CN218648824U - 一种轨道角动量编码及复用的qkd网络系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，该系统包括Alice端，轨道角动量解复用单元和Bob端；所述Alice端包括信号调制装置、轨道角动量复用装置，所述轨道角动量解复用单元包括望远镜组件和轨道角动量分离装置；所述Bob端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制装置，M‑Z型轨道角动量分离装置与探测装置；所述信号调制装置产生的光信号依次进入到轨道角动量复用装置、望远镜组件和轨道角动量分离装置，然后传送至对应所述Bob端的偏振控制装置和M‑Z型轨道角动量分离装置中，最后进入到所述探测装置进行探测。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子信息以及光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种轨道角动量编码及复用的QKD网络系统。
背景技术
量子密钥分发是利用量子力学中的原理确保通信的安全性，它可以在通信的双方之间建立一个随机并且安全的密钥。量子密钥分发技术运用了海森堡不确定关系、量子不可克隆原理等量子物理学原理，在物理理论上可以达到无条件安全性。
光子具有自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)，自旋角动量与光子的偏振特性相关，轨道角动量则是当光束具有螺旋相位结构而产生的角动量。当光束携带轨道角动量时，光束的振幅函数中便含有方位角相位，其中是拓扑荷数，即轨道角动量的特征值，是除了传统的自由度：波长、频率、偏振等之外的另一个重要的自由度。
目前，关于自由空间量子密钥分发方案的研究多是基于点对点用户通信。为了实现一对多，甚至多对多的通信方案，必须先解决信息传输过程中的路由和寻址问题。理论上，轨道角动量的拓扑荷数可以达到无穷大，可以利用轨道角动量态作为载波携带量子信息，从而达到多用户传输的目的。
目前，轨道角动量的安全性已被理论和实验所证实。轨道角动量光束作为轨道角动量复用的信息载体，为提高自由空间量子通信系统的容量提供一种可行的方案。而如何有效地、非破坏性地分离涡旋光束的轨道角动量是涡旋光束在多路通信网络中应用的前提。
目前，轨道角动量光子态识别方案主要有以下几类：干涉衍射法：三角孔衍射法、平面波干涉法、镜像干涉法；以及旋转多普勒效应法和计算全息光栅法等。他们要么分离效率很低，要么破坏了原来的量子态，要么无法实现级联，或者是级联后极不稳定，且分离单光子级别的轨道角动量具有极大困难，这些缺点限制了轨道角动量光子态在轨道角动量复用量子通信中的应用。因此，必须对现有的基于轨道角动量复用的量子密钥分发进行进一步的改进。
现有技术中公开了一种多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统的专利，该专利包括Alice控制端、轨道角动量波分O-W型复用单元和Bob用户端；Alice控制端包括混合纠缠产生单元、SAM调制单元和符合测量单元；O-W型复用单元包括复用和解复用模块；Bob用户端包括n个Bob用户；混合纠缠产生单元产生携带多波长混合纠缠的闲置光和信号光,其中闲置光经解复用模块发送给不同的Bob用户,其对OAM进行调制加载信息，加载信息经复用模块发送至符合测量单元；信号光经SAM调制单元对SAM进行调制加载信息并发送至符合测量单元；复用模块和SAM调制单元发送的加载信息在符合测量单元进行测量解码；该专利实现了大容量的量子编解码通信，操作方便、用户数扩展能力强、通信中各用户相对独立、安全性高。然而该专利对于没有涉及任何有关如何用涡旋光子的运动方向来编码信息，用光子的轨道角动量拓扑荷数值作为复用寻址信息，从而实现自由空间的量子密钥分发的技术方案。
实用新型内容
本实用新型提供轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，该系统用涡旋光子的运动方向来编码信息，用光子的轨道角动量拓扑荷数值作为复用寻址信息，从而实现自由空间的量子密钥分发。
