CN117278131A - 一种时分复用共轭零差探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于保密通信技术领域，公开了一种时分复用共轭零差探测装置，包括的不等臂干涉仪长臂上设置有90°偏振旋转模块，短臂上设置有偏振延时移相模块；偏振延时移相模块用于对两个正交偏振分量产生预定延时差；并用于对延时较大的偏振分量进行移相；两个光电探测器分别用于探测一个分束器两个输出端口出射的光信号，并通过减法器产生差分电流信号；差分电流信号为时分复用的X分量和P分量的测量结果。与现有技术相比，本发明通过偏振延时移相模块将正交偏振分量进行不同的时间延迟和移相，实现在相邻两个时刻对两个共轭分量的测量，得到时分复用的共轭零差探测结果；只需要一套干涉仪和一套零差探测器，降低了探测装置的复杂度和成本。
Description
技术领域
本发明涉及保密通信技术领域，特别涉及一种时分复用共轭零差探测装置。
背景技术
在相干光通信和连续变量量子密钥分发系统中，相干探测扮演了非常重要的角色。通过相干探测同时测量光信号的I分量和Q分量，或者X分量和P分量来进行解码，通常称为共轭零差探测。常规的共轭零差探测装置需要两套干涉仪（或一个90°混频器）和两套零差探测器，以及相应的电子学处理模块，具有较高的复杂度和成本。并且，要求本振光占用额外的信道传输或采用本地本振光，使信号光和本振光从两个端口分别进入，无法适用于本振光和信号光在同一信道中传输的情形。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种时分复用共轭零差探测装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种时分复用共轭零差探测装置，包括第一分束器BS1、第二分束器BS2、偏振延时移相模块、第一光电探测器PD1以及第二光电探测器PD2，
第一分束器BS1的两个输出端口和第二分束器BS2的两个输入端口分别连接，构成不等臂干涉仪，其中长臂L1上设置有90°偏振旋转模块，短臂L2上设置有偏振延时移相模块；
偏振延时移相模块用于对两个正交偏振分量产生预定延时差；并用于对延时较大的偏振分量进行移相；
第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2分别用于探测第二分束器BS2两个输出端口出射的光信号，并通过减法器产生差分电流信号；
所述差分电流信号为时分复用的X分量和P分量的测量结果，且X分量和P分量的测量结果交替出现。
优选地，所述偏振延时移相模块用于对两个正交偏振分量产生2τ的延时差，其中τ等于输入光信号中偏振相互正交的信号光和本振光之间的时间差；并用于对延时较大的偏振分量进行π/2相移；
不等臂干涉仪的长臂L1上光信号的传播时间与短臂L2上光信号两个正交偏振分量的传播时间分别相差±τ。
优选地，所述不等臂干涉仪的长臂L1上还设置有移相器，用于调节长短臂的相位差为π/4；偏振延时移相模块用于对延时较大的偏振分量进行2nπ的相移。
优选地，所述偏振延时移相模块包括第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2和第一移相器PS1，第一偏振分束器PBS1的两个输出端口和第二偏振分束器PBS2的两个输入端口相连，构成不等臂偏振干涉仪，所述第一移相器PS1设置在所述不等臂偏振干涉仪的长臂上，不等臂偏振干涉仪长短臂对应的时间差为2τ。
优选地，偏振延时移相模块包括第三偏振分束器PBS3和第二移相器PS2，第三偏振分束器PBS3的一个输出端口和一个输入端口通过第二移相器PS2相连，构成萨格纳克环，光信号在环内传输的时间为2τ。
优选地，所述探测装置内的光纤均为保偏光纤。
优选地，第一分束器BS1的输入端口还设置有纠偏模块，用于校准输入光信号的偏振态。
优选地，第一分束器BS1的输入端口还设置有偏振合束器，用于将分离的信号光和本振光进行偏振复用和时分复用，信号光为竖直偏振态，本振光为水平偏振态，二者之间的时间差为τ。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出一种时分复用共轭零差探测装置，通过偏振延时移相模块将正交偏振分量进行不同的时间延迟和移相，可以使本振光和信号光之间的位置交换，实现在相邻两个时刻对两个共轭分量的测量，得到时分复用的共轭零差探测结果。只需要一套干涉仪和一套零差探测器，降低了探测装置的复杂度和成本。另外，对于本振光和信号光在相同和不同信道中传输的情形都适用，具有较高的实用性和通用性。
附图说明
图1为本发明时分复用共轭零差探测装置结构原理框图；
图2为本发明不等臂干涉仪长短臂光信号时序示意图；
图3为本发明时分复用共轭零差探测装置实施例一的原理框图;
图4为本发明时分复用共轭零差探测装置实施例二的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种时分复用共轭零差探测装置，包括第一分束器BS1、第二分束器BS2、偏振延时移相模块、第一光电探测器PD1以及第二光电探测器PD2，
第一分束器BS1的两个输出端口和第二分束器BS2的两个输入端口分别连接，构成不等臂干涉仪，其中长臂L1上设置有90°偏振旋转模块，短臂L2上设置有偏振延时移相模块；
偏振延时移相模块用于对两个正交偏振分量产生预定延时差；并用于对延时较大的偏振分量进行移相；
第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2分别用于探测第二分束器BS2两个输出端口出射的光信号，并通过减法器产生差分电流信号；
所述差分电流信号为时分复用的X分量和P分量的测量结果，且X分量和P分量的测量结果交替出现。
偏振延时移相模块用于对两个正交偏振分量产生2τ的延时差，其中τ等于输入光信号中偏振相互正交的信号光和本振光之间的时间差；并用于对延时较大的偏振分量进行π/2相移；
不等臂干涉仪的长臂L1上光信号的传播时间与短臂L2上光信号两个正交偏振分量的传播时间分别相差±τ。
具体工作过程如下：
包含信号光S和本振光LO的光信号入射到第一分束器BS1的输入端口，S和LO的电场可分别写为
