ES2886978B2

ES2886978B2 - DEVICE AND PROCEDURE FOR AUTOMATIC MONITORING OF POLARIZATION

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Publication number: ES2886978B2
Application number: ES202030592A
Authority: ES
Inventors: Natalia Denisenko; Mármol Verónica Fernández
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2022-12-30
Anticipated expiration: 2040-06-18
Also published as: ES2886978A1; WO2021255312A1

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE SEGUIMIENTO AUTOMÁTICO DE DEVICE AND PROCEDURE FOR AUTOMATIC TRACKING OF

POLARIZACIÓNPOLARIZATION

OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION

El objeto de la invención pertenece al campo de las comunicaciones cuánticas y describe un dispositivo y procedimiento que, mediante un control activo, permiten determinar la inclinación de la polarización recibida desde un emisor en un receptor entre los cuales se realiza una distribución cuántica de clave, permitiendo la reorientación de dicha polarización a un estado predeterminado de óptima alineación entre los ejes de emisor y receptor.The object of the invention belongs to the field of quantum communications and describes a device and procedure that, by means of active control, make it possible to determine the inclination of the polarization received from a transmitter in a receiver between which a quantum key distribution is carried out, allowing the reorientation of said polarization to a predetermined state of optimal alignment between the emitter and receiver axes.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

En la actualidad, en un mundo en el que el flujo de datos por Internet es constante, la seguridad de la información que circula por él ha cobrado una especial relevancia. En este contexto, es especialmente preocupante la aparición del ordenador cuántico, que amenaza los protocolos de cifrado tradicionales, que protegen, por ejemplo, las operaciones online del día a día. Ya sean transacciones bancarias, comercio electrónico, o la confidencialidad de las comunicaciones, los futuros avances tecnológicos en computación ponen en jaque la manera actual de proteger la información.At present, in a world in which the flow of data over the Internet is constant, the security of the information that circulates through it has gained special relevance. In this context, the appearance of the quantum computer is especially worrying, which threatens traditional encryption protocols, which protect, for example, day-to-day online operations. Whether banking transactions, electronic commerce, or the confidentiality of communications, future technological advances in computing put the current way of protecting information in check.

Una solución ante este escenario es la llamada distribución cuántica de claves (QKD, Quantum Key Distríbution), un protocolo de comunicación que, utilizando principios cuánticos, ofrece una forma verificablemente segura de transmitir una clave de cifrado a través de un canal inseguro, entre dos usuarios. Concretamente, la seguridad de la QKD se basa en dos propiedades de la física cuántica: el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que postula que si el bit cuántico o qubit no es leído con la base de medidas correcta su información se altera, y el Teorema de la No Clonación, por el que no se puede copiar un estado cuántico desconocido.One solution to this scenario is the so-called Quantum Key Distribution (QKD), a communication protocol that, using quantum principles, offers a verifiably secure way of transmitting an encryption key through an insecure channel, between two users. Specifically, the security of the QKD is based on two properties of quantum physics: the Heisenberg Uncertainty Principle, which postulates that if the quantum bit or qubit is not read with the correct measurement base, its information is altered, and the Theorem of No Cloning, whereby an unknown quantum state cannot be copied.

En lo protocolos más utilizados, el qubit se codifica a través de estados de fase o polarización de fotones individuales sujetos a un Principio de Incertidumbre, que luego son transmitidos por fibra óptica o espacio libre. Aunque la transmisión por fibra óptica haya experimentado un mayor crecimiento, debido a la absorción del medio, posee un rango máximo de unos 400 km.In the most widely used protocols, the qubit is encoded through phase or polarization states of individual photons subject to an Uncertainty Principle, which are then transmitted by fiber optics or free space. Although fiber optic transmission has experienced a greater growth, due to the absorption of the medium, it has a maximum range of about 400 km.

Sin embargo, la transmisión a través de espacio libre ofrece la posibilidad de una comunicación cuántica global mediante redes de satélites o estaciones auxiliares en vuelo como pueden ser vehículos no tripulados, plataformas de gran altitud, etc. La transmisión a través de espacio libre también resulta de utilidad donde la instalación de fibra óptica es imposible por el entorno o en lugares donde su instalación no es viable, como escenarios militares, entre plataformas móviles o de utilización temporal; o cuando la infraestructura de fibra óptica se ha dañado, debido, por ejemplo, a catástrofes naturales.However, transmission through free space offers the possibility of global quantum communication through satellite networks or auxiliary stations in flight such as unmanned vehicles, high-altitude platforms, etc. The transmission through free space is also useful where the installation of fiber optics is impossible due to the environment or in places where its installation is not feasible, such as military scenarios, between mobile platforms or for temporary use; or when the fiber optic infrastructure has been damaged, due to, for example, natural disasters.

