专利名称：基于格兰棱镜极化分束的小型化高保偏量子接收模块光路的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学兀件、晶体光学、光学偏振技术，具体指一种基于格兰棱镜极化分束，空间分光的，小型化及高效率及高保偏的量子接收模块光学系统，它适用于量子通信领域的基于偏振的量子密钥分发系统中，还可以用于偏振光子的发射与探测系统。
背景技术：
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技术领域的革命，对经济和社会的进步产生难以估量的影响。国际上重要的发达国家，特别是美国、欧盟和日本均已投入大量人力物力致力于自由空间量子通信的理论和实验研究。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。空间量子通信的量子密钥分发能够完成理论安全的“一次一密”的密钥分发工作，以实现后续的保密通信。但是，由于现有量子密钥分发系统的技术不完美，就会使得通信过程出现误码，且无法与窃听行为造成的误码相区分，这就给窃听者的攻击提供了各种可能性。另外，成码率同样是我们所关心的问题，只有量子密钥分发的成码率大于零，才说明该次分发过程是无条件安全而有价值的，否则分发过程就是失败的。而成码率越低，也说明密钥分发过程的效率越低，分发后续用于“一次一密”保密通信所用的同样长度密钥的时间越长。在偏振编码的自由空间量子密钥分发中，偏振态是光子加载信息的方式，传输过程中任何偏振畸变都会引起误码，而传输过程中的偏振光子的收发效率影响系统的成码率。量子接收模块是空间量子通信系统的重要组成部分，其光学效率及保偏性能与量子通信的关键性能成码率及误码率息息相关。现在普遍应用的量子接收模块主要由BS (能量分束器)，PBS (极化分束器)组成，由于BS、PBS的性能限制，存在保偏性能不高(通常为100 1)，分光透射反射比偏离明显的特点。本发明针对空间量子通信的应用需求，基于光学偏振理论以及晶体光学理论，利用格兰棱镜优良的极化分光能力，以及小体积、易安装等优点，通过光路设计，最终实现量子接收模小型化、高保偏的目的。
发明内容
本发明的目的在于，利用可调空间分束、格兰棱镜的高保偏极化分束特性，提供一种小型化、高保偏的量子接收模块光学系统，适应空间量子通信对小型化、高效率、高保偏的量子接收模块的迫切需求。在空间大尺度的量子通信试验中，量子信号在发射端和接收端都处于单光子水平，而且对量子信号的编码采用了 BB84方案，在此方案的密钥分发过程中，我们利用光子的偏振态(图I)来代替经典二进制码(bit)，从而对信号进行编码，其中水平(H)或45° ( + )偏振对应于经典比特0;竖直(V)或135° (_)偏振对应于经典比特I。当量子信号通过接收系统的一系列反射和折射之后，原来的偏振态会有所改变，由于偏振态携带着我们要传播的信息，所以在接收端要对传播光子的偏振态进行还原，因此在接收端量子接收和测量系统中要对传输系统中光子偏振态的改变进行补偿，然后再对量子信号进行BB84方案的解码，最终由单光子探测器进行测量。由于试验过程中采用了水平(H)和竖直(V)以及45° ( + )和135° (-)四个偏振方向对量子信号进行编码，所以在分析光子通过介质 或金属表面后偏振态的变化过程中，主要考虑在这四个偏振方向上的变化。现有量子接收模块的光路如图2所示，模块主要由BS (能量分束器)，PBS (极化分束器)、半波片组成。待检测的入射量子光经由BS分成两束，分别出射向一片PBS和一个半波片加PBS的组合。其中直接入射PBS的光经PBS透射和反射可以检测+、-的偏振态，而入射半波片的H、V方向光经过半波片的透射可以转变为+、-后经由后面的PBS检测，等效于半波片和PBS的组合检测了 H、V方向的偏振态。在量子通讯过程中，通讯光的H、V、+、_不确定，但是由系统的同步光可以确定接收模块当前时刻要检测的是负责+、-的PBS还是负责H、V的半波片PBS组合，通过量子接收模块检测出当前通讯光的偏振态，从而完成量子通讯的任务并且达到保密的目的。基于BS、PBS的性能，现有模块的缺陷主要体现在以下几方面一、经过BS分光的+、_偏振态的消光比会下降，只有100 1左右，保偏性能较差；二、H、V组的偏振光经过PBS的检偏，分光透射反射比会下降，进一步影响误码及成码。综上考虑现有模块的缺陷，利用格兰棱镜高保偏极化分束特性，以及可调型空间能量分束设计，本发明提出了一种小型化、高保偏的量子接收模块的设计，如图2所示，模块光学系统由可调反射镜I、半波片2、第一格兰棱镜3和第二格兰棱镜4组成。所述的第一格兰棱镜3和第二格兰棱镜4中e光对应“ + ”光,0光对应光,“0”光与“e”光最终出射夹角为90°。其工作方式如下所述I、入射的光束经由可调反射镜I分为两束，一束经反射后垂直入射第一格兰棱镜3，第一格兰棱镜3将光束分成“H”和“V” 二路光束，另外一束光按原方向经过半波片2后垂直入射第二格兰棱镜4，第二格兰棱镜4将光束分成“ + ”和二路光束。2、模块在整个量子通讯系统中同步被告知当前准备接收H、V或者+、-基，从而选择准备进行工作的棱镜。3、在当前检测棱镜两个出射面上进行偏振检测，由此获得当前传输的基，从而完成量子通讯任务。其工作原理如下所述
入射光的能量分束由可调反射镜实现，代替现有模块中的BS功能。可调反射镜的安装角度及切入位置可调，不但可方便地调整倾角从而调整反射及透射光束按设计方向传输，而且可根据后继光学元件及探测器的效率，调整反射及透射光能量的比例。入射光的极化分束由格兰棱镜实现，代替现有模块中的PBS功能。格兰棱镜利用双折射及全反射原理，可以实现高保偏(10000 1以上)的二向极化分束功能。半波片的使用与现有量子接收模块上一样，其功能是旋转入射+、_方向偏振光至H、V方向，从而可以被后面的格兰棱镜检测，其原理可以由琼斯矩阵表达
权利要求
1. 一种基于格兰棱镜极化分束的小型化高保偏量子接收模块光路，它由可调反射镜(I)、半波片(2)、第一格兰棱镜(3)和第二格兰棱镜(4)组成，其特征在于 所述的第一格兰棱镜(3)和第二格兰棱镜(4)中e光对应“ + ”光,O光对应光,“O”光与“e”光最终出射夹角为90° ; 入射的光束经由可调反射镜(I)分为两束，一束经反射后垂直入射第一格兰棱镜(3)，第一格兰棱镜(3)将光束分成“H”和“V”二路光束，另外一束光按原方向经过半波片(2)后垂直入射第二格兰棱镜(4 )，第二格兰棱镜(4 )将光束分成“ + ”和“ -” 二路光束。
全文摘要
本发明公开一种基于格兰棱镜极化分束的小型化高保偏量子接收模块光路，它适用于基于偏振的量子密钥分发系统中。该发明基于光学偏振理论以及晶体光学理论，利用格兰棱镜优良的极化分光能力，以及小体积、易安装等优点，采用可调空间能量分束的光路设计，实现量子接收模小型化、高保偏的目的。该发明适应了空间量子通信对小型化、高效率、高保偏、高可靠的量子接收模块的迫切需求。
文档编号G02B27/28GK102819116SQ20121027399
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者王建宇, 何志平, 陈爽, 吴金才, 舒嵘, 袁立银 申请人:中国科学院上海技术物理研究所