，
其中，分别为信号光S的幅度，角频率，初始相位；/>分别为本振光LO的幅度，角频率，初始相位。
假设信号光S比本振光LO超前时间τ，且二者的偏振态分别为竖直偏振和水平偏振。二者被第一分束器BS1分束后分别产生第一信号光分量S1、第二信号光分量S2和第一本振光分量LO1、第二本振光分量LO2，其中S1和LO1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播，经过90°偏振旋转模块后偏振态分别变为水平偏振和竖直偏振；S2和LO2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，依次进入偏振延时移相模块，分别被其延时，其中对S2的延时比对LO2的延时多2τ，并且对S2进行π/2的相移。
如图2所示，由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻S1和LO2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；S2延时2τ后变为S2’，在t+τ时刻，LO1和S2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于S1和LO2均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果通过第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2探测并进行差分后得到的差分电流信号可写为
其中，k为探测器响应系数，为信号光和本振光所携带相位之间的差，/>为长短臂的相位差。此时的测量结果为光信号的X分量（或I分量）。
LO1和S2’均为竖直偏振，二者可以进行干涉，由于S2具有π/2的相移，产生的干涉结果通过第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2探测并进行差分后得到的差分电流信号可写为
此时的测量结果为光信号的P分量（或Q分量）。
可以看出，只需要一套干涉仪和一套零差探测器进行时分复用，可以实现对待测信号X分量和P分量的测量。
如图3所示，本发明解码装置实施例一：
偏振延时移相模块包括第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2和第一移相器PS1，第一偏振分束器PBS1的两个输出端口和第二偏振分束器PBS2的两个输入端口相连，构成不等臂偏振干涉仪，所述第一移相器PS1设置在所述不等臂偏振干涉仪的长臂上，不等臂偏振干涉仪长短臂对应的时间差为2τ。
实施例一具体工作过程包括为：
包含信号光S和本振光LO的光信号入射到第一分束器BS1的输入端口，S和LO的电场可分别写为
，
其中，分别为信号光S的幅度，角频率，初始相位；/>分别为本振光LO的幅度，角频率，初始相位。
假设信号光S比本振光LO超前时间τ，且二者的偏振态分别为竖直偏振和水平偏振。二者被第一分束器BS1分束后分别产生第一信号光分量S1、第二信号光分量S2和第一本振光分量LO1、第二本振光分量LO2，其中S1和LO1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播，经过90°偏振旋转模块后偏振态分别变为水平偏振和竖直偏振。
S2和LO2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，依次进入第一偏振分束器PBS1。由于S2为竖直偏振，被第一偏振分束器PBS1反射，进入不等臂偏振干涉仪的长臂，经第一移相器PS1进行π/2的相移后从第二偏振分束器PBS2的输出端口出射。LO2为水平偏振，直接从第一偏振分束器PBS1透射，沿不等臂偏振干涉仪的短臂传播后从第二偏振分束器PBS2的输出端口出射。由于不等臂偏振干涉仪的长短臂延时差为2τ，因此S2相比LO2被延时2τ。
如图2所示，由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻S1和LO2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；S2延时2τ后变为S2’，在t+τ时刻，LO1和S2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于S1和LO2均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果通过第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2探测并进行差分后得到的差分电流信号可写为
其中，k为探测器响应系数，为信号光和本振光所携带相位之间的差，/>为长短臂的相位差。此时的测量结果为光信号的X分量（或I分量）。
LO1和S2’均为竖直偏振，二者可以进行干涉，由于S2具有π/2的相移，产生的干涉结果通过第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2探测并进行差分后得到的差分电流信号可写为
此时的测量结果为光信号的P分量（或Q分量）。
可以看出，只需要一套干涉仪和一套零差探测器进行时分复用，可以实现对待测信号X分量和P分量的测量。
如图4所示，本发明解码装置实施例二：
偏振延时移相模块包括第三偏振分束器PBS3和第二移相器PS2，第三偏振分束器PBS3的一个输出端口和一个输入端口通过第二移相器PS2相连，构成萨格纳克环，光信号在环内传输的时间为2τ。
实施例二具体工作过程包括为：
包含信号光S和本振光LO的光信号入射到第一分束器BS1的输入端口，S和LO的电场可分别写为
，
其中，分别为信号光S的幅度，角频率，初始相位；/>分别为本振光LO的幅度，角频率，初始相位。
假设信号光S比本振光LO超前时间τ，且二者的偏振态分别为竖直偏振和水平偏振。二者被第一分束器BS1分束后分别产生第一信号光分量S1、第二信号光分量S2和第一本振光分量LO1、第二本振光分量LO2，其中S1和LO1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播，经过90°偏振旋转模块后偏振态分别变为水平偏振和竖直偏振。
