本专利公开了一种具备实时偏振补偿的自由空间量子通信装置，该装置由量子密钥发射模块、带旋转电机的1/2波片、两个带旋转跟踪电机且可旋转360°的全反棱镜组成。量子密钥发射模块可产生0°、90°、+45°及-45°的线偏振光，线偏光分别通过全反棱镜、1/2波片及全反棱镜后，通过全反棱镜的相互角度关系来计算1/2波片的补偿角度，通过1/2波片实时补偿来产生不改变原线偏光消光比的光学系统。它适用于对偏振消光比保持度要求较高的量子通信光学系统及与偏振相关的领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利涉及一种具备实时偏振补偿的自由空间量子通信的装置，具体涉及一种可以实时偏振补偿、具备2个方向360度扫描及跟踪功能且线偏振度保持良好的量子通信装置及方法。
技术介绍
随着对光的偏振性研究的加深，人们逐渐认识到偏振信息的广泛应用前景，偏振技术也开始进入到实用化阶段。保密通信是一种让通信双方在绝密状态下交换信息的传送方式，许多国家都非常重视保密通信的研究。量子通信技术的研究紧扣国家安全重大需求问题，可望大幅度提高信息传输的安全性、信息传输通道容量和效率等，是未来信息技术发展的重要战略性方向，并极有可能引起诸多科学和
的革命，对经济和社会的进步产生难以估量的影响。近年来，量子通信研究进展迅速，远距离量子通信则成为了国际激烈竞争的焦点。目前量子通信的技术手段主要包括：基于光纤通道、基于自由空间通道的量子传输。但由于光纤材料的限制，光纤的损耗和退相干效应无法避免，目前低损耗光纤的性能已经逼近理论极限，利用光纤在相距100公里以上的两点建立量子信道变得非常困难。自由空间量子信道是当前实现远距离量子通信实验的最为可行的方案之一，空间量子通信正处于从原理性研究走向实用化应用的关键时期。如何突破距离的限制在更广域的范围内实现量子通信过程成为摆在人们面前的难题，一旦取得突破将在整个量子通信研究领域产生极其深远的影响。同时随着单光子探测技术的日趋成熟，高效率的单光子探测器已经在技术上可以实现，单光子探测技术的发展导致单光子偏振应用领域的快速发展，目前基于偏振编码的自由空间量子保密通信就是单光子偏振的一种重要应用之一。随着空间技术的发展以前选用的平面反射镜的伺服机构产生的缺点也越来越明显，其中结构的伺服范围比较有限，不适合大角度扫描与跟踪而潜望式伺服结构适合大范围的扫描和跟踪。(即一个进行方位全周扫描和跟踪，另一个用俯仰全周扫描和跟踪。)在控制过程中两个方位可以单独控制使系统稳定性增强。在反射镜选择过程中，因为镀膜的反射镜通常暴露在空气中使紫外线、高能量辐射、高能量粒子等对膜系产生破坏从而改变偏振光的相位，而不能进行良好的补偿，但是全反棱镜依靠材料本身特性,在辐照过程中不易产生变化且具备全反射功能，所以选用全反棱镜。
技术实现思路
本专利的目的是提供一种具备实时偏振补偿的自由空间量子通信装置，提出了一种通过全反棱镜的方位旋转变化来实现自由空间的偏振通讯传输与跟踪，并且传递过程中不改变原偏振光的偏振度，此方法可以应用于各种波长量子密钥发射模块的设计。本专利方法的检测装置如附图1所示：装置包括量子密钥发射模块1、带方位旋转跟踪电机2-2且可旋转360°的全反棱镜A2-1、带旋转电机的1/2波片3、带俯仰旋转跟踪电机4-2且可旋转360°的全反棱镜B4-1。全反棱镜A2-1、全反棱镜B4-1发生相对旋转时，带旋转电机的1/2波片3也进行相应旋转，通过调节波片电机的角度来对全反棱镜A2-1、全反棱镜B4-1的相对角度变化进行补偿。所述的量子密钥发射模块1的波长与最终器件的使用波长一致；所述的带方位旋转跟踪电机2-2且可旋转360°的全反棱镜A2-1处于角度α入射，带旋转电机的1/2波片3的使用波段覆盖量子密钥发射模块1的波长；所述的带全反棱镜A2-1、全反棱镜B4-1的入射光角度大于arcsinn，n为材料折射率。