專利名稱：基于格蘭棱鏡的高保偏量子接收模塊光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及光學(xué)兀件、晶體光學(xué)、光學(xué)偏振技術(shù)，具體指一種基于格蘭棱鏡極化分束，空間分光的，小型化及高效率及高保偏的量子接收模塊光學(xué)系統(tǒng)，它適用于量子通信領(lǐng)域的基于偏振的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，還可以用于偏振光子的發(fā)射與探測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
保密通信是一種讓通信雙方在絕密狀態(tài)下交換信息的傳送方式，許多國家都非常重視保密通信的研究。量子通信技術(shù)的研究緊扣國家安全重大需求問題，可望大幅度提高信息傳輸?shù)陌踩?、信息傳輸通道容量和效率等，是未來信息技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性方向，并極有可能引起諸多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的革命，對經(jīng)濟(jì)和社會的進(jìn)步產(chǎn)生難以估量的影響。國際上重要的發(fā)達(dá)國家，特別是美國、歐盟和日本均已投入大量人力物力致力于自由空間 量子通信的理論和實驗研究。近年來，量子通信研究進(jìn)展迅速，遠(yuǎn)距離量子通信則成為了國際激烈競爭的焦點。目前量子通信的技術(shù)手段主要包括基于光纖通道、基于自由空間通道的量子傳輸。但由于光纖材料的限制，光纖的損耗和退相干效應(yīng)無法避免，目前低損耗光纖的性能已經(jīng)逼近理論極限，利用光纖在相距100公里以上的兩點建立量子信道變得非常困難。自由空間量子信道是當(dāng)前實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信實驗的最為可行的方案之一，空間量子通信正處于從原理性研究走向?qū)嵱没瘧?yīng)用的關(guān)鍵時期。如何突破距離的限制在更廣域的范圍內(nèi)實現(xiàn)量子通信過程成為擺在人們面前的難題，一旦取得突破將在整個量子通信研究領(lǐng)域產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響?？臻g量子通信的量子密鑰分發(fā)能夠完成理論安全的“一次一密”的密鑰分發(fā)工作，以實現(xiàn)后續(xù)的保密通信。但是，由于現(xiàn)有量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)不完美，就會使得通信過程出現(xiàn)誤碼，且無法與竊聽行為造成的誤碼相區(qū)分，這就給竊聽者的攻擊提供了各種可能性。另外，成碼率同樣是我們所關(guān)心的問題，只有量子密鑰分發(fā)的成碼率大于零，才說明該次分發(fā)過程是無條件安全而有價值的，否則分發(fā)過程就是失敗的。而成碼率越低，也說明密鑰分發(fā)過程的效率越低，分發(fā)后續(xù)用于“一次一密”保密通信所用的同樣長度密鑰的時間越長。在偏振編碼的自由空間量子密鑰分發(fā)中，偏振態(tài)是光子加載信息的方式，傳輸過程中任何偏振畸變都會引起誤碼，而傳輸過程中的偏振光子的收發(fā)效率影響系統(tǒng)的成碼率。量子接收模塊是空間量子通信系統(tǒng)的重要組成部分，其光學(xué)效率及保偏性能與量子通信的關(guān)鍵性能成碼率及誤碼率息息相關(guān)?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的量子接收模塊主要由BS (能量分束器)，PBS (極化分束器)組成，由于BS、PBS的性能限制，存在保偏性能不高(通常為100 1)，分光透射反射比偏離明顯的特點。本專利針對空間量子通信的應(yīng)用需求，基于光學(xué)偏振理論以及晶體光學(xué)理論，利用格蘭棱鏡優(yōu)良的極化分光能力，以及小體積、易安裝等優(yōu)點，通過光路設(shè)計，最終實現(xiàn)量子接收模小型化、高保偏的目的。發(fā)明內(nèi)容本專利的目的在于，利用可調(diào)空間分束、格蘭棱鏡的高保偏極化分束特性，提供一種小型化、高保偏的量子接收模塊光學(xué)系統(tǒng)，適應(yīng)空間量子通信對小型化、高效率、高保偏的量子接收模塊的迫切需求。在空間大尺度的量子通信試驗中，量子信號在發(fā)射端和接收端都處于單光子水平，而且對量子信號的編碼采用了 BB84方案，在此方案的密鑰分發(fā)過程中，我們利用光子的偏振態(tài)(圖I)來代替經(jīng)典二進(jìn)制碼(bit)，從而對信號進(jìn)行編碼，其中水平(H)或45° ( + )偏振對應(yīng)于經(jīng)典比特0;豎直(V)或135° (_)偏振對應(yīng)于經(jīng)典比特I。當(dāng)量子信號通過接收系統(tǒng)的一系列反射和折射之后，原來的偏振態(tài)會有所改變，由于偏振態(tài)攜帶著我們要傳播的信息，所以在接收端要對傳播光子的偏振態(tài)進(jìn)行還原，因此在接收端量子接收和測量系統(tǒng)中要對傳輸系統(tǒng)中光子偏振態(tài)的改變進(jìn)行補(bǔ)償，然后再對量子信號進(jìn)行BB84 方案的解碼，最終由單光子探測器進(jìn)行測量。