S2和LO2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，依次进入第三偏振分束器PBS3。由于S2为竖直偏振，被第三偏振分束器PBS3反射，进入萨格纳克环传播，经第二分束器第二移相器PS2进行π/2的相移后从第三偏振分束器PBS3的输出端口出射。LO2为水平偏振，直接从第三偏振分束器PBS3透射，不经过萨格纳克环传播。由于光信号在萨格纳克环内传播时间为2τ，因此S2相比LO2被延时2τ。
如图2所示，由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻S1和LO2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；S2延时2τ后变为S2’，在t+τ时刻，LO1和S2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于S1和LO2均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果通过第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2探测并进行差分后得到的差分电流信号可写为
其中，k为探测器响应系数，为信号光和本振光所携带相位之间的差，/>为长短臂的相位差。此时的测量结果为光信号的X分量（或I分量）。
LO1和S2’均为竖直偏振，二者可以进行干涉，由于S2具有π/2的相移，产生的干涉结果通过第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2探测并进行差分后得到的差分电流信号可写为
此时的测量结果为光信号的P分量（或Q分量）。
可以看出，只需要一套干涉仪和一套零差探测器进行时分复用，可以实现对待测信号X分量和P分量的测量。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种时分复用共轭零差探测装置，通过偏振延时移相模块将正交偏振分量进行不同的时间延迟和移相，可以使本振光和信号光之间的位置交换，实现在相邻两个时刻对两个共轭分量的测量，得到时分复用的共轭零差探测结果。只需要一套干涉仪和一套零差探测器，降低了探测装置的复杂度和成本。另外，对于本振光和信号光在相同和不同信道中传输的情形都适用，具有较高的实用性和通用性。
Claims (8)
1.一种时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，包括第一分束器BS1、第二分束器BS2、偏振延时移相模块、第一光电探测器PD1以及第二光电探测器PD2，
第一分束器BS1的两个输出端口和第二分束器BS2的两个输入端口分别连接，构成不等臂干涉仪，其中长臂L1上设置有90°偏振旋转模块，短臂L2上设置有偏振延时移相模块；
偏振延时移相模块用于对两个正交偏振分量产生预定延时差；并用于对延时较大的偏振分量进行移相；
第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2分别用于探测第二分束器BS2两个输出端口出射的光信号，并通过减法器产生差分电流信号；
所述差分电流信号为时分复用的X分量和P分量的测量结果，且X分量和P分量的测量结果交替出现。
2.根据权利要求1所述的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，所述偏振延时移相模块用于对两个正交偏振分量产生2τ的延时差，其中τ等于输入光信号中偏振相互正交的信号光和本振光之间的时间差；并用于对延时较大的偏振分量进行π/2相移；
不等臂干涉仪的长臂L1上光信号的传播时间与短臂L2上光信号两个正交偏振分量的传播时间分别相差±τ。
3.根据权利要求1所述的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，所述不等臂干涉仪的长臂L1上还设置有移相器，用于调节长短臂的相位差为π/4；偏振延时移相模块用于对延时较大的偏振分量进行2nπ的相移。
4.根据权利要求3所述的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，所述偏振延时移相模块包括第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2和第一移相器PS1，第一偏振分束器PBS1的两个输出端口和第二偏振分束器PBS2的两个输入端口相连，构成不等臂偏振干涉仪，所述第一移相器PS1设置在所述不等臂偏振干涉仪的长臂上，不等臂偏振干涉仪长短臂对应的时间差为2τ。
5.根据权利要求1所述的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，偏振延时移相模块包括第三偏振分束器PBS3和第二移相器PS2，第三偏振分束器PBS3的一个输出端口和一个输入端口通过第二移相器PS2相连，构成萨格纳克环，光信号在环内传输的时间为2τ。
6.根据权利要求5所述的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，所述探测装置内的光纤均为保偏光纤。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，第一分束器BS1的输入端口还设置有纠偏模块，用于校准输入光信号的偏振态。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，第一分束器BS1的输入端口还设置有偏振合束器，用于将分离的信号光和本振光进行偏振复用和时分复用，信号光为竖直偏振态，本振光为水平偏振态，二者之间的时间差为τ。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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