该组合器件进行量子光通讯的方法具体步骤如下：1)任意角度线偏光cosθsinθ]]>首先经过带方位旋转跟踪电机2-2且可旋转360°的全反棱镜A2-1，其入射光角度为45度，带方位旋转跟踪电机2-2与量子密钥发射模块1的夹角为α1，全反棱镜的传输矩阵为Rx00Ryeiδ1.]]>其中为S、P光的反射率，由于为全反射，其出射偏振状态可用琼斯矢量可表示为:100eiδ1]]>2)带旋转电机的1/2波片3的方位角为2α′，则带旋转电机的1/2波片3传输矩阵为cos2α′sin2α′sin2α′-cos2α′,]]>发射模块产生的线偏振经过全反棱镜A2-1和带旋转电机的1/2波片3之后，其出射偏振状态可用琼斯矢量可表示为:cos2α′sin2α′sin2α′-cos2α′,100eiδ1;]]>3)偏振光最后经过带俯仰旋转跟踪电机4-2且可旋转360°的全反棱镜B4-1，当俯仰旋转跟踪电机(4-2)角度发生旋转时，全反棱镜B(4-1)也相应发生旋转，且与全反棱镜A(2-1)产生一个方位角α2，此时带俯仰旋转跟踪电机(4-2)的全反棱镜B(4-1)的传输矩阵为：cosα2-sinα2sinα2cosα2100eiδ2cosα2sinα2-sinα2cosα2]]>则任意线偏光经过所有器件后最终出射系统的传输矩阵可以表示为：cosα2sinα2-sinα2cosα2100eiδ2cosα2-sinα2sinα2cosα2cos2α′sin2α′sin2α′-cos2α′100eiδ1]]>经过简化可以得：cosα2-sinα2sinα2cosα2100eiδ2cos(2α′+α2),sin(2α′+α2)sin(2α′+α2),-cos(2α′+α2)100eiδ1]]>由上式可知，取特殊角度时方程组为：cos(2α′+α2)＝0sin(2α′+α2)＝1解得：α′=π4+Kπ-α22]]>(令k＝0)α′=π4-α22]]>所以通过带旋转电机的1/2波片3来记录方位角的角度α′，方位角α′与入射到直角棱镜的角度α2满足上式关系。使其光源产生良好偏振态出射。本方法的具体原理如下:在光学理论中,偏振光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具备实时偏振补偿的自由空间量子通信装置，包括量子密钥发射模块(1)、带方位旋转跟踪电机(2‑2)且可旋转360°的全反棱镜A(2‑1)、带旋转电机的1/2波片(3)、带俯仰旋转跟踪电机(4‑2)且可旋转360°的全反棱镜B(4‑1)，其特征在于：所述的量子密钥发射模块(1)产生0°、90°、+45°及‑45°的线偏振光，4种偏振光分别经过带方位旋转跟踪电机(2‑2)且可旋转360°的全反棱镜A(2‑1)、带旋转电机的1/2波片(3)和带俯仰旋转跟踪电机(4‑2)且可旋转360°的全反棱镜B(4‑1)；带旋转电机的1/2波片(3)实时补偿由跟踪角度变化所引入的偏振光线偏度变化，偏振光经过波片进行偏振补偿后仍然保持原有线偏度，全反棱镜A(2‑1)、全反棱镜B(4‑1)在360度空间进行光束的发射及扫描和跟踪。
【技术特征摘要】
1.一种具备实时偏振补偿的自由空间量子通信装置，包括量子密钥发射
模块(1)、带方位旋转跟踪电机(2-2)且可旋转360°的全反棱镜A(2-1)、
带旋转电机的1/2波片(3)、带俯仰旋转跟踪电机(4-2)且可旋转360°的全
反棱镜B(4-1)，其特征在于：
所述的量子密钥发射模块(1)产生0°、90°、+45°及-45°的线偏振光，
4种偏振光分别经过带方位旋转跟踪电机...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴金才，何志平，王天洪，舒嵘，王建宇，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：上海;31
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