本發(fā)明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)。

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(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(jìng)爭(zhēng)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。

本發(fā)明針對(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，該發(fā)明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)要素：

本發(fā)明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，該發(fā)明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)。該發(fā)明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。該發(fā)明的特點(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)；。

本發(fā)明裝置如附圖1所示：該發(fā)明裝置由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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器的第一多模光纖8-1-1、帶探測(cè)器的第二多模光纖8-1-2、帶探測(cè)器的第三多模光纖8-2-1及帶探測(cè)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(cè)器的第一多模光纖8-1-1、帶探測(cè)器的第二多模光纖8-1-2內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，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(cè)器的第三多模光纖8-2-1、帶探測(cè)器的第四多模光纖8-2-2內(nèi)進(jìn)行探測(cè)；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(cè)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(cè)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(cè)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，本發(fā)明針對(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，該發(fā)明具有以下優(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路量子光的同軸性高，穩(wěn)定性好；

2、量子光能量可監(jiān)測(cè)：bb84偏振編碼模塊1中4路量子光出現(xiàn)光軸偏差，對(duì)系統(tǒng)來說僅僅體現(xiàn)在能量變化上，可以通過bb84偏振解碼模塊8進(jìn)行能量監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過能量檢測(cè)至來調(diào)節(jié)四路通道能量一致，確保安全性。

附圖說明

圖1為絕對(duì)同軸的量子通信編碼裝置示意圖。

圖2為bb84偏振編碼模塊示意圖。

圖3為bb84偏振解碼模塊示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明采用以下主要器件：

1、bb84偏振編碼模塊1：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采用lp852-sf30，光纖芯徑5.3um；第一渥拉斯頓棱鏡1-1、第二渥拉斯頓棱鏡1-2選用方解石材料，其消光比優(yōu)于100000：1；消偏振bs1-3采用thorlabs公司型號(hào)為bs008的器件，其使用波長范圍770-1100nm，口徑為5mm；準(zhǔn)直透鏡1-4采用thorlabs公司型號(hào)為352150的器件，焦距為2mm，pin管1-5采用thorlabs公司型號(hào)為1110576的器件，使用波長范圍600-1100nm。組件集成可由深圳光越科技進(jìn)行集成；

2、光束耦合裝置2：耦合透鏡2-1準(zhǔn)直發(fā)射透鏡2-3采用thorlabs公司型號(hào)為f220fc-b的器件，系統(tǒng)焦距為10.99mm，可直接連接光纖；、單模光纖2-2采用普通單模光纖，光纖芯徑5.3um；

3、可旋轉(zhuǎn)1/4波片3、可旋轉(zhuǎn)1/4波片4：采用thorlabs公司的消色差1/4波片，型號(hào)為ahwp05m-980，其主要性能參數(shù)：工作波段為700-1200nm；相位延遲準(zhǔn)確度λ/40-λ/230；旋轉(zhuǎn)器采用thorlabs公司型號(hào)為rsp1x15的器件，波片安裝于旋轉(zhuǎn)器內(nèi)；

4、可旋轉(zhuǎn)1/2波片5：采用thorlabs的消色差1/2波片，型號(hào)為aqwp05m-980，其主要性能參數(shù)：工作波段為700-1200nm；相位延遲準(zhǔn)確度λ/40-λ/230；旋轉(zhuǎn)器采用thorlabs公司型號(hào)為rsp1x15的器件，波片安裝于旋轉(zhuǎn)器內(nèi)；

5、擴(kuò)束鏡6：常規(guī)擴(kuò)束鏡，擴(kuò)束倍數(shù)取5倍，工作波長范圍為600-1000nm；

6、保偏切光鏡7：常規(guī)反射鏡，切光鏡口徑為5mm，切光角度為22.5°，+(45°)和-(-45°)線偏光經(jīng)過切光鏡反射后的消光比優(yōu)于5000：1

7、bb84偏振解碼模塊8：帶探測(cè)器的第一多模光纖8-1-1、帶探測(cè)器的第二多模光纖8-1-2、帶探測(cè)器的第三多模光纖8-2-1及帶探測(cè)器的第四多模光纖8-2-2采用thorlabs公司型號(hào)為spcm50a的單光子計(jì)數(shù)模塊，采用常規(guī)多模光纖，使用波長范圍400-2400nm，芯徑105um，數(shù)值孔徑為0.22；第三渥拉斯頓棱鏡8-1、第四渥拉斯頓棱鏡8-2選用方解石材料，其消光比優(yōu)于100000：1；消偏振bs8-3采用thorlabs公司型號(hào)為bs008的器件，其使用波長范圍770-1100nm，口徑為5mm；準(zhǔn)直透鏡8-4采用thorlabs公司型號(hào)為352150的器件，焦距為2mm；組件集成可由深圳光越科技進(jìn)行集成。

本發(fā)明模塊示意圖如1所示，其工作方式如下所述：

該發(fā)明裝置由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引入量子信號(hào)，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，通信光束沿主光路發(fā)射至接收端，部分光束經(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°偏振分量同時(shí)進(jìn)行測(cè)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(cè)量，并利用參考文獻(xiàn)“wangshao-kai.etal.《realizationofarbitraryinverseunitarytransformationofsinglemodefibrebyusingthreewaveplates.》chin.phys.lett.24(9),2471-2474(2007)”中的偏振補(bǔ)償原理控制波片組的角度來補(bǔ)償偏振態(tài)退化，從而保證出射光的線偏振狀態(tài)。偏振狀態(tài)調(diào)節(jié)完成后，通過bb84解碼模塊8所接收到的信號(hào)進(jìn)行反饋，分別調(diào)節(jié)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，最終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°線偏振方向出射，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(cè)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(cè)器的第一多模光纖8-1-1、帶探測(cè)器的第二多模光纖8-1-2、帶探測(cè)器的第三多模光纖8-2-1及帶探測(cè)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(cè)器的第一多模光纖8-1-1、帶探測(cè)器的第二多模光纖8-1-2內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，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(cè)器的第三多模光纖8-2-1、帶探測(cè)器的第四多模光纖8-2-2內(nèi)進(jìn)行探測(cè)；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°線偏振分量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。