CN206775513U - 一种自稳定的强度调制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种自稳定的强度调制装置，用于对线偏振光进行强度调制，其中通过利用萨格纳克双向环结构为两个光分量提供了完全一致的光路，解决了现有技术中两个光路难以保持稳定一致的问题，从而实现了与环境无关的自稳定强度调制，并且改善了强度调制的范围及对比度。

Description

一种自稳定的强度调制装置

技术领域

本实用新型涉及光学强度调制技术领域，更具体地涉及量子密钥分发系统中的光学强度调制装置。

背景技术

量子通信作为国际通信领域的新兴方向和研究热点之一，近年研究进展较快，实用范围较广，相对于传统的通信领域，有了质的提高。而量子通信的关键点之一，就是量子秘钥分发。量子秘钥分发利用量子力学的基本原理，将随机数比特序列用光子承载，通过传统信道建立起一套量子秘钥，由此实现量子秘钥分发。由于量子不可复制等量子力学特性，量子密钥分发在原理上是绝对保密的，无法被窃听。因此，量子密钥分发相对于传统通信，有着无可比拟的优势。

在量子密钥分发系统中，信号光在由激光器产生之后，需要通过强度调制，来适配整个系统对光强度的要求。这就需要有相应的光强度调制的方案和装置,来提供对光信号强度的调制。现有的诸多强度调制方案中，最常用、也是实用范围最广的方案就是基于等臂干涉仪的强度调制方案。图1示意性地给出了基于等臂干涉仪的强度调制器的等效光路。如图1所示，这种强度调制器包括一个等臂干涉仪及偏振分束器，其中在等臂干涉仪的一个臂上设有相位调制器。在干涉仪的入口处，入射信号光由分束器分成两束光，分别沿着等臂干涉仪的两臂传输，其中一臂上的相位调制器对该路的光加上附加的相位。由于臂长相同，两路光在干涉仪的出口处同时汇合并且发生干涉，其相位差(相位调制器附加)决定了这两路光的干涉强度，从而达到强度调制的效果。

然而现有的这种方案，由于引入了等臂干涉仪，使得干涉仪的两臂臂长必须严格一致，以此来保证干涉的效果。但是在实际应用过程中，干涉仪的两臂臂长很难确保严格一致，所以导致干涉对比度不佳，产生的效果就是调制的对比度不高，也即调制最大光强和最小光强的比例不高，一般商用强度调制器的对比度典型值为100:1。除此之外，干涉时两臂的相位差也不能保持长期的稳定性,例如干涉仪两臂的长度容易受到温度等外界环境的影响而发生变化，这种变换将会在最后复合的信号上引入一个不希望且未知的相位差Δθ，从而造成强度调制结果产生漂移，为此通常还需要额外增加相应的强度反馈装置来弥补这种未知的变化。这就使在实际中该方案的强度调制效果不佳，稳定性不好，结构复杂，且成本较高，不利于大规模集成化的推广与应用。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提出了一种基于萨格纳克效应的强度调制装置，用于对线偏振光进行强度调制。在本实用新型中，利用萨格纳克双向环结构为两个光分量提供了完全一致的光路，解决了现有技术中两个光路难以保持稳定一致的问题；同时，借助两个偏振分光束在最终输出光强与两个光分量上的相位差之间建立了确定的对应关系，使得能够改善强度调制范围及对比度，实现与环境无关的自稳定强度调制效果。

根据本实用新型的一个方面，公开了一种无需额外相位反馈、可自行消除外部干扰而保持稳定的强度调制装置。该强度调制装置可以包括光学传输单元、第一偏振分束器、相位调制器以及第二偏振分束器。

所述光学传输单元可以被配置成将线偏振光传输至所述第一偏振分束器，并且将来自所述第一偏振分束器的光传输至所述第二偏振分束器。

所述第一偏振分束器可以被配置成将所述线偏振光分成第一分量和第二分量，且在反射端与透射端之间通过光纤连接以形成双向环光路。其中，所述第一分量和所述第二分量分别在所述第一偏振分束器的反射端和透射端输出且具有彼此垂直的偏振方向。

所述相位调制器可以被设置在所述双向环光路中，用于对所述第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成一个调制相位差，该调制相位差与输出的调制强度有关。

所述第一偏振分束器还可以进一步被配置成使经相位调制的所述第一分量和所述第二分量汇合并输出合成光。其中，所述合成光的偏振态相对于入射第一偏振分束器的线偏振光的偏振态的变化可以通过调制相位差来控制。