为了达到上述技术效果，本实用新型的技术方案如下：
一种轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，包括Alice端，轨道角动量解复用单元和Bob端；
所述Alice端包括信号调制装置、轨道角动量复用装置，所述轨道角动量复用装置包括空间光调制器和第一望远镜组件；
所述轨道角动量解复用单元包括第二望远镜组件和环形轨道角动量分离装置；
所述Bob端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制装置，M-Z型轨道角动量分离装置与探测装置；
所述信号调制装置产生的光信号依次进入所述空间光调制器、第一望远镜组件、第二望远镜组件和轨道角动量分离装置，所述轨道角动量分离装置根据光子所携带轨道角动量的绝对值将光子从不同的接收端端口输出；所述轨道角动量分离装置输出的信号光子将传送至对应端口Bob用户的偏振控制装置和M-Z型轨道角动量分离装置中，最后进入到所述探测装置进行探测；
所述空间光调制器为纯相位型透射式液晶空间光调制器，其波长范围为750-950nm，像元数量为1920x 1200，像素尺寸为8.0×8.0μm，填充率为95.6％。
所述第一望远镜组件的第一凸透镜焦距75mm，第二凸透镜焦距400mm。
所述探测器基于雪崩光电二极管的单光子探测器，波长范围在600-1550nm之间，最大门控频率1.25GHz，探测器效率≥10％。
进一步地，所述信号调制装置包括激光光源，衰减器，偏振控制器，激光光束在偏振控制器中进行偏振调制，得到空间光调制器可调制的单一偏振态，光束经过衰减器衰减为单光子态，最后传输到所述轨道角动量复用装置中。
进一步地，所述轨道角动量复用装置包括空间光调制器，计算机，第一，第二凸透镜；信号光子从空间光调制器出射后，具有不同的轨道角动量阶数，穿过第三凸透镜进入轨道角动量分离装置中。
进一步地，所述轨道角动量解复用单元包括第二望远镜组件和环形轨道角动量分离装置；所述第二望远镜组件包括一个双曲面凸透镜；所述轨道角动量分离装置包括第一分束器，电荷耦合元件，第三反射镜，若干级联的环形干涉仪，每个环形干涉仪包括入射端口，第二分束器，第一，第二反射镜，第一、第二达夫棱镜，波前校正器，出射反射端口，出射透射端口。
信号光子第二望远镜组件后，经过第一分束器和电荷耦合元件后，由入射端口进入到所述环形干涉仪中，接着进入环形干涉仪的第二分束器中，在所述第二分束器处形成第一光路和第二光路，其中第一光路路径为：一部分信号光子经第一反射镜反射，进入波前校正器，然后由波前校正器反射后经过第二反射镜后反射进入第一达夫棱镜，穿过第一达夫棱镜回到第二分束器中；第二光路路径为：另一部分信号光子通过第二分束器后经第二反射镜反射，进入波前校正器，然后由波前校正器反射经过第一反射镜后进入第二达夫棱镜，穿过第二达夫棱镜进入第二分束器中；两束光在第二分束器进行干涉，干涉后一部分信号光子从出射反射端口射出进入Bob端，另一部分信号光子从出射透射端口经过第三反射镜射出进入Bob端。
进一步地，若干环形干涉仪从前至后级联。任意一个前级的环形干涉仪的出射反射端口和出射透射端口可以通过下一级环形干涉仪的入射端口与下一级的环形干涉仪连接。任意一个前级的环形干涉仪的出射反射端口也可以连接Bob端，而出射透射端口可以通过第三反射镜连接Bob端。
进一步地，所述Bob端包括N个Bob用户，每个Bob用户分别与多级级联的最后一级即多个环形干涉仪的出射端口的任意一个端口连接。
进一步地，每个Bob用户包括偏振控制装置，M-Z型轨道角动量分离装置与探测装置，所述偏振控制装置包括第一、第二半波片，四分之一波片，M-Z型轨道角动量分离装置包括第一，第二偏振分束器，第四、第五反射镜，第三、第四达夫棱镜；所述探测装置包括第三偏振分束器，第一，第二探测器；
信号光子从所述轨道角动量分离装置中射出，进入第一偏振分束器后分为两路：偏振状态为水平的信号光子经过第三达夫棱镜后直接进入第二偏振分束器进行耦合；偏振状态为竖直的信号光子依次通过所述第四反射镜，第四达夫棱镜，第五反射镜后进入第二偏振分束器进行耦合，耦合后经过半波片，四分之一波片，然后进入第三偏振分束器，最后出射光分别在第一，第二探测器进行探测。
