一種四路同軸的自由空間量子通信編碼裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種四路同軸的自由空間量子通信編碼裝置，該裝置將4路編碼信號(hào)耦合至1根單模光纖進(jìn)行發(fā)射來確保4路量子光的高精度同軸，同時(shí)利用單模光纖具備幺正變化的偏振特性，采用1/4、1/4、1/2波片組合的方案對(duì)光纖引入的偏振變化進(jìn)行補(bǔ)償來確保出射光的偏振狀態(tài)，并利用BB84解碼模塊對(duì)偏振補(bǔ)償進(jìn)行監(jiān)測來保證偏振補(bǔ)償效果。該發(fā)明專利技術(shù)具備高同軸度及高穩(wěn)定性的特性，保密性更高；該發(fā)明專利技術(shù)適應(yīng)了空間量子通信中對(duì)編碼模塊小型化、高保偏、高可靠的迫切需求。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種四路同軸的自由空間量子通信編碼裝置
本專利技術(shù)公開了一種高同軸度的自由空間量子通信編碼裝置，特別適用于基于偏振編碼的自由空間量子通信系統(tǒng)中，還適用于基于偏振編碼的自由空間光通信系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
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
的革命，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(diǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)的最為可行的方案之一，遠(yuǎn)距離自由空間量子通信已經(jīng)成為了國際研究的焦點(diǎn)，自由空間QKD的密鑰編碼方式一般采用BB84方案,其密鑰是利用單光子的偏振態(tài)來進(jìn)行二進(jìn)制編碼，其中定義水平(H)或+45°(+)線偏振對(duì)應(yīng)于經(jīng)典比特0；豎直(V)或-45°(-)線偏振對(duì)應(yīng)于經(jīng)典比特1，為了防止竊聽者的非相干攻擊，一般采用基于誘騙態(tài)的量子密鑰分發(fā)(QKD)技術(shù)來判斷是否存在竊聽者，判斷竊聽者的主要依據(jù)是通過誘騙態(tài)與信號(hào)態(tài)之間的比例關(guān)系，而4種偏振態(tài)之間的接收效率關(guān)系對(duì)該比例的判斷至關(guān)重要，設(shè)計(jì)絕對(duì)同軸的量子編碼模塊對(duì)是否存在竊聽者意義重大。本專利技術(shù)針對(duì)以上自由空間量子通信的應(yīng)用需求，公開一種絕對(duì)同軸的自由空間量子通信編碼裝置及其設(shè)計(jì)方法，該專利技術(shù)具備高同軸度及高穩(wěn)定性的特性，保密性更高；同時(shí)適應(yīng)了自由空間量子通信中對(duì)編碼模塊小型化、高保偏、高可靠的迫切需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種高同軸度的自由空間量子通信編碼裝置，該專利技術(shù)裝置特別適用于基于偏振編碼的自由空間量子通信系統(tǒng)中，還適用于基于偏振編碼的自由空間光通信系統(tǒng)。該專利技術(shù)主要利用同一根光纖發(fā)射來保證量子光的同軸，從而獲得一種高同軸性、高保密性的裝置。該專利技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：量子光發(fā)射同軸度及穩(wěn)定性高，保密性強(qiáng)；。本專利技術(shù)裝置如附圖1所示：該專利技術(shù)裝置由BB84偏振編碼模塊1、光束耦合裝置2、第一可旋轉(zhuǎn)1/4波片3、第二可旋轉(zhuǎn)1/4波片4、可旋轉(zhuǎn)1/2波片5、擴(kuò)束鏡6、保偏切光鏡7、BB84偏振解碼模塊8組成。