Durante las dos últimas décadas se ha demostrado la fiabilidad de distintos protocolos a través de fibra óptica. Sin embargo, su implementación en espacio libre supone tantas ventajas como retos, siendo una de estas ventajas la posibilidad de intercambiar las claves entre dos puntos cualesquiera del planeta utilizando un nodo auxiliar, como un satélite, para conseguir redes de gran alcance, o un vehículo aerotransportado móvil, como puede ser un dron, en el caso de redes de comunicación inalámbrica de menor alcance. Sin embargo, como principal reto se tiene que, debido al movimiento relativo entre las plataformas móviles, desde el punto de vista del receptor se produce un desalineamiento de la polarización enviada respecto a los ejes de referencia de recepción.During the last two decades, the reliability of different protocols through fiber optics has been demonstrated. However, its implementation in free space entails as many advantages as challenges, one of these advantages being the possibility of exchanging keys between any two points on the planet using an auxiliary node, such as a satellite, to achieve long-range networks, or a vehicle. mobile airborne, such as a drone, in the case of shorter-range wireless communication networks. However, the main challenge is that, due to the relative movement between the mobile platforms, from the receiver's point of view, there is a misalignment of the polarization sent with respect to the reception reference axes.

Por lo tanto, uno de los retos para lograr enlaces de QKD entre emisor y receptor entre los que al menos uno de ellos es móvil y en espacio libre es lograr corregir el desajuste relativo que se puede producir entre ambos, compensando la diferencia angular entre los ejes de coordenadas de ambos sistemas de referencia, con el objetivo de que se mantengan alineados durante toda la distribución de clave.Therefore, one of the challenges to achieve QKD links between transmitter and receiver between which at least one of them is mobile and in free space is to correct the relative mismatch that can occur between them, compensating for the angular difference between the two. coordinate axes of both reference systems, with the aim of keeping them aligned throughout the key distribution.

Según lo anterior, es necesario un dispositivo activo que pueda mantener la alineación entre ambos sistemas de referencia en cuanto a la polarización para que la orientación relativa entre ambas plataformas siempre coincida. Hasta el momento, se ha realizado un dispositivo de seguimiento de polarización por la agencia espacial japonesa (JAXA), basado en la emisión de dos estados de polarización alternantes. Elegir este tipo de implementación implica la necesidad del uso de un modulador de polarización, que necesita estar montado en el emisor, lo que aumenta el peso y la complejidad de la plataforma que suele ser móvil (satélite, dron, etc.). According to the above, an active device is necessary that can maintain the alignment between both reference systems in terms of polarization so that the relative orientation between both platforms always coincides. So far, a polarization tracking device has been realized by the Japanese space agency (JAXA), based on the emission of two alternating polarization states. Choosing this type of implementation implies the need to use a polarization modulator, which needs to be mounted on the emitter, which increases the weight and complexity of the platform that is usually mobile (satellite, drone, etc.).

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

El objeto de invención es un dispositivo y procedimiento de seguimiento de polarización que permite dar respuesta al problema del desalineamiento de la polarización enviada respecto a los ejes de referencia de un emisor y un receptor, entre los que se realiza una distribución cuántica de claves.The object of the invention is a polarization monitoring device and procedure that allows a response to the problem of the misalignment of the polarization sent with respect to the reference axes of a transmitter and a receiver, between which a quantum distribution of keys is carried out.

Para ello, el dispositivo objeto de invención se asocia a un emisor configurado para emitir una señal de envío cuántica, compuesta por fotones individuales y que contiene una información que se desea transmitir, y una señal de referencia, con una polarización paralela a uno de los estados del protocolo de distribución cuántica de claves. La señal de referencia es una señal brillante emitida por un láser en continua. Ambas señales se reciben en el dispositivo y, mediante un control activo, se determina la inclinación de la polarización recibida, y se reorienta a un estado predeterminado de óptima alineación entre los sistemas de referencia de emisor y receptor. Por lo tanto, permite corregir la orientación relativa del emisor sin información previa de éste, y llevarla al punto de óptima alineación con respecto al receptor.For this, the device object of the invention is associated with an emitter configured to emit a quantum sending signal, made up of individual photons and containing information to be transmitted, and a reference signal, with a polarization parallel to one of the states of the quantum key distribution protocol. The reference signal is a bright signal emitted by a continuous laser. Both signals are received at the device and, through active control, the tilt of the received polarization is determined, and reoriented to a predetermined state of optimal alignment between the emitter and receiver reference systems. Therefore, it allows correcting the relative orientation of the emitter without prior information from it, and taking it to the point of optimal alignment with respect to the receiver.

La inclinación de la polarización recibida viene determinada por el ángulo relativo A^ entre emisor y receptor, concretamente entre sus sistemas de coordenadas, y es el que conduce a errores en la transmisión de clave cuántica. Para corregir estos errores habrá que detectar el ángulo A^ y de alguna forma girar (rotar) los estados de polarización de la señal de envío llegados desde el emisor para hacerlos coincidir con el sistema de coordenadas del receptor.The inclination of the received polarization is determined by the relative angle A^ between transmitter and receiver, specifically between their coordinate systems, and it is what leads to errors in the quantum key transmission. To correct these errors, it will be necessary to detect the angle A^ and in some way rotate (rotate) the polarization states of the sending signal arrived from the emitter to make them coincide with the receiver's coordinate system.