优选地，所述激光光源是特定波长的激光光源，输出激光波长为850nm，功率为1mw，所述偏振控制器输出偏振态设定为45°偏振，所述第一、第二分束器为50：50分束器。
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
本实用新型将轨道角动量拓扑荷数作为寻址信道使用，轨道角动量的正交特性，使同轴OV光束携带的信息能够在自由空间传输而不存在轨道角动量信道干扰；轨道角动量的拓扑荷数l和方位角
之间的不确定关系，使得利用轨道角动量承载信息具有很好的安全性；轨道角动量可以无限取值，通过空间光调制器调节光子轨道角动量可以复用任意多信息，每个轨道角动量对应一个用户端，可随用户端增加而扩展，可实现与任意多用户通信；利用自平衡的环形干涉仪分离轨道角动量，干涉仪两条光路加入两个达夫棱镜，可以分离单光子水平的轨道角动量，且可以实现稳定的级联，分离任意多光子轨道角动量，分离效率100％；Alice端能实现与Bob端的自由空间的量子网络通信的一对多通信，且用户间相互独立，且用户数可由轨道角动量复用的增加而扩展，具有良好的扩展性与较高的可实施性；以涡旋光束的旋转方向编码信息，在自由空间中涡旋光束的旋转方向不易受空间湍流影响，较稳定，具有较高可行性。
附图说明
图1为一种轨道角动量编码及复用的QKD网络系统示意图；
图2为环形干涉仪结构；
图3为多个环形干涉仪级联的结构示意图；
图4为M-Z型轨道角动量分离装置结构；
图5为Alice端结构示意图；
图6为Bob端结构示意图；
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示：为一种轨道角动量编码及复用的QKD网络系统结构。以分离四用户为例，包括Alice端101，轨道角动量解复用单元116和Bob端117，其中：
所述Alice端101与图5中508一致，包括信号调制装置和轨道角动量复用装置，所述信号调制装置包括光源和偏振控制装置；所述光源包括：激光光源501，偏振控制器502，衰减器503；所述轨道角动量复用装置包括空间光调制器504，计算机505和第一望远镜组件506、507。
所述轨道角动量解复用单元116包括第二望远镜组件和轨道角动量分离装置。所述第二望远镜组件含有双曲面凸透镜102，所述轨道角动量分离装置由第一分束器103，电荷耦合元件104，环形干涉仪105、107、110，全息图106，第三反射镜108、109、111。
所述Bob端117包括N个Bob用户，每个Bob用户与图6中612一致，包括偏振控制装置，M-Z型轨道角动量分离装置与探测装置，所述偏振控制装置包括半波片607，四分之一波片608，M-Z型轨道角动量分离装置包括第一偏振分束器601，第二偏振分束器603，第四反射镜604，第五反射镜606，第三达夫棱镜602，第四达夫棱镜605；所述探测装置包括第三偏振分束器609，第一探测器610，第二探测器611。
所述第三反射镜108、109、111是对轨道角动量进行补偿，环形干涉仪的出射透射端口出射的光子仅经过奇数次反射，因此±l被扭转成
经过第三反射镜时可以扭转为初始状态。
假设入射轨道角动量l＝±1,±2±3,±4，的光子，第一级环形干涉仪的达夫棱镜相对角度为π，第二级环形干涉仪的达夫棱镜相对角度为π/2，第一级环形干涉仪分离偶数和奇数OAM态光子，轨道角动量l＝±2,±4光子从出射反射端口经过全息图106进入第二级环形干涉仪107，轨道角动量l＝±1,±3的光子从出射透射端口进入第二级环形干涉仪110，接着l＝±2,±4光子在110被分离至Bob1和Bob2，l＝±1,±3光子在110被分离至Bob3和Bob4。
分离l＝±1的OAM态光子的M-Z型轨道角动量分离装置的达夫棱镜相对角度为π/2，分离l＝±2的OAM态光子的M-Z型轨道角动量分离装置的达夫棱镜相对角度为π/4，分离l＝±3的OAM态光子的M-Z型轨道角动量分离装置的达夫棱镜相对角度为π/6，分离l＝±4的OAM态光子的M-Z型轨道角动量分离装置的达夫棱镜相对角度为π/8，最终信号被成功传输到各自对应的Bob端，并被Bob成功识别。
实施例2