所述第二偏振分束器可以被配置成将所述合成光中的预设偏振方向上的分量输出，从而完成对入射线偏振光的光学强度的调制。

进一步地，在本实用新型中，所述光学传输单元可以为单模的光学元件，所述第一偏振分束器可以为单模到保偏的偏振分束器，所述第二偏振分束器可以为单模的偏振分束器，所述双向环光路中的光纤可以为保偏光纤。所述光学传输单元、所述第一偏振分束器和所述第二偏振分束器之间通过单模光纤连接，以保证各个光学元件之间偏振方向方面的关联要求。

优选地，所述光学传输元件、所述第一偏振分束器和所述第二偏振分束器及它们相互之间的单模的连接光路是由通过光学晶体和光耦合方式集成的微光学集成模块实现的，以避免因外界环境因素干扰导致各个光学元件之间偏振方向方面的关联要求不能实现。

优选地，所述第一偏振分束器的偏振方向可以取为H/V方向；所述第二偏振分束器的偏振方向可以取为P/N方向。

优选地，所述光学传输单元可以为单模的环形器。

优选地，所述相位调制器可以为电学的相位调制器。

借助本实用新型的强度调制装置，可以借助简单的光路结构对线偏振光实现与环境无关的自稳定的强度调制，其尤其适合对于强度调制稳定性和对比度要求高的量子通信领域中的应用场合。

附图说明

图1示意性地示出了现有技术的等臂干涉强度调制装置；

图2示意性地示出了根据本实用新型的自稳定的强度调制装置的一个示例性实施例；以及

图3示意性地示出了根据本实用新型的自稳定的强度调制装置的一个替换性实施例。

具体实施方式

在下文中，本实用新型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，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。

在20世纪初期，萨格纳克提出了一种可以旋转的环形干涉仪，其中借助分光镜将一束入射光分为彼此垂直的两束分量光，让这两束分量光在同一个光学环路内沿相反方向传播，两束光在沿环路循行一周后将同时回到分光镜处会合并发生干涉。当在光学环路平面内有旋转角速度时，所形成的干涉条纹将会发生移动，这就是通常所说的萨格纳克(sagnac)效应。萨格纳克效应最为一个广泛的应用就是用于进行转动传感，通常利用同一光纤绕成的光纤圈来提供上述的光学环路，由此构成一种光纤陀螺结构。

在萨格纳克效应的上述双向光路环结构的基础上，还衍生了一系列的应用。例如，现有技术中公开了可以在电流传感器中应用萨格纳克光路结构以提供非接触式的电流测量的技术方案；还公开了在基于偏振编码的量子密钥分发系统中应用萨格纳克光路结构来进行诸如诱变态信号光制备等技术，从而实现信号光的高效高速制备，避免了诸如因使用传统光纤偏振控制器等原因带来的缺陷。

针对现有光学强度调制方案采用双光路结构而引起的缺陷，本实用新型提出了一种具有与外部环境无关的自稳定能力的强度调制装置。在本实用新型中，利用萨格纳克双向环光路结构替代现有干涉调制方案中的双光路结构，由此避免与双光路变化差异相关的缺陷，从而能够提供与外界环境因素无关的、自稳定的强度调制效果。

图2示出了根据本实用新型的强度调制装置的示例性实施例。如图2所示，强度调制装置可以包括光学传输单元1、第一偏振分束器2、相位调制器3以及第二偏振分束器4。

光学传输单元1可以包括第一端口1A、第二端口1B和第三端口1C，其中，从第一端口1A输入的光将由第二端口1B输出，从第二端口1B输入的光将由第三端口1C输出。光学传输单元1可以为单模器件，用以提供单模的光传输路径。可选地，光学传输单元1的第一端口1A可以被用于接收待调制的线偏振光。待调制的线偏振光可以但不限于是由激光器提供。可选地，光学传输单元1可以为环形器。

第一偏振分束器2可以为单模到保偏的偏振分束器，且包括第一端口2A、反射端口2B和透射端口2C。在本发明中，可以利用保偏光纤连接第一偏振分束器2的反射端口2B和透射端口2C，由此形成一个双向环光路结构。

第一偏振分束器2的第一端口2A可以通过单模光纤连接光学传输单元1的第二端口1B，从而接收待调制的线偏振光。第一偏振分束器2将待调制的线偏振光分光成第一和第二线偏振光分量，第一和第二线偏振光分量可以例如分别从反射端口2B和透射端口2C输出，且两者偏振方向彼此垂直。分别从反射端口2B和透射端口2C输出的两个分量沿着相反的方向进入同一个双向环光路，并沿彼此相反的传播方向(顺时针和逆时针方向)历经相同光程绕环一圈后同时分别到达透射端口2C和反射端口2B。

