关状态由所述控制单元控制。

5.如权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第一球形端面光纤阵列的球形端面阵列位于第一宽视场透镜的焦平面；第二球形端面光纤耦合阵列的球形端面阵列位于第二宽视场透镜的焦平面；

在所述第一球形端面光纤阵列通过第一光开关耦合到一根单模光纤中；入射的光信号会聚在到达角传感器的像素上产生光电流，当监测到某个像素的光电流高于预先设定的阈值时，该像素则认定为被照明。

6.如权利要求5所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述第一球形端面光纤耦合阵列、第二球形端面光纤耦合阵列均为N×M球形端面光纤耦合阵列，其中，N×M球形端面光纤耦合阵列由N×M个球形端面光纤组合排列构成，一根球形端面光纤对应一个像素；球形端面的半径为r，光纤的半径为R，像素的直径为x，像素与像素之间的间距为x+y，像素与像素之间的间隔为y，像素具有M行N列，共N×M个像素。

7.如权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述到达角传感器为光成像器件，位于第一宽视场透镜反射光路的焦平面处；入射的平行光束经过第一宽视场透镜聚焦和半透半反镜的反射，聚焦在到达角传感器处形成光斑；其中，不同方向入射的光束在到达角传感器上所形成的光斑的位置不同；光信号会聚在到达角传感器，被光斑照射的像素会产生光电流，由此识别入射光束的入射方向；

所述到达角传感器为光学成像器件，到达角传感器与第一球形端面光纤耦合阵列具有相同的像素尺寸和排列，并一一对应；其中，像素的宽为x，像素与像素之间的间距为x+y，像素与像素之间的间隔为y。

8.如权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，第一光开关与第二光开关具有相同的结构；其中，第一光开关为控制光传输的电控开关，且为Z×1光开关；第一光开关具有Z个输入端和一个输出端；所述第二光开关为Z×1光开关，第二光开关具有一个输入端和Z个输出端；

所述第一光开关、第二光开关的Z个端口，与所述球形端面光纤耦合阵列的像素N×M相同，即Z＝N×M，且一个端口对应与一个像素的尾纤相连接。

9.如权利要求1所述的逆向调制自由空间QKD系统，其特征在于，所述光隔离器的结构设置为两个偏振片中间夹设有一个法拉第旋转镜。

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