如2图所示，环形干涉仪包括入射端口201，第二分束器204，第一反射镜209，第二反射镜205，第一达夫棱镜208，第二达夫棱镜206，波前校正器207，出射透射端口202，出射反射端口203；
所述环形干涉仪对输入光子的作用描述如下：
设入射到环形干涉仪输入端口201进入第二分束器(BS)204的光子态为:
|in>BS＝|0>|1>
|0>表示真空态，|1>表示单光子态，下同。经第二分束器(BS)204的作用后，输出的光子态为：
上述式子表明光子从第二分束器(BS)204透射端和反射端输出的概率都是50％，但从反射端输出时附加了90°的相位跃变。光子再经过达夫棱镜的作用后，两条光路产生了lα的轨道角动量相位差，则环形干涉仪输出端第二分束器(BS)204的输入光子态为：
经过第二分束器(BS)204作用后的光子态变为：
|out>BS'＝1/2(1-eilα)|0>|1>+i/2(1+eilα)|1>|0>
上式表明，光子在第二分束器(BS)204中发生干涉，光子的相位发生了改变，改变大小为lα，当达夫棱镜的相对角度α为π时：
当轨道角动量阶数l为奇数时，第二分束器(BS)204光子输出态|out>BS'变为：|0>|1>，光子从第二分束器透射端口202出射。
当轨道角动量阶数l为偶数时，第二分束器(BS)204光子输出态|out>BS'变为：i|1>|0>，光子从第二分束器反射端口203出射。
如图3所示，为多个环形干涉仪级联的结构示意图，要实现与任意多用户通信，必须将图2所示环形干涉仪进行多级级联。每个级联的环形干涉仪出射透射端口都需要通过第三反射镜304、306、309、312、317、318、321与下一级的环形干涉仪连接，进行涡旋方向补偿。图3所示第一级级联单元301分离拓扑荷数l分别为偶数和奇数光子，第一级的环形干涉仪中的达夫棱镜108的旋转角度设置为π，全息图302改变OAM为Δl＝1；第二级有四个出射端口，达夫棱镜108的旋转角度设置为π/2，全息图310和314，Δl＝2；第三级有8个出射端口，达夫棱镜108旋转角度设置为π/22,第三级全息图设置为Δl＝3。n级环形干涉仪级联有2n个出射端口，可以和2n个Bob用户端进行通信，要使级联的干涉仪分离任意轨道角动量值，其中达夫棱镜的相对相位应该调整为π/2k-1，k表示为第k级级联的环形干涉仪，每一阶级联的环形干涉仪特定出射端口引入一个轨道角动量为Δl＝k(k为第k级联的环形干涉仪)的全息图来改变出射光子的轨道角动量，以满足下一级的干涉条件。光子从环形干涉仪的相应出射端口输出，自动路由寻址，轨道角动量分离效率100％，且不会破坏光子轨道角动量。因为整个分离装置均为无源器件，易于集成化，可以高效快速地分离轨道角动量，提高通信效率。轨道角动量态对应着相应的用户，可以随用户数进行扩展，实现一对多量子网络通信。
如图4所示，M-Z型轨道角动量分离装置包括第一偏振分束器401，第四反射镜404，第五反射镜406，第三达夫棱镜402、第四达夫棱镜405，第二偏振分束器403。
所述M-Z型轨道角动量分离装置两条光路的第三、第四达夫棱镜402、405组合成一个光束旋转器，当两条光路的达夫棱镜的相对角度为α/2时，达夫棱镜的作用等效于在其中一条光路加入旋转角度为α的光束旋转器，轨道角动量为l的光子入射到所述环形干涉仪产生lα的轨道角动量相位差。
所述M-Z型轨道角动量分离装置对输入光子的作用描述如下：
设从第一半波片进入M-Z型轨道角动量分离装置的第一偏振分束器(PBS1)401的光子态为：
|H>表示水平偏振态，|V>表示竖直偏振态，下同。经第一偏振分束器(PBS1)401的作用后，水平偏振态透射进入第一光路，竖直偏振态反射进入第二光路。
光子再经过达夫棱镜的作用后，两条光路产生了lα的轨道角动量相位差，则M-Z型轨道角动量分离装置输出端第一偏振分束器(PBS1)401的输出光子态为：
实施例3
如图5所示为Alice端，包括信号调制装置和轨道角动量复用装置，所述信号调制装置包括光源和偏振控制装置；所述光源包括：激光光源501，偏振控制器502，衰减器503；所述轨道角动量复用装置包括空间光调制器504，计算机505和第一望远镜组件506、507。
所述激光光源501发射850nm激光光束，所述偏振控制器将自由光子态偏转为正45°偏振态，输出光子如下：