由于試驗過程中采用了水平(H)和豎直(V)以及45° ( + )和135° (-)四個偏振方向?qū)α孔有盘栠M(jìn)行編碼，所以在分析光子通過介質(zhì)或金屬表面后偏振態(tài)的變化過程中，主要考慮在這四個偏振方向上的變化?，F(xiàn)有量子接收模塊的光路如圖2所示，模塊主要由BS (能量分束器)，PBS (極化分束器)、半波片組成。待檢測的入射量子光經(jīng)由BS分成兩束，分別出射向一片PBS和一個半波片加PBS的組合。其中直接入射PBS的光經(jīng)PBS透射和反射可以檢測+、-的偏振態(tài)，而入射半波片的H、V方向光經(jīng)過半波片的透射可以轉(zhuǎn)變?yōu)?、-后經(jīng)由后面的PBS檢測，等效于半波片和PBS的組合檢測了 H、V方向的偏振態(tài)。在量子通訊過程中，通訊光的H、V、+、_不確定，但是由系統(tǒng)的同步光可以確定接收模塊當(dāng)前時刻要檢測的是負(fù)責(zé)+、-的PBS還是負(fù)責(zé)H、V的半波片PBS組合，通過量子接收模塊檢測出當(dāng)前通訊光的偏振態(tài)，從而完成量子通訊的任務(wù)并且達(dá)到保密的目的?；贐S、PBS的性能，現(xiàn)有模塊的缺陷主要體現(xiàn)在以下幾方面一、經(jīng)過BS分光的+、_偏振態(tài)的消光比會下降，只有100 1左右，保偏性能較差；二、H、V組的偏振光經(jīng)過PBS的檢偏，分光透射反射比會下降，進(jìn)一步影響誤碼及成碼。綜上考慮現(xiàn)有模塊的缺陷，利用格蘭棱鏡高保偏極化分束特性，以及可調(diào)型空間能量分束設(shè)計，本專利提出了一種小型化、高保偏的量子接收模塊的設(shè)計，如圖2所示，模塊光學(xué)系統(tǒng)由可調(diào)反射鏡I、半波片2、第一格蘭棱鏡3和第二格蘭棱鏡4組成。所述的第一格蘭棱鏡3和第二格蘭棱鏡4中e光對應(yīng)“ + ”光,0光對應(yīng)光,“0”光與“e”光最終出射夾角為90°。其工作方式如下所述I、入射的光束經(jīng)由可調(diào)反射鏡I分為兩束，一束經(jīng)反射后垂直入射第一格蘭棱鏡3，第一格蘭棱鏡3將光束分成“H”和“V” 二路光束，另外一束光按原方向經(jīng)過半波片2后垂直入射第二格蘭棱鏡4，第二格蘭棱鏡4將光束分成“ + ”和二路光束。2、模塊在整個量子通訊系統(tǒng)中同步被告知當(dāng)前準(zhǔn)備接收H、V或者+、-基，從而選擇準(zhǔn)備進(jìn)行工作的棱鏡。3、在當(dāng)前檢測棱鏡兩個出射面上進(jìn)行偏振檢測，由此獲得當(dāng)前傳輸?shù)幕?，從而完成量子通訊任?wù)。其工作原理如下所述[0017]入射光的能量分束由可調(diào)反射鏡實現(xiàn)，代替現(xiàn)有模塊中的BS功能。可調(diào)反射鏡的安裝角度及切入位置可調(diào)，不但可方便地調(diào)整傾角從而調(diào)整反射及透射光束按設(shè)計方向傳輸，而且可根據(jù)后繼光學(xué)元件及探測器的效率，調(diào)整反射及透射光能量的比例。入射光的極化分束由格蘭棱鏡實現(xiàn)，代替現(xiàn)有模塊中的PBS功能。格蘭棱鏡利用雙折射及全反射原理，可以實現(xiàn)高保偏(10000 1以上)的二向極化分束功能。半波片的使用與現(xiàn)有量子接收模塊上一樣，其功能是旋轉(zhuǎn)入射+、_方向偏振光至H、V方向，從而可以被后面的格蘭棱鏡檢測，其原理可以由瓊斯矩陣表達(dá)"cos2 0 sin2 0 ~|[1 "I「c.os2 9 ~|。
其中9是波片的快軸與H方向的夾角，因此令
權(quán)利要求1.一種基于格蘭棱鏡的高保偏量子接收模塊光學(xué)系統(tǒng)，它由可調(diào)反射鏡(I)、半波片(2)、第一格蘭棱鏡(3)和第二格蘭棱鏡(4)組成，其特征在于 所述的第一格蘭棱鏡(3)和第二格蘭棱鏡(4)中e光對應(yīng)“ + ”光,0光對應(yīng)光,“0”光與“e”光最終出射夾角為90° ; 入射的光束經(jīng)由可調(diào)反射鏡(I)分為兩束，一束經(jīng)反射后垂直入射第一格蘭棱鏡(3)，第一格蘭棱鏡(3)將光束分成“H”和“V”二路光束，另外一束光按原方向經(jīng)過半波片(2)后垂直入射第二格蘭棱鏡(4 )，第二格蘭棱鏡(4 )將光束分成“ + ”和“ -” 二路光束。
專利摘要本專利公開一種基于格蘭棱鏡的高保偏量子接收模塊光學(xué)系統(tǒng)，它適用于基于偏振的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中。該專利基于光學(xué)偏振理論以及晶體光學(xué)理論，利用格蘭棱鏡優(yōu)良的極化分光能力，以及小體積、易安裝等優(yōu)點，采用可調(diào)空間能量分束的光路設(shè)計，實現(xiàn)量子接收模小型化、高保偏的目的。該專利適應(yīng)了空間量子通信對小型化、高效率、高保偏、高可靠的量子接收模塊的迫切需求。
文檔編號G02B27/10GK202794720SQ201220384459
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者王建宇, 何志平, 陳爽, 吳金才, 舒嶸, 袁立銀 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所