Concretamente, el dispositivo de seguimiento de polarización, primer objeto de invención, está asociado al receptor, recibiendo una señal de envío de información que envía el emisor, de longitud de onda As hacia el receptor, y un haz o señal de referencia, polarizada en la misma dirección que uno de los estados cuánticos y con una longitud de onda \ r distinta de As. La señal de referencia será un haz linealmente polarizado, cuyo campo eléctrico se define en función del tiempo como:Specifically, the polarization tracking device, the first object of the invention, is associated with the receiver, receiving a signal for sending information sent by the emitter, of wavelength As towards the receiver, and a beam or reference signal, polarized in the same direction as one of the quantum states and with a wavelength \ r other than As. The reference signal will be a linearly polarized beam, whose electric field is defined as a function of time as:

£ = £0. e~ja)t£ = £0. e~ja)t

Donde £0 es la amplitud del campo, ^m es la frecuencia angular de la onda, siendo ^m= 2nc/Ar , donde c es la velocidad de la luz en el vacío y Ar es la longitud de onda. Where £0 is the amplitude of the field, ^m is the angular frequency of the wave, where ^m = 2nc/Ar , where c is the speed of light in a vacuum and Ar is the wavelength.

El dispositivo de seguimiento de polarización comprende, en primer lugar, un módulo electro-óptico, asociado al receptor, que es el encargado de separar la señal de referencia de la señal de envío, que llega hasta el receptor, así como de analizar la polarización de la señal de referencia.The polarization monitoring device comprises, firstly, an electro-optical module, associated with the receiver, which is in charge of separating the reference signal from the sending signal, which reaches the receiver, as well as analyzing the polarization of the reference signal.

Preferentemente, el módulo electro-óptico comprende un espejo dicroico (DM, Dichroic Mirror) que separa la señal de referencia de la señal de envío y un bloque detector, donde se analiza la polarización de la señal de referencia.Preferably, the electro-optical module comprises a dichroic mirror (DM, Dichroic Mirror) that separates the reference signal from the sending signal and a detector block, where the polarization of the reference signal is analyzed.

A continuación del espejo, el módulo electro-óptico puede comprender un divisor de haz sensible a la polarización (PBS, Polarizing Beam Splitter), que divide el campo óptico de la señal de referencia en sus componentes perpendiculares.Downstream of the mirror, the electro-optical module can comprise a Polarizing Beam Splitter (PBS), which splits the optical field of the reference signal into its perpendicular components.

Seguidamente, el módulo electro-óptico puede comprender un detector balanceado (DB) formado por dos fotodetectores, que reciben las componentes del campo y que generan una señal eléctrica proporcional a la diferencia de potencia óptica de las señales.Next, the electro-optical module can comprise a balanced detector (DB) made up of two photodetectors, which receive the components of the field and which generate an electrical signal proportional to the difference in optical power of the signals.

Por último, el módulo electro-óptico puede comprender un dispositivo de acondicionamiento de señales, configurado para realizar los ajustes necesarios sobre la señal eléctrica producida.Finally, the electro-optical module can comprise a signal conditioning device, configured to make the necessary adjustments to the electrical signal produced.

En segundo lugar, el dispositivo comprende un módulo de control, conectado al módulo electro-óptico y encargado de obtener y analizar la señal que proporciona el detector balanceado en el módulo electro-óptico.Secondly, the device comprises a control module, connected to the electro-optical module and in charge of obtaining and analyzing the signal provided by the balanced detector in the electro-optical module.

En tercer lugar, el dispositivo comprende un módulo electro-mecánico, situado en el receptor, antes del espejo dicroico, conectado al módulo electro-óptico y que es el encargado de girar la polarización del haz incidente, es decir, de la señal de referencia y de la señal de envío, de manera que la comunicación entre emisor y receptor sea óptima.Thirdly, the device comprises an electro-mechanical module, located in the receiver, before the dichroic mirror, connected to the electro-optical module and which is in charge of rotating the polarization of the incident beam, that is, of the reference signal. and the sending signal, so that communication between sender and receiver is optimal.

Para ello, el módulo electro-mecánico comprende preferentemente una lámina retardadora de media onda (HWP, Half Wave Plate), posicionada entre el emisor y el espejo dicroico, que rota la polarización del haz incidente, tanto de la señal de referencia como de la señal de envío. Conectado a la lámina retardadora, el módulo electro mecánico puede comprender un actuador, asociado al módulo de control y configurado para poder ajustar la posición angular de la lámina.For this, the electro-mechanical module preferably comprises a half wave retarder plate (HWP, Half Wave Plate), positioned between the emitter and the dichroic mirror, which rotates the polarization of the incident beam, both of the reference signal and of the shipping sign. Connected to the retarder foil, the electro mechanical can comprise an actuator, associated to the control module and configured to be able to adjust the angular position of the blade.