所述衰减器503将激光光束衰减为单光子态，所述由计算机505控制的空间光调制器504进行任意拓扑荷数的轨道角动量调制。所述第一望远镜组件压缩激光光束的远场发散角，经准直后的光束再发射到自由空间当中。
实施例4
如图6所示为Bob端，包括偏振控制装置，M-Z型轨道角动量分离装置与探测装置，所述偏振控制装置包括半波片607，四分之一波片608，M-Z型轨道角动量分离装置包括第一偏振分束器601，第二偏振分束器603，第四反射镜604，第五反射镜606，第三达夫棱镜602，第四达夫棱镜605；所述探测装置包括第三偏振分束器609，第一探测器610，第二探测器611。
所述半波片607将不同轨道角动量光子的偏振态旋转为右旋圆偏振或左旋圆偏振。所述四分之一波片608将右旋圆偏振旋转为竖直偏振，而左旋圆偏振旋转为水平偏振。
从第二偏振分束器603出射的信号光子，经过半波片(HWP)607作用后，输出的光子态为：
光子在半波片(HWP)607中正负45°偏振光分别旋转成竖直和水平偏振光。设达夫棱镜模块的相对角度为π/4，轨道角动量阶数l为2时：
轨道角动量阶数l为负数时，半波片(HWP2)607光子输出光子态为右旋圆偏振。
轨道角动量阶数l为正数时，半波片(HWP2)607光子输出光子态为左旋圆偏振。
经过四分之一波片(QWP)608后，右旋圆偏振旋转为竖直偏振光，而左旋圆偏振旋转为水平偏振光。
经过第三偏振分束器(PBS3)609后，竖直偏振光被反射，左旋偏振光被透射，因此l为正数时，在第三偏振分束器(PBS3)609透射端出射，因此l为负数时，在第三偏振分束器(PBS3)609反射端出射。
需要分离不同轨道角动量值时，M-Z型轨道角动量分离装置的达夫棱镜的相对相位应该调整为π/2x，x表示为从环形干涉仪出射的轨道角动量阶数l为x。光子依据携带的不同轨道角动量从级联的环形干涉仪相应出射端口输出，输入Bob端后，在M-Z型轨道角动量分离装置的相应出射端口输出，实现信息传递。
实施例5
如图1所示：为一种轨道角动量编码及复用的QKD网络系统结构。以分离四用户为例，包括Alice端101，轨道角动量解复用单元116和Bob端117，其中：
所述Alice端101与图5中508一致，包括信号调制装置和轨道角动量复用装置，所述信号调制装置包括光源和偏振控制装置；所述光源包括：激光光源501，偏振控制器502，衰减器503；所述轨道角动量复用装置包括空间光调制器504，计算机505和第一望远镜组件506、507。
所述轨道角动量解复用单元116包括第二望远镜组件和轨道角动量分离装置。所述第二望远镜组件含有双曲面凸透镜102，所述轨道角动量分离装置由第一分束器103，电荷耦合元件104，环形干涉仪105、107、110，全息图106，第三反射镜108、109、111。
所述Bob端117包括N个Bob用户，每个Bob用户与图6中612一致，包括偏振控制装置，M-Z型轨道角动量分离装置与探测装置，所述偏振控制装置包括半波片607，四分之一波片608，M-Z型轨道角动量分离装置包括第一偏振分束器601，第二偏振分束器603，第四反射镜604，第五反射镜606，第三达夫棱镜602，第四达夫棱镜605；所述探测装置包括第三偏振分束器609，第一探测器610，第二探测器611。
所述第三反射镜108、109、111是对轨道角动量进行补偿，环形干涉仪的出射透射端口出射的光子仅经过奇数次反射，因此±l被扭转成
经过第三反射镜时可以扭转为初始状态。
系统量子密钥分发过程是：
所述Alice端101对应图5中508，所述激光光源501发射激光进入偏振控制器502和衰减器503后，得到偏振单光子态，编码后的信号态光子进入到空间光调制器504调制轨道角动量，空间光调制器由计算机505控制可调制任意轨道角动量态进行复用，每个轨道角动量的绝对值对应Bob端相应的用户，经过空间光调制器调制后的光子就可以和对应的用户建立量子信道进行通信；