其中BB84偏振編碼模塊1可分別通過帶LD的第一保偏光纖1-1-1、帶LD的第二保偏光纖1-1-2、帶LD的第三保偏光纖1-2-1及帶LD的第四保偏光纖1-2-2引入4路量子信號(hào)，所述4路量子信號(hào)中的大部分光量子信號(hào)經(jīng)過BB84偏振編碼模塊1后分別以0°、90°、+45°和-45°4種線偏光同軸輸出，4種線偏光再經(jīng)過光束耦合裝置2后準(zhǔn)直輸出，準(zhǔn)直光分別經(jīng)過第一可旋轉(zhuǎn)1/4波片3、第二可旋轉(zhuǎn)1/4波片4、可旋轉(zhuǎn)1/2波片5、擴(kuò)束鏡6后發(fā)射，其中擴(kuò)束鏡6用于壓縮出射光發(fā)散角，同時(shí)擴(kuò)大出射光斑大小。所述4路量子信號(hào)中的小部分光經(jīng)過保偏切光鏡7反射后進(jìn)入BB84解碼模塊8，BB84解碼模塊8可對(duì)入射光的0°、90°、+45°和-45°的線偏分量同時(shí)進(jìn)行測量，進(jìn)而監(jiān)視出射光偏振狀態(tài)，通過對(duì)出射光偏振狀態(tài)的測量，利用波片組進(jìn)行偏振態(tài)補(bǔ)償來保證出射光的偏振狀態(tài)。同時(shí)帶LD的第一保偏光纖1-1-1、帶LD的第二保偏光纖1-1-2、帶LD的第三保偏光纖1-2-1及帶LD的第四保偏光纖1-2-2所引入量子信號(hào)能量大小可由BB84解碼模塊8所接收到的信號(hào)進(jìn)行反饋，通過能量反饋信息將4路出射光的能量調(diào)節(jié)一致。所述的BB84偏振編碼模塊1由帶LD的第一保偏光纖1-1-1、帶LD的第二保偏光纖1-1-2、帶LD的第三保偏光纖1-2-1及帶LD的第四保偏光纖1-2-2、第一渥拉斯頓棱鏡1-1、第二渥拉斯頓棱鏡1-2、消偏振BS1-3、準(zhǔn)直透鏡1-4及PIN管1-5組成。第一渥拉斯頓棱鏡1-1將帶LD的第一保偏光纖1-1-1、帶LD的第二保偏光纖1-1-2輸出的兩束正交偏振光進(jìn)行合束；所述的第二渥拉斯頓棱鏡1-2將帶LD的第三保偏光纖1-2-1、帶LD的第四保偏光纖1-2-2輸出的兩束正交偏振光進(jìn)行合束；同時(shí)經(jīng)過第一渥拉斯頓棱鏡1-1、第二渥拉斯頓棱鏡1-2合束的2種正交偏振光經(jīng)過消偏振BS1-3進(jìn)行合束，通過旋轉(zhuǎn)透射端渥拉斯頓棱鏡1-145°來保證透射光與反射光之間偏振方向偏差45°，保證4路偏振光分別以0°、90°、+45°和-45°線偏方向出射，從而保證4種偏振態(tài)編碼輸出，最后經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡1-4后發(fā)出平行光束,而PIN管1-5用于檢測四路光功率。所述的光束準(zhǔn)直裝置2由耦合透鏡2-1、單模光纖2-2及準(zhǔn)直發(fā)射透鏡2-3組成。BB84偏振編碼模塊1輸出的平行光，首先經(jīng)過耦合透鏡2-1后耦合到單模光纖2-2內(nèi),再經(jīng)過準(zhǔn)直發(fā)射透鏡2-3準(zhǔn)直輸出。所述的BB84偏振解碼模塊8由帶探測器的第一多模光纖8-1-1、帶探測器的第二多模光纖8-1-2、帶探測器的第三多模光纖8-2-1及帶探測器的第四多模光纖8-2-2、第三渥拉斯頓棱鏡8-1、第四渥拉斯頓棱鏡8-2、消偏振BS8-3、會(huì)聚透鏡8-4組成。