Un segundo objeto de invención es un procedimiento de seguimiento de polarización, que puede hacer uso del dispositivo anterior. Una primera etapa del procedimiento es el envío desde el emisor de la señal de referencia espacial y temporalmente coincidente con la señal de envío cuántica, de distinta (aunque muy cercana) longitud de onda con una polarización lineal que coincida con uno de los estados del protocolo QKD implementado.A second object of the invention is a polarization tracking method, which can make use of the previous device. A first stage of the procedure is the sending from the sender of the spatial and temporal reference signal coinciding with the quantum sending signal, of a different (although very close) wavelength with a linear polarization that coincides with one of the protocol states. QKD implemented.

Al ser el aire un medio no birrefringente, la polarización de la señal de referencia se ve modificada solamente por el movimiento relativo entre las plataformas de emisor y receptor, y dicha modificación es la misma para la señal de envío y la señal de referencia para el seguimiento de polarización. La señal de referencia es un haz linealmente polarizado, cuyo campo eléctrico se define en función del tiempo como:Since air is a non-birefringent medium, the polarization of the reference signal is modified only by the relative movement between the emitter and receiver platforms, and said modification is the same for the sending signal and the reference signal for the receiver. polarization tracking. The reference signal is a linearly polarized beam, whose electric field is defined as a function of time as:

£ = £0.e~icit£ = £0.e~icit

Una segunda etapa consiste en la separación, preferentemente en el módulo electroóptico, particularmente en el espejo dicroico, de la señal de envío y la señal de referencia, llegando la señal de envío al receptor.A second stage consists of the separation, preferably in the electro-optic module, particularly in the dichroic mirror, of the sending signal and the reference signal, the sending signal reaching the receiver.

En una tercera etapa se realiza la separación de las componentes del campo eléctrico del haz de referencia en su componente vertical y horizontal. Esta tercera etapa se realiza preferentemente en el divisor de haz, dando lugar a dos campos ópticos £x y £y . La relación entre ambas componentes viene dada por el ángulo de polarización que forma el campo eléctrico en su proyección sobre el eje horizontal x.In a third stage, the components of the electric field of the reference beam are separated into their vertical and horizontal components. This third stage is preferably carried out in the beam splitter, giving rise to two optical fields £xy £y . The relationship between both components is given by the polarization angle formed by the electric field in its projection on the horizontal x axis.

En la cuarta etapa se procede al análisis, en el módulo de control, de las intensidades de la luz que dependerán del ángulo de polarización de llegada y, en función de éste, se generará una señal para girar la lámina de media onda necesaria para realinear la polarización de llegada de la señal de referencia con respecto al receptor.In the fourth stage, the analysis is carried out, in the control module, of the light intensities that will depend on the arrival polarization angle and, based on this, a signal will be generated to rotate the half-wave sheet necessary to realign the arrival polarization of the reference signal with respect to the receiver.

Finalmente, en una última etapa del procedimiento, se realiza la rotación del estado de referencia, así como del estado cuántico coincidente con él por medio del módulo electro-mecánico preferentemente. Finally, in a last stage of the procedure, the rotation of the reference state is carried out, as well as the quantum state coinciding with it, preferably by means of the electro-mechanical module.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of its practical embodiment, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, with an illustrative and non-limiting nature, the following has been represented:

Figura 1.- Muestra una vista del ángulo relativo entre los sistemas de referencia de emisor y receptor.Figure 1.- Shows a view of the relative angle between the emitter and receiver reference systems.

Figura 2.- Muestra una representación esquemática general del dispositivo de seguimiento asociado al receptor.Figure 2.- Shows a general schematic representation of the tracking device associated with the receiver.

Figura 3.- Muestra una representación esquemática detallada del dispositivo de seguimiento.Figure 3.- Shows a detailed schematic representation of the tracking device.

Figura 4.- Muestra la relación entre ambos componentes del campo eléctrico £x y £y. Figure 4.- Shows the relationship between both components of the electric field £x and £y.

Figura 5.- Muestra la tensión VDB en función del ángulo de polarización para dos intensidades de luz diferentes.Figure 5.- Shows the VDB voltage as a function of the polarization angle for two different light intensities.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

Se describe a continuación, con ayuda de las figuras 1 a 5, una realización preferente del dispositivo y procedimiento de seguimiento de polarización, objeto de la presente invención.A preferred embodiment of the polarization tracking device and method, object of the present invention, is described below with the help of figures 1 to 5.