OAM态光子进入到第一望远镜组件506、507，所述第一望远镜组件由两个共焦的凸透镜组成，激光光束为高斯光束，具有一定的远场发散角，所述第一望远镜组件压缩激光光束的远场发散角，经准直后的光束再发射到自由空间当中；接收端为轨道角动量解复用单元116，首先自由空间信号态光子被第二望远镜组件102接收，第二望远镜组件由一个双曲面凸透镜组成，主要起光学天线和空间滤波器的作用，滤除空间中的杂散光；OAM态光子通过第二望远镜组件进入轨道角动量分离装置。所述电荷耦合元件104用于实时监测激光脉冲的强度以及大气湍流造成的波前相位畸变，为时钟同步以及相位畸变补偿提供参考信息。所述环形干涉仪105、107、110对应图2中的210，所述波前校正器207可根据相位畸变的参考信息，改变光波波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来改变入射光波波前的相位结构，从而达到对光波波面相位进行补偿的目的。
以两级级联分离四个轨道角动量态为例说明OAM态光子自动信道寻址的过程：轨道角动量分离装置116可以实现发送方Alice端和对应接收方Bob端四个用户通信，假设轨道角动量复用装置中的空间光调制器504调制的光子轨道角动量为l＝±1,±2,±3,±4，则轨道角动量l＝±2的光子在环形干涉仪107的透射出射端口进入Bob1，l＝±4的光子从偏振分束器的反射出射端口射出进入Bob2，同理l＝±1,±3的光子分别进入Bob3和Bob4，OAM态光子根据携带的轨道角动量自动寻址进入相应的用户，高效且不会破坏信号光子所编码的信息；以Bob1用户端为例描述信号光子的探测过程，其结构如图6中612所示，信号光子进入第一偏振分束器601后，即进入M-Z型轨道角动量分离装置，分别变为正负45°偏振态，在半波片的作用下分别旋转成左旋、右旋圆偏振，在四分之一波片608的作用下左旋、右旋圆偏振分别旋转成水平、竖直偏振，最后在第三偏振分束器609进行分束，在探测器1即611和探测器2即610分别响应，当l为正时，探测器1响应，记为1；当l为负时，探测器2响应，记为0；Bob用户端根据记录的探测器响应的信息与Alice端记录的相位信息通过公开信道进行信息比对，经过筛选和后处理得到最终的密钥。上述为量子密钥分发的整个过程。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，包括Alice端，轨道角动量解复用单元和Bob端；
所述Alice端包括信号调制装置、轨道角动量复用装置，所述轨道角动量复用装置包括空间光调制器和第一望远镜组件；
所述轨道角动量解复用单元包括第二望远镜组件和环形轨道角动量分离装置；
所述Bob端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制装置，M-Z型轨道角动量分离装置与探测装置；
所述信号调制装置产生的光信号依次进入所述空间光调制器、第一望远镜组件、第二望远镜组件和轨道角动量分离装置，所述轨道角动量分离装置根据光子所携带轨道角动量的绝对值将光子从不同的接收端端口输出；所述轨道角动量分离装置输出的信号光子将传送至对应端口Bob用户的偏振控制装置和M-Z型轨道角动量分离装置中，最后进入到所述探测装置进行探测；
所述空间光调制器为纯相位型透射式液晶空间光调制器，其波长范围为750-950nm，像元数量为1920x 1200，像素尺寸为8.0×8.0μm，填充率为95.6％。
2.根据权利要求1所述的轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，所述信号调制装置包括激光光源，衰减器，偏振控制器，激光光束在偏振控制器中进行偏振调制，得到空间光调制器可调制的单一偏振态，光束经过衰减器衰减为单光子态，最后传输到所述轨道角动量复用装置中。
3.根据权利要求2所述的轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，所述轨道角动量复用装置包括空间光调制器，计算机，第一，第二凸透镜；信号光子从空间光调制器出射后，具有不同的轨道角动量阶数，穿过第三凸透镜进入轨道角动量分离装置中。
