一种多波长自由空间量子通信系统的偏振补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多波长自由空间量子通信系统的偏振补偿方法。该装置基于偏振编码的量子编码模块、二向色镜、后光路、波片、发射端望远镜、接收端望远镜、半波片及量子解码模块组成的多波长分时工作的自由空间量子通信系统，通过在发射终端旋转两块波片补偿退化的圆偏光，并通过在接收终端补偿旋转相位匹配的半波片补偿线偏光的基矢角偏差实现系统偏振态的补偿。两块波片的旋转角度将通过装载前测量各器件和系统的传输矩阵以及波片的相位延迟，并基于穆勒

【技术实现步骤摘要】
一种多波长自由空间量子通信系统的偏振补偿方法


[0001]本专利技术涉及一种多波长自由空间量子通信系统的偏振补偿方法，具体涉及多波长分时工作的自由空间量子通信系统量子编码光偏振态劣化的补偿，可以应用到自由空间量子通信光学系统偏振态保持设计及偏振敏感空间光通信光学系统设计中。

技术介绍

[0002]量子通信是一种基于物理学中量子不可分割原理与量子不可克隆原理的一种本质无条件安全的信息加密方式，包括量子密钥分发，量子纠缠分发，量子隐形传态。光子的偏振态是目前最主要的信息载体。
[0003]通常采用光纤、自由空间链路传输光子。然而受限于损耗，光纤难以进行远距离的信息传递。自由空间链路，如“墨子号”卫星与地面站的信息传递已经实现了数千公里的信息传递。然而，因背景光的原因，墨子号目前只能工作在夜晚。白天采用1550nm的波长，是目前抑制背景光的主要手段，然而1550nm波长受限于探测器效率、望远镜口径设计等原因，在夜晚的效率无法比拟传统的可见光波段。采用可见光波段在夜晚工作并采用1550nm波长在白天工作的多波长工作的量子通信是自由空间量子通信的主要趋势之一。
[0004]偏振态的保持是自由空间量子通信系统设计的关键。偏振态的退化将导致误码率的上升，光学系统中的光学器件(如光纤、反射镜)不可避免引入退化量，通过波片对其进行偏振态补偿设计是系统偏振态保持的主要方式。受限于工艺水平，波片无法做到宽波段相位完美的匹配。本专利的方法避免了这一问题。本专利基于穆勒
‑
斯托克斯演算法，通过在发射终端安装两块相同型号的波片，在接收终端安装相位匹配的半波片，并根据装载前测量的各系统的参数，计算出各波长下波片应旋转的角度实现偏振态的补偿。该方法结构简单、可以实现宽谱段的偏振态的补偿。