En la figura 1 se muestra un emisor (1) y un receptor (2) entre los que se lleva a cabo una distribución cuántica de claves (QKD). Asociado tanto a emisor (1) como a receptor (2) se muestra un sistema de referencia. Además, en la figura 1 se representa un ángulo relativo A^ entre ambos sistemas de coordenadas, que es el que conduce a errores en la transmisión de clave cuántica, al ser al menos el emisor (1) o el receptor (2) móviles. Figure 1 shows a transmitter (1) and a receiver (2) between which a quantum key distribution (QKD) is carried out. Associated with both emitter (1) and receiver (2) a reference system is shown. In addition, figure 1 represents a relative angle A^ between both coordinate systems, which is what leads to errors in the quantum key transmission, since at least the transmitter (1) or receiver (2) is mobile.

El dispositivo de seguimiento de polarización, primer objeto de invención y representado esquemáticamente en la figura 2, está asociado al receptor (2), que recibe una señal de envío del emisor (1), de longitud de onda As, y un haz o señal de referencia, polarizada en la misma dirección que uno de los estados cuánticos y con una longitud de onda Ar , distinta de As. La señal de referencia será un haz linealmente polarizado, cuyo campo eléctrico se define en función del tiempo como:The polarization tracking device, the first object of the invention and represented schematically in Figure 2, is associated with the receiver (2), which receives a signal sent from the emitter (1), of wavelength As, and a beam or signal reference signal, polarized in the same direction as one of the quantum states and with a wavelength Ar, different from As. The reference signal will be a linearly polarized beam, whose electric field is defined as a function of time as:

£ = £0 -e~]ü)t (10) £ = £0 -e~]ü)t (10)

Donde £0 es la amplitud del campo, ^m es la frecuencia angular de la onda. La irradiancia (o la intensidad de la onda óptica) se mide en vatios por metro cuadrado [W /m 2] y se calcula como:where £0 is the amplitude of the field, ^m is the angular frequency of the wave. Irradiance (or the intensity of the optical wave) is measured in watts per square meter [W /m 2 ] and is calculated as:

Donde £• £* es el producto de campo eléctrico por el conjugado del mismo y Zes la impedancia de la onda que se expresa en ohmios y en el caso de la propagación en el aire es aproximadamente igual a 377 ü.Where £• £* is the product of the electric field by its conjugate and Zes the impedance of the wave that is expressed in ohms and in the case of propagation in air is approximately equal to 377 ü.

Introduciendo (10) en (20) se puede ver que la irradiancia es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud del campo eléctrico:Plugging (10) into (20) it can be seen that the irradiance is directly proportional to the square of the amplitude of the electric field:

El dispositivo, que se muestra más detalladamente en la figura 3 comprende, en primer lugar, un módulo electro-óptico (3) asociado al receptor (2), que comprende a su vez un espejo dicroico (31) (DM, Dichroic Mirror) al que llegan la señal de envío y la señal de referencia, y en el que se refleja esta última, separándose la señal de referencia de la señal de envío, que llega al receptor (2), como se muestra en la figura 3. El módulo electro-óptico comprende también un bloque detector (32), posicionado a continuación del espejo dicroico (31), donde se genera una señal que es función del ángulo de polarización de la señal de referencia.The device, which is shown in more detail in Figure 3, comprises, firstly, an electro-optical module (3) associated with the receiver (2), which in turn comprises a dichroic mirror (31) (DM, Dichroic Mirror). to which the sending signal and the reference signal arrive, and in which the latter is reflected, separating the reference signal from the sending signal, which arrives at the receiver (2), as shown in figure 3. The The electro-optical module also comprises a detector block (32), positioned after the dichroic mirror (31), where a signal is generated that is a function of the polarization angle of the reference signal.

El bloque detector (32) comprende un divisor de haz (321) sensible a la polarización (PBS, Polarizing Beam Splitter), que divide el campo óptico de la señal de referencia en sus componentes perpendiculares, una componente horizontal y una componente vertical, dando lugar a dos campos ópticos, denominados £x y £y. La relación entre ambos componentes viene dada por el ángulo ^ , que indica el ángulo de polarización del campo eléctrico en su proyección sobre el eje horizontal x, tal y como se muestra en la figura 4. Por lo tanto, a la salida del divisor de haz (321) se tendrá:The detector block (32) comprises a polarization sensitive beam splitter (321) (PBS, Polarizing Beam Splitter), which divides the optical field of the reference signal into its perpendicular components, a horizontal component and a vertical component, giving rise to two optical fields, called £xy £y. The relationship between both components is given by the angle ^ , which indicates the angle of polarization of the electric field in its projection on the horizontal x axis, as shown in figure 4. Therefore, at the output of the current divider do (321) we will have:

£x = £0 -cos{\p) -e Jü)t (40) £y = £0 - sin(^) ■e~]'^t (50) £x = £0 -cos{\p) -e Jü)t (40) £y = £0 - sin(^) ■e~]'^t (50)

Y las intensidades de la luz en las dos salidas del divisor de luz dependerán del ángulo de polarización del haz incidente, de la siguiente forma:And the intensities of the light in the two outputs of the light splitter will depend on the angle of polarization of the incident beam, as follows:

Estas dos señales serán medidas en el propio bloque detector (32), concretamente en un detector balanceado (322) (DB), posicionado a continuación del divisor de haz (321), y que comprende dos fotodetectores de mismas características y un circuito electrónico que convierte en tensión las corrientes generadas por los fotodetectores, de manera que se genera una señal eléctrica proporcional a la diferencia de potencias del campo óptico incidente.These two signals will be measured in the detector block (32) itself, specifically in a balanced detector (322) (DB), positioned after the beam splitter (321), and comprising two photodetectors with the same characteristics and an electronic circuit that converts the currents generated by the photodetectors into voltage, so that an electrical signal proportional to the difference in power of the incident optical field is generated.

A continuación, en el detector balanceado (322), ambas señales de corriente se restan y el resultado de la resta se convierte en tensión mediante un amplificador de transimpedancia interno, dando como resultado una señal de tensión, VDB, proporcional a la resta de potencias medidas por cada detector:Next, in the balanced detector (322), both current signals are subtracted and the result of the subtraction is converted to voltage by an internal transimpedance amplifier, resulting in a voltage signal, V DB, proportional to the subtraction of powers measured by each detector:

VDB = G-(PX-P y) (80) VDB = G- ( PX-Py ) (80)

En esta fórmula Px y Py son las potencias de la luz medidas por cada detector del detector balanceado (322) y G es la ganancia que se expresa en voltios por vatio [V/W].In this formula Px and Py are the light powers measured by each detector of the balanced detector (322) and G is the gain expressed in volts per watt [V/W].

Otras dos salidas del detector balanceado (322) permiten monitorizar el nivel de potencia óptica de entrada en cada fotodetector por separado. Las tensiones medidas en estas salidas responden a las ecuaciones: Two other balanced detector outputs (322) allow monitoring of the input optical power level to each photodetector separately. The voltages measured in these outputs respond to the equations:

Vm+ = G- P^x (90) Vm+ = G- P ^x (90)

V „. = G-Py (100) V„. =G-Py (100)

Las potencias Px y Py se calculan integrando la intensidad de la luz sobre la superficie de cada fotodetector. En el caso de distribución uniforme de la intensidad, la potencia medida con un fotodetector es igual a la irradiancia multiplicada por el área activa Sdet del fotodetector. Ahora, si calculamos Px y Py usando las fórmulas (60) y (70), obtenemos las siguientes expresiones para la suma (110) y la resta (120) de estas potencias:The powers Px and Py are calculated by integrating the light intensity on the surface of each photodetector. In the case of uniform intensity distribution, the power measured with a photodetector is equal to the irradiance multiplied by the active area Sdet of the photodetector. Now, if we calculate Px and Py using formulas (60) and (70), we obtain the following expressions for the sum (110) and subtraction (120) of these powers:

Comparando (110) y (120) se puede deducir que:Comparing (110) and (120) it can be deduced that:

px ~ py = (px py)-cos( 2\p) (130) px ~ py = ( px py)-cos ( 2\p) (130)

Si se multiplica por G ambos lados de esta ecuación, se obtiene la expresión que relaciona VDB con el ángulo ^ :If both sides of this equation are multiplied by G, the expression that relates VDB to the angle ^ is obtained:

VDB = (VM- VM+) ■cos(2xp) (140) VDB = ( MV- MV+) ■cos ( 2xp) (140)

La ecuación (140) indica que la tensión en la salida del detector balanceado (322) cambia en función del ángulo de polarización y la amplitud de este cambio es igual a la suma de tensiones VM_ y VM+. Por lo tanto VDB es directamente proporcional a la suma de potencias medidas por los dos fotodetectores del detector balanceado (322).Equation (140) indicates that the voltage at the output of the balanced detector (322) changes as a function of the polarization angle and the amplitude of this change is equal to the sum of voltages VM_ and VM+. Therefore VDB is directly proportional to the sum of powers measured by the two photodetectors of the balanced detector (322).

En la figura 5 se ha representado la tensión VDB de la ecuación (140) en función del ángulo ^ para dos casos diferentes de intensidad de la luz recibida. Los máximos y mínimos de las curvas de tensión corresponden a las polarizaciones horizontal (^ = 0o) y vertical (^ = 90o) respectivamente. Figure 5 represents the voltage VDB of equation (140) as a function of the angle ^ for two different cases of received light intensity. The maxima and minima of the voltage curves correspond to the horizontal (^ = 0o) and vertical (^ = 90o) polarizations respectively.