4.根据权利要求3所述的轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，所述轨道角动量解复用单元包括第二望远镜组件和环形轨道角动量分离装置；所述第二望远镜组件包括一个双曲面凸透镜；所述轨道角动量分离装置包括第一分束器，电荷耦合元件，第三反射镜，若干级联的环形干涉仪，每个环形干涉仪包括入射端口，第二分束器，第一，第二反射镜，第一、第二达夫棱镜，波前校正器，出射反射端口，出射透射端口；
信号光子第二望远镜组件后，经过第一分束器和电荷耦合元件后，由入射端口进入到所述环形干涉仪中，接着进入环形干涉仪的第二分束器中，在所述第二分束器处形成第一光路和第二光路，其中第一光路路径为：一部分信号光子经第一反射镜反射，进入波前校正器，然后由波前校正器反射后经过第二反射镜后反射进入第一达夫棱镜，穿过第一达夫棱镜回到第二分束器中；第二光路路径为：另一部分信号光子通过第二分束器后经第二反射镜反射，进入波前校正器，然后由波前校正器反射经过第一反射镜后进入第二达夫棱镜，穿过第二达夫棱镜进入第二分束器中；两束光在第二分束器进行干涉，干涉后一部分信号光子从出射反射端口射出进入Bob端，另一部分信号光子从出射透射端口经过第三反射镜射出进入Bob端。
5.根据权利要求4所述的轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，若干环形干涉仪从前至后级联，任意一个前级的环形干涉仪的出射反射端口和出射透射端口通过下一级环形干涉仪的入射端口与下一级的环形干涉仪连接；或者，任意一个前级的环形干涉仪的出射反射端口连接Bob端，而出射透射端口通过第三反射镜连接Bob端。
6.根据权利要求5所述的轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，所述Bob端包括N个Bob用户，每个Bob用户分别与多级级联的最后一级即多个环形干涉仪的出射端口的任意一个端口连接。
7.根据权利要求6所述的轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，每个Bob用户包括偏振控制装置，M-Z型轨道角动量分离装置与探测装置，所述偏振控制装置包括半波片，四分之一波片，M-Z型轨道角动量分离装置包括第一偏振分束器，第二偏振分束器，第四反射镜、第五反射镜，第三达夫棱镜、第四达夫棱镜；所述探测装置包括第三偏振分束器，第一探测器，第二探测器；
信号光子从所述轨道角动量分离装置中射出，进入第一偏振分束器后分为两路：偏振状态为水平的信号光子经过第三达夫棱镜后直接进入第二偏振分束器进行耦合；偏振状态为竖直的信号光子依次通过所述第四反射镜，第四达夫棱镜，第五反射镜后进入第二偏振分束器进行耦合，耦合后经过半波片，四分之一波片，然后进入第三偏振分束器，最后出射光分别在第一，第二探测器进行探测。
8.根据权利要求7所述的轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，所述激光光源是特定波长的激光光源，输出激光波长为850nm，功率为1mw。
9.根据权利要求8所述的轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，所述偏振控制器输出偏振态设定为45°偏振。
10.根据权利要求9所述的轨道角动量编码及复用的QKD网络系统，其特征在于，所述第一、第二分束器为50：50分束器。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114499839A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-13 | 华南师范大学 | 一种基于环形干涉仪的多用户oam-qkd系统及方法 |
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2021
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| CN114499839B (zh) * | 2021-12-30 | 2024-02-27 | 广东尤科泊得科技发展有限公司 | 一种基于环形干涉仪的多用户oam-qkd系统及方法 |
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