技术实现思路

[0005]具体涉及多波长自由空间量子通信系统的偏振保持方法，可以应用到偏振编码的自由空间量子通信系统光学系统设计中。
[0006]本专利技术的目的是提供一种多波长自由空间量子通信系统的偏振补偿方法，通过在发射端选用两块相同型号的波片及在接收端选用相位匹配的半波片，基于装载前对各光路系统参数的测量计算波片旋转的角度以实现偏振态补偿。本专利技术基于如附图1所示的系统，它包括工作波长为λ1的量子编码模块1、工作波长为λ2的量子编码模块2、二向色镜3、后光路4、第一波片5、第二波片6、发射端望远镜7、自由空间链路8、接收端望远镜9、半波片10，量子解码模块11。所述的量子编码模块1、量子编码模块2为偏振编码；所述的第一波片5、第二波片6为相同型号波片，且两者在各波长处的相位延迟近似相等，误差为2％，第一波片5、第二波片6在λ1及λ2处的相位延迟量大于0.25π小于0.75π；所述的半波片10为可替换的半波片，相位延迟精度优于1/300λ，当λ1波长工作时，半波片10采用中心波长为λ1的半波片，当λ2波长工作时，半波片10采用中心波长为λ2的半波片；所述的量子解码模块11为与量子编码模
块1、量子编码模块2相匹配的量子解码模块。
[0007]其特征在于包括以下步骤：
[0008]1)装载前测量波长为λ1时的量子编码模块1、二向色镜3、及后光路4的联合传输矩阵M1；
[0009]2)装载前测量波长为λ2时量子编码模块2、二向色镜3、及后光路4的联合传输矩阵m1；
[0010]3)装载前测量波长为λ1时发射端望远镜7的传输矩阵M2,接收端望远镜9的传输矩阵M3；
[0011]4)装载前测量波长为λ2时发射端望远镜7的传输矩阵m2,接收端望远镜9传输矩阵m3；
[0012]5)装载前分别测量第一波片5在波长λ1,λ2处的相位延迟量为δ1,δ2[0013]6)装载前分别测量第二波片6在波长λ1,λ2处的相位延迟量为ε1,ε2[0014]7)令R＝[1,0,0,1]T
为右旋圆偏振光的斯托克斯参量，当传输波长λ1的量子光时，系统的传输矩阵应满足:
[0015][0016]θ1,θ2分别为第一波片5与第二波片6的旋转角度，与分别为第一波片5与第二波片6的传输矩阵，其用穆勒矩阵形式表示为：
[0017][0018]系统的传输矩阵也满足：
[0019][0020]令SR＝M1M3M2R＝[1,SR1,SR2,SR3]T
，上式表示为：
[0021][0022]因此有：
[0023][0024]第一波片5与第二波片6的旋转角度将由下式求解：
[0025][0026]方程组有解时，第一波片5与第二波片6的角度应在如下范围内：
[0027][0028]若上面不等式不成立，则需让方程满足：
[0029][0030]L＝[1,0,0,
‑
1]T
为左旋圆偏振光的斯托克斯参量，此时第一波片5与第二波片6的旋转角度满足：
[0031][0032]该方程组成立应满足如下不等式：
[0033][0034]对于所有的SR3，两个不等式之一成立时，两波片相位延迟应接近相等且满足：
[0035][0036]8)当传输波长λ2的量子光时，令Sr＝m1m3m2R＝[1,Sr1,Sr2,Sr3]T
，若：
[0037][0038]第一波片5的旋转角度β1,第二波片6的旋转角度β2由下式求解：
[0039][0040]上式若不满足，当满足下式时：
[0041][0042]第一波片5的旋转角度β1,第二波片6的旋转角度β2由下式求解：
[0043][0044]对于所有的Sr3，两个不等式之一成立时，两波片相位延迟应接近相等且满足:
[0045][0046]9)当传输波长λ1的量子光时，通过量子解码模块11检测水平偏振光与理想水平偏振光的偏振方向偏差角度旋转半波片(10)的角度到实现基矢纠正。
[0047]10)当传输波长λ2的量子光时，通过量子解码模块11检测水平偏振光与理想水平偏振光的偏振方向偏差角度τ。旋转半波片(10)的角度到实现基矢纠正。
[0048]本专利技术专利的优点在于：1、结构简单；2、适用谱段宽；3、器件容易获取。
附图说明
[0049]图1：多波长自由空间量子通信偏振保持系统。
具体实施方式
[0050]以下结合附图对本专利技术方法的实施实例进行详细的描述。
[0051]本专利技术实施例中所采用的主要器件与系统描述如下：
[0052]由量子编码模块、二向色镜、后光路、波片、发射端望远镜、自由空间链路、接收端望远镜、半波片、量子编码模块组成。
[0053]1)量子编码模块1：1550nm基于BB84协议的量子编码模块；
[0054]2)量子编码模块2：850nm基于BB84协议的量子编码模块；
[0055]3)二向色镜3：Thorlabs生产的DMLP1000T二向色镜，截止波长1000nm，1550nm透射率大于95％，850nm反射率大于95％；
[0056]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波长自由空间量子通信系统的偏振补偿方法，所述的多波长自由空间量子通信系统包括：工作波长为λ1的量子编码模块(1)、工作波长为λ2的量子编码模块(2)、二向色镜(3)、后光路(4)、第一波片(5)、第二波片(6)、发射端望远镜(7)、自由空间链路(8)、接收端望远镜(9)、半波片(10)、量子解码模块(11)，其特征在于偏振补偿方法包括以下步骤：1)装载前测量波长为λ1时，量子编码模块(1)、二向色镜(3)、及后光路(4)的联合偏振传输矩阵M1；2)装载前测量波长为λ2时，量子编码模块(2)、二向色镜(3)、及后光路(4)的联合偏振传输矩阵m1；3)装载前测量波长λ1时，发射端望远镜(7)传输矩阵M2，接收端望远镜(9)传输矩阵M3；4)装载前测量波长λ2时，发射端望远镜(7)传输矩阵m2，接收端望远镜(9)传输矩阵m3；5)装载前分别测量第一波片(5)在波长λ1，λ2处的相位延迟量为δ1，δ2；6)装载前分别测量第二波片(6)在波长λ1，λ2处的相位延迟量为ε1，ε2；7)令R＝[1，0，0，1]
T
为右旋圆偏振光的斯托克斯参量，当传输波长λ1的量子光时，令SR＝M1M3M2R＝[1，SR1，SR2，SR3]
T
，若：第一波片(5)的旋转角度θ1，第二波片(6)的旋转角度θ2由下式求解：若不满足，当满足下式时第一波片(5)的旋转角度θ1，第二波片(6)的旋转角度θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志平，谭永健，吴金才，宋志化，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：