A su vez cuando la función VDB($) cruza el eje de abscisas, esto corresponde a dos ángulos de polarización diagonal: 45° o -45°. En estos puntos la función es prácticamente lineal y cambia de signo al cruzar el eje horizontal. Podemos elegir uno de estos dos ángulos como ángulo de referencia para realizar el seguimiento de la polarización. Esto significa que la polarización de referencia enviada por el emisor (1) debe ser diagonal con, por ejemplo, el ángulo de polarización ^ = 45°.In turn, when the VDB function ( $) crosses the abscissa axis, this corresponds to two diagonal polarization angles: 45° or -45°. At these points the function is practically linear and changes sign when crossing the horizontal axis. We can choose one of these two angles as the reference angle to track the polarization. This means that the reference polarization sent by the emitter (1) must be diagonal with, for example, the polarization angle ^ = 45°.

Si el emisor (1) envía esta polarización y los sistemas de coordenadas de emisor (1) y receptor (2) coinciden, entonces en la salida del detector balanceado (322) mediremos VDB = 07. Si el ángulo de polarización de llegada es mayor o menor de 45°, entonces VDB va a ser menor o mayor de cero y habrá que corregir la posición angular de la lámina retardadora (51) de media onda para que VDB vuelva a ser cero.If the emitter (1) sends this polarization and the emitter (1) and receiver (2) coordinate systems coincide, then at the output of the balanced detector (322) we will measure VDB = 07. If the arrival polarization angle is greater or less than 45°, then VDB will be less than or greater than zero and the angular position of the half-wave retarder sheet (51) will have to be corrected so that VDB returns to zero.

Como se puede observar en la figura 5, la pendiente de la función VDB(^ ) en su cruce por cero es prácticamente una constante y el valor de esta pendiente depende de la amplitud de la función y baja al bajar esta.As can be seen in figure 5, the slope of the function VDB ( ^ ) at its zero crossing is practically a constant and the value of this slope depends on the amplitude of the function and decreases as it decreases.

Si queremos obtener una señal independiente de la intensidad de la luz que llega al receptor, lo que equivale a mantener la pendiente fija, hay que normalizar la tensión de salida del detector balanceado (322) en un módulo de acondicionamiento de señales (323), dividiendo la ecuación (140) por (VM_ VM+): If we want to obtain a signal independent of the intensity of the light that reaches the receiver, which is equivalent to keeping the slope fixed, we must normalize the output voltage of the balanced detector (322) in a signal conditioning module (323), dividing equation (140) by ( VM_ VM+):

Asociado al módulo electro-óptico (3), el dispositivo comprende un módulo de control (4), que, en función de la señal de tensión VDB del dispositivo de acondicionamiento de señales (323) manda una señal a un actuador (52) para que gire la lámina retardadora (51) de media onda hasta que VDB sea igual a 0.Associated with the electro-optical module (3), the device comprises a control module (4), which, depending on the voltage signal VDB from the signal conditioning device (323), sends a signal to an actuator (52) to turn the half-wave retarder blade (51) until VDB is equal to 0.

El actuador (52) se localiza en un módulo electro-mecánico (5), asociado al módulo de control y posicionado antes del espejo dicroico (31), entre este y el emisor (1). El módulo electro-mecánico es, por tanto, el que permitirá corregir el ángulo relativo entre los sistemas de referencia de emisor (1) y receptor (2), y comprende a su vez una lámina retardadora (51) de media onda (HWP, Half Wave Plate) que rota la polarización del haz incidente, tanto de la señal de referencia como de la señal de envío, y un actuador (52), asociado al módulo de control y conectado a la lámina retardadora (51) para poder ajustar su posición.The actuator (52) is located in an electro-mechanical module (5), associated with the control module and positioned before the dichroic mirror (31), between it and the emitter (1). The electro-mechanical module is, therefore, the one that will make it possible to correct the relative angle between the emitter (1) and receiver (2) reference systems, and in turn comprises a half-wave retarder sheet (51) (HWP, Half Wave Plate) that rotates the polarization of the incident beam, both of the reference signal and of the sending signal, and an actuator (52), associated to the control module and connected to the retarder sheet (51) to be able to adjust its position.

El resultado de la división (150) nos da una señal que sólo depende del ángulo ^ y se podría utilizar para corregirlo girando de forma adecuada la lámina retardadora (51).The result of the division (150) gives us a signal that only depends on the angle ^ and could be used to correct it by turning the retarder blade (51) appropriately.

Por otra parte, un segundo objeto de invención es un procedimiento de seguimiento de polarización, que puede hacer uso del dispositivo anterior, y que comprende una primera etapa de envío desde el emisor (1) de una señal de referencia coincidente con la señal de envío cuántica, de distinta (aunque muy cercada) longitud de onda con una polarización lineal que coincida con uno de los estados del protocolo QKD implementado, estableciendo éste como el eje de referencia para un dispositivo inercial compartido por emisor (1) y receptor (2).On the other hand, a second object of the invention is a polarization tracking procedure, which can make use of the previous device, and which comprises a first stage of sending from the emitter (1) a reference signal coinciding with the sending signal. quantum, of different (although very close) wavelength with a linear polarization that coincides with one of the states of the implemented QKD protocol, establishing this as the reference axis for an inertial device shared by emitter (1) and receiver (2) .