部分出射光束經(jīng)過保偏切光鏡7反射后進(jìn)入BB84解碼模塊8內(nèi)，首先經(jīng)過會(huì)聚透鏡8-4會(huì)聚，會(huì)聚光經(jīng)過消偏振BS8-3分成透射與反射兩路，透射光經(jīng)過第三渥拉斯頓棱鏡8-1偏振分光后分別引入至帶探測器的第一多模光纖8-1-1、帶探測器的第二多模光纖8-1-2內(nèi)進(jìn)行探測，反射光經(jīng)過第四渥拉斯頓棱鏡8-2偏振分光后分別引入至帶探測器的第三多模光纖8-2-1、帶探測器的第四多模光纖8-2-2內(nèi)進(jìn)行探測；同時(shí)通過旋轉(zhuǎn)透射端第三渥拉斯頓棱鏡8-145°來保證透射光與反射光之間偏振方向偏差45°，從而保證4路偏振光分別以0°、90°、+45°和-45°線偏方向進(jìn)行偏振分量測量。該模塊的主要功能是用于各路量子光能量一致性及出射光偏振狀態(tài)測試。由于4路量子光通過同一準(zhǔn)直透鏡1-4輸出，會(huì)引入偏振變化，該偏振變化為幺正變換，可以通過第一可旋轉(zhuǎn)1/4波片3、第二可旋轉(zhuǎn)1/4波片4、可旋轉(zhuǎn)1/2波片5進(jìn)行補(bǔ)償，并通過BB84偏振解碼模塊8來測試偏振變化量并指導(dǎo)波片角度的計(jì)算，最終對(duì)補(bǔ)償效果進(jìn)行驗(yàn)證，具體偏振補(bǔ)償原理可參考以下文獻(xiàn):WangShao-Kai.etal.“RealizationofArbitraryInverseUnitaryTransformationofSingleModeFibrebyUsingThreeWavePlates.”Chin.Phys.Lett.24(9),2471-2474(2007)綜上所述，本專利技術(shù)針對(duì)以上自由空間量子通信的應(yīng)用需求，公開一種絕對(duì)同軸的自由空間量子通信編碼裝置及其設(shè)計(jì)方法，該專利技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、出射量子光高同軸度：采用將4種偏振光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后發(fā)出的平行光束耦合至另一個(gè)準(zhǔn)直透鏡后匯聚到單模光纖內(nèi)出射在經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡發(fā)射，保證了4路量子光的同軸性本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種四路同軸的的自由空間量子通信編碼裝置，包括BB84偏振編碼模塊(1)、光束耦合裝置(2)、第一可旋轉(zhuǎn)1/4波片(3)、第二可旋轉(zhuǎn)1/4波片(4)、可旋轉(zhuǎn)1/2波片(5)、擴(kuò)束鏡(6)、保偏切光鏡(7)、BB84偏振解碼模塊(8)，其特征在于：BB84偏振編碼模塊(1)通過帶LD的第一保偏光纖(1?1?1)、帶LD的第二保偏光纖(1?1?2)、帶LD的第三保偏光纖(1?2?1)及帶LD的第四保偏光纖(1?2?2)引入4路量子信號(hào)，所述4路量子信號(hào)中的大部分光經(jīng)過BB84偏振編碼模塊(1)后分別以0°、90°、+45°和?45°4種線偏光同軸輸出，4種線偏光再經(jīng)過光束耦合裝置(2)準(zhǔn)直后輸出，輸出的4路準(zhǔn)直光分別經(jīng)過第一可旋轉(zhuǎn)1/4波片(3)、第二可旋轉(zhuǎn)1/4波片(4)、可旋轉(zhuǎn)1/2波片(5)、擴(kuò)束鏡(6)后發(fā)射，其中擴(kuò)束鏡(6)用于壓縮出射光發(fā)散角，同時(shí)擴(kuò)大出射光斑大小；所述4路量子信號(hào)中的小部分光經(jīng)過保偏切光鏡(7)反射后進(jìn)入BB84偏振解碼模塊(8)，BB84偏振解碼模塊(8)可對(duì)進(jìn)入至模塊內(nèi)部的偏振光的0°、90°、+45°和?45°的偏振分量同時(shí)進(jìn)行測量，進(jìn)而監(jiān)視出射光偏振狀態(tài)，通過對(duì)出射光偏振狀態(tài)的測量，利用波片組進(jìn)行偏振態(tài)補(bǔ)償來保證出射光的偏振狀態(tài)；同時(shí)帶LD的第一保偏光纖(1?1?1)、帶LD的第二保偏光纖(1?1?2)、帶LD的第三保偏光纖(1?2?1)及帶LD的第四保偏光纖(1?2?2)所引入量子信號(hào)能量大小可由BB84解碼模塊(8)所接收到的信號(hào)進(jìn)行反饋，通過能量反饋信息將4路出射光的能量調(diào)節(jié)一致。