与现有干涉强度调制方案类似地，本实用新型的强度调制方案中也需要设置相位调制器，且相位调制器3可以设置在双向环光路上。此时，与现有调制方案不同地，相位调制器3可以选择对第一和第二线偏振光分量中的任何一个进行相位调制，甚至可以对两个分量均进行调制。由于两个光分量在环路中具有相反的传播方向，因此容易使两个光分量在不同时刻经过相位调制器3，这意味着可以容易地选择某个分量进行相位调制，或者对两个分量分别进行不同的相位调制。相应地，此时可以方便地采用电学相位调制方案。

同时返回第一偏振分束器2的透射和反射端口的两个光分量发生汇合，并在第一端口2A输出合成光。在相位调制器3的作用下，该合成光的偏振态相对于待调制的线偏振光将会发生变化，且这种变化与相位调制器3在两个光分量之间施加的调制相位差有关。

由第一偏振分束器2的第一端口2A输出的合成光在单模光纤中返回光学传输单元1的第二端口1B，并被传输至第三端口1C。

第二偏振分束器4可以为单模的偏振分束器，其包括第一端口4A和第二端口4B。可选地，第二端口4B可以为反射端口。

第二偏振分束器4的第一端口4A可以通过单模光纤连接光学传输单元1的第三端口1C，从而接收第一偏振分束器2输出的合成光。第二偏振分束器4的第二端口4B可以被设置成仅输出来自第一端口4A的合成光中的特定偏振方向的分量，作为强度调制装置的输出结果。

下面将结合图2的强度调制装置进一步解释本实用新型的自稳定相位调制方案的工作原理。

在本实用新型中，待调制的线偏振光经光学传输单元1自第一端口2A进入第一偏振分束器2，且被其分光成第一线偏振光分量和第二线偏振光分量，并分别由反射端口2B和透射端口2C输出。假设在第一偏振分束器2中，透射端口2C对应于H偏振方向，反射端口2B对应于V偏振方向，则第一分量为V偏振方向的线偏振光，第二分量为H偏振方向的线偏振光，且两个分量可以例如由下列公式(1)来表示：

E_V＝A_V cos(ωt-kz)

E_H＝A_H cos(ωt-kz)

其中，E_V、E_H分别对应于第一分量(V偏振方向)和第二分量(H偏振方向)；A_V、A_H分别为两个分量的振幅，其大小与待调制的线偏振光的偏振方向、第一偏振分束器2的偏振方向等有关。

两个分量从第一偏振分束器2的不同端口沿不同方向同时进入双向环光路，并在其中沿相反的方向绕环传播。相位调制器3可以对两个分量进行不同的相位调制，例如在第一分量上施加调制相位θ_V和在第二分量上施加调制相位θ_H(θ_V和θ_H可以根据调制要求选择不同的数值)，从而在两个分量之间形成一个调制相位差Δθ(例如Δθ＝θ_V-θ_H)。

经相位调制的两个分量在绕环一周后将同时返回第一偏振分束器的透射和反射端口，此时两个分量可以由下列公式(2)来表示：

E_V＝A_V cos(ωt-kz+θ_V)＝A_V cos(ωt-kz+θ_H+Δθ)

E_H＝A_H cos(ωt-kz+θ_H)

本领域技术人员从公式(2)中能够认识到，此时由第一和第二分量在第一偏振分束器2处汇合输出的合成光的偏振态(亦即偏振态的相对变化)与调制相位差Δθ有关。

针对这种合成光，设置具有特定偏振方向的第二偏振分束器4。根据马吕斯定律可知，通过配置该第二偏振分束器4可以选择输出合成光中特定偏振方向的分量，且这种选择输出的分量的强度与合成光的偏振态、亦即在双向环光路中施加的调制相位差Δθ有关。

由于在双向环光路中，两个分量在相位调制过程中会在相同时间内历经完全相同的光路，因此，诸如温度等外部环境因素可能造成的影响会相同地作用于这两个分量上，相应地，在两个分量的调制相位差Δθ上将不会体现这些外部影响，即，来自外部环境的影响被自动消除了，调制相位差Δθ仅受相位调制器的作用。反映到强度调制结果上，来自外部环境的影响同样是自动消除，本实用新型的强度调制方案能够在变化的外部环境中自行保持稳定的强度调制输出，从而实现强度调制的长时间稳定及极大改善的调制范围和对比度。