Al ser el aire un medio no birrefringente, la polarización de la señal de referencia se ve modificada solamente por el movimiento relativo entre las plataformas de emisor (1) y receptor (2), y es la misma para la señal de envío y la señal de referencia para el seguimiento de polarización. La señal de referencia es un haz linealmente polarizado, cuyo campo eléctrico se define en función del tiempo como:Since air is a non-birefringent medium, the polarization of the reference signal is modified only by the relative movement between the emitter (1) and receiver (2) platforms, and is the same for the sending signal and the signal reference for polarization tracking. The reference signal is a linearly polarized beam, whose electric field is defined as a function of time as:

£ = £0.e“ JQt£ = £0.e“ JQt

Una segunda etapa consiste en la separación, en el espejo dicroico (31), de la señal de envío y la señal de referencia.A second stage consists of the separation, in the dichroic mirror (31), of the sending signal and the reference signal.

En una tercera etapa se lleva a cabo la separación de las componentes del campo eléctrico de la señal de referencia en su componente vertical y horizontal en el divisor de haz (321), dando lugar a dos campos ópticos £x y £y . La relación entre ambas componentes viene dada por el ángulo de polarización del campo eléctrico en su proyección sobre el eje horizontal x.In a third stage, the separation of the components of the electric field of the reference signal into its vertical and horizontal components is carried out in the beam splitter (321), giving rise to two optical fields £xy £y . The relationship between both components is given by the angle of polarization of the electric field in its projection on the horizontal x axis.

Durante una cuarta etapa se obtiene la señal VDB, en el detector balanceado (322), que dependerá del ángulo con el que la polarización de referencia llega al sistema receptor (2). En el módulo de control (4) se analizará dicha tensión VDB y se enviará una señal al actuador (52) para que gire la lámina retardadora (51) landa medios hasta anular VDB y de esa manera realinear la polarización de la señal de referencia correctamente respecto al sistema de referencia del receptor (2). During a fourth stage, the V DB signal is obtained in the balanced detector (322), which will depend on the angle with which the reference polarization reaches the receiving system (2). In the control module (4) said voltage VDB will be analyzed and a signal will be sent to the actuator (52) so that it rotates the retarder blade (51) lands media until VDB is canceled and in this way realign the polarization of the reference signal correctly with respect to the reference system of the receiver (2).

Claims

1. - Automatic polarization tracking device for a quantum key distribution system between a transmitter (1) and a receiver (2) each with an associated reference system and at least one of them being mobile, in which the emitter (1) is configured to emit an information sending signal of wavelength As and a reference signal coinciding with the sending signal, with an electric field £ and a wavelength Ar, different from As, and in the that the device is associated with the receiver and comprises:

- a dichroic mirror (31) configured to separate the reference signal from the sending signal that arrives at the receiver (2) from the emitter (1),

- a detector block (32), which receives the reference signal from the dichroic mirror (31), and configured to separate its electric field £ into a horizontal component £x and a vertical component £y,

- a control module (4), associated with the detector block (32) and configured to calculate an angle of rotation necessary to realign the emitter (1) and receiver (2) reference systems from the field components £, - an electro-mechanical module (5), positioned in front of the dichroic mirror (31), between it and the emitter (1) and connected to the control module (4), configured to rotate the polarization of the reference signal and the signal transmitter sender (1) so that they are aligned with the reference system of the receiver (2).

2. - The device of claim 1, wherein the detector block (32) comprises a polarization-sensitive beam splitter (321) to separate the electric field £ from the reference signal and divide it into a horizontal component £x and a vertical component £y that corresponds to the reference system of the receiver (2).

3. - The device of claim 2, wherein the detector block (32) additionally comprises a balanced detector (322), configured to receive the components ( £x,£y) of the electric field of the reference signal and obtain a voltage dependent on the angle of polarization of the reference signal.

4. - The device of claim 3, further comprising a signal conditioning device (323) associated with the balanced detector (322).

5. - The device of claim 1, wherein the electro-mechanical module (5) comprises an adjustable position retarder sheet (51) positioned between the emitter (1) and the dichroic mirror (31).

6. - The device of claim 5, wherein the electro-mechanical module (5) further comprises an actuator (52), connected to the retarder sheet (51) to adjust its angular position.

7. - Automatic polarization tracking procedure that includes the stages of:

- Sending from a transmitter (1) to a receiver (2) of a signal for sending information and a reference signal, of electric field £, coinciding with the signal for sending information, of different wavelength, and in the that both transmitter (1) and receiver (2) have their own associated reference system, - separation, of the sending signal and the reference signal, the sending signal reaching the receiver (2),

- separation of the components of the electric field £ of the reference beam into a horizontal component and a vertical component £x,£y ,

- determination of the angle of rotation necessary to realign the emitter (1) and receiver (2) reference systems, and

- rotation of the sending signal and the reference signal making them coincide with the reference system of the receiver (2).