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種四路同軸的的自由空間量子通信編碼裝置，包括BB84偏振編碼模塊(1)、光束耦合裝置(2)、第一可旋轉(zhuǎn)1/4波片(3)、第二可旋轉(zhuǎn)1/4波片(4)、可旋轉(zhuǎn)1/2波片(5)、擴(kuò)束鏡(6)、保偏切光鏡(7)、BB84偏振解碼模塊(8)，其特征在于：BB84偏振編碼模塊(1)通過帶LD的第一保偏光纖(1-1-1)、帶LD的第二保偏光纖(1-1-2)、帶LD的第三保偏光纖(1-2-1)及帶LD的第四保偏光纖(1-2-2)引入4路量子信號(hào)，所述4路量子信號(hào)中的大部分光經(jīng)過BB84偏振編碼模塊(1)后分別以0°、90°、+45°和-45°4種線偏光同軸輸出，4種線偏光再經(jīng)過光束耦合裝置(2)準(zhǔn)直后輸出，輸出的4路準(zhǔn)直光分別經(jīng)過第一可旋轉(zhuǎn)1/4波片(3)、第二可旋轉(zhuǎn)1/4波片(4)、可旋轉(zhuǎn)1/2波片(5)、擴(kuò)束鏡(6)后發(fā)射，其中擴(kuò)束鏡(6)用于壓縮出射光發(fā)散角，同時(shí)擴(kuò)大出射光斑大??；所述4路量子信號(hào)中的小部分光經(jīng)過保偏切光鏡(7)反射后進(jìn)入BB84偏振解碼模塊(8)，BB84偏振解碼模塊(8)可對(duì)進(jìn)入至模塊內(nèi)部的偏振光的0°、90°、+45°和-45°的偏振分量同時(shí)進(jìn)行測量，進(jìn)而監(jiān)視出射光偏振狀態(tài)，通過對(duì)出射光偏振狀態(tài)的測量，利用波片組進(jìn)行偏振態(tài)補(bǔ)償來保證出射光的偏振狀態(tài)；同時(shí)帶LD的第一保偏光纖(1-1-1)、帶LD的第二保偏光纖(1-1-2)、帶LD的第三保偏光纖(1-2-1)及帶LD的第四保偏光纖(1-2-2)所引入量子信號(hào)能量大小可由BB84解碼模塊(8)所接收到的信號(hào)進(jìn)行反饋，通過能量反饋信息將4路出射光的能量調(diào)節(jié)一致。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種四路同軸的的自由空間量子通信編碼裝置，其特征在于：所述的BB84偏振編碼模塊(1)由帶LD的第一保偏光纖(1-1-1)、帶LD的第二保偏光纖(1-1-2)、帶LD的第三保偏光纖(1-2-1)及帶LD的第四保偏光纖(1-2-2)、第一渥拉斯頓棱鏡(1-1)、第二渥拉斯頓棱鏡(1-2)、消偏振BS(1-3)、準(zhǔn)直透鏡(1-4)及PIN管(1-5)組成。所述的第一渥拉斯頓棱鏡(1-1)將帶LD的第一保偏光纖(1-1-1)、帶LD的第二保偏光纖(1-1-2)輸出的兩束正交偏振光進(jìn)行合束；所述的第二渥拉斯頓棱鏡(1-2)將帶LD的第三保偏光纖(1-2-1)、帶LD的第四保偏光纖(1-2-2)輸出的兩束正交偏振光進(jìn)行合束；所述的消偏振BS(1-3)具備保偏功能，0°、90°、+45°和-45線偏光經(jīng)過BS(1-3)的消光比優(yōu)于2000：1，同時(shí)經(jīng)過第一渥拉斯頓棱鏡(...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳金才，何志平，王天洪，舒嶸，王建宇，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：上海,31