通过理解前面解释的本实用新型的强度调制方案的工作原理，本领域技术人员能够认识到，在本实用新型的强度调制方案中，光的偏振态在传播过程中的稳定性也是保证调制效果的一个重要因素。申请人进一步认识到，在图2所示的强度调制装置中，光学传输单元、第一偏振分束器和第二偏振分束器之间的传输光路是通过单模光纤实现的，而在使用过程中，单模光纤的偏振方向可能会随着外界环境变化而不稳定(例如因环境因素对光纤造成扰动，使得光纤的偏振投影方向发生变化)，由此会对在其中传播的光的偏振态造成干扰，从而不期望地造成偏振态的变化。

针对这一问题，图3中示出了根据本实用新型的一个替换性实施例。如图3所示，在该替换性实施例中，图2中的光学传输元件、第一偏振分束器和第二偏振分束器以及它们之间的单模光纤连接可以借助光集成技术，通过光学晶体和光耦合的方式以微光学集成模块的形式一体形成，从而省略了单模光纤的使用，进一步消除了环境因素对调制结果的影响，有效保证了光学调制效果的稳定性；同时，还减少了光学器件的个数和光路连接的复杂性，使得生产成本进一步降低。

在本实用新型的一个优选实施例中，待调制的线偏振光可以为P线偏振光，第一偏振分束器的偏振方向可以取为H/V偏振，第二偏振分束器的偏振方向可以取为P/N偏振方向。在这种设置下，在强度调制装置中可以建立简单的调制光强输出与调制相位差Δθ的对应关系，并提供大的强度调制范围和高的对比度。

综上所述，本实用新型所提出的基于萨格纳克双向环光路的调制方案，能够自行消除外部环境因素对调制相位差的影响，而无需设置任何反馈装置，且与已知的强度调制方案相比，在强度调制范围、精度、对比度、稳定性及可控性方面均有很大改进，这尤其有利于强度调制装置在量子密钥分发技术中的应用。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型的光学强度调制装置进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。

Claims (8)

1.一种自稳定的强度调制装置，其包括光学传输单元(1)、第一偏振分束器(2)、相位调制器(3)以及第二偏振分束器(4)，其中：

所述光学传输单元(1)被配置成将线偏振光传输至所述第一偏振分束器(2)，以及将来自所述第一偏振分束器(2)的光传输至所述第二偏振分束器(4)；

所述第一偏振分束器(2)被配置成将所述线偏振光分成第一分量和第二分量，且在其反射端与透射端之间通过光纤连接以形成双向环光路，其中所述第一分量和所述第二分量分别在所述反射端和所述透射端输出且具有彼此垂直的偏振方向；

所述相位调制器(3)被设置在所述双向环光路中，用于对所述第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成调制相位差；

所述第一偏振分束器(2)还进一步配置成使经相位调制的所述第一分量和所述第二分量汇合并输出合成光；以及

所述第二偏振分束器(4)被配置成将所述合成光中的预设偏振方向上的分量输出。

2.如权利要求1所述的强度调制装置，其中，所述光学传输单元(1)为单模的光学元件，所述第一偏振分束器(2)为单模到保偏的偏振分束器，所述第二偏振分束器(4)为单模的偏振分束器，所述双向环光路中的光纤为保偏光纤。

3.如权利要求2所述的强度调制装置，其中，所述光学传输单元(1)、所述第一偏振分束器(2)和所述第二偏振分束器(4)之间通过单模光纤连接。

4.如权利要求2所述的强度调制装置，其中，所述光学传输单元(1)、所述第一偏振分束器(2)和所述第二偏振分束器(4)及相互之间的单模的连接光路是由通过光学晶体和光耦合方式集成的 微光学集成模块实现的。

5.如权利要求3所述的强度调制装置，其中，所述第一偏振分束器(2)的偏振方向为H/V方向，所述第二偏振分束器(4)的偏振方向为P/N方向。

6.如权利要求4所述的强度调制装置，其中，所述第一偏振分束器(2)的偏振方向为H/V方向，所述第二偏振分束器(4)的偏振方向为P/N方向。

7.如权利要求1-6中任一项所述的强度调制装置，其中，所述光学传输单元(1)为环形器。

8.如权利要求1-6中任一项所述的强度调制装置，其中，所述相位调制器(3)为电学相位调制器。