专利名称：二镜模型系统中的偏振跟踪装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种二镜模型系统中的偏振跟踪装置，属于卫星量子通信中的偏振跟踪技术领域。
背景技术：
空间点对点量子通信受限于通信双方间的视线距离。为了实现全球任意两点间的保密通信，建立天基量子通信网络系统，需要通过卫星进行量子通信。目前，卫星量子通信研究主要集中在可行性论证方面。Rarity等人针对低轨卫星-地面站间量子密钥分配，提出三种系统模型第一种为激光器和编码在地面站，探测器在卫星上；第二种为激光器和编码在卫星上，探测器在地面站；第三种为激光器和探测器在地面站，回射器和偏振调制在卫星上。其中第二种模型可以实现较高的量子比特率和较低的发射重量，但在太空对激光器进行温度控制以及以10 μ rad量级的精度从卫星向地面瞄准时具有一定风险；第一种模型具有较低的风险，但却降低了量子比特率。因为受到星上重量的限制，卫星上光学接收天线孔径一般要小于30cm，对于低轨卫星，更合适的应该为IOcm左右。该模型也需要主动瞄准系统以补偿由大气湍流而引起的快速光束漂移。如果轻重量高速偏振调制器得到发展，那么第三种模型就会有很强的竞争力。Aspelmeyer等人研究了卫星量子纠缠分配问题,对卫星链路、链路要求和衰减、空间纠缠的技术需求以及空间量子通信的技术现状和限制等方面进行了分析和讨论。Miao等人研究了背景光对星地量子密钥分配的影响，通过比较每个脉冲噪声光子数和信号光子数，对实际系统的技术需求进行了评估，结果表明在夜晚条件下星地量子密钥分配是具有可行性的。Bonato等人研究了卫星运动对星地量子通信中偏振量子比特的影响。将瞄准系统简化为二镜模型，理论分析了二镜模型系统对S偏振分量传输的影响，对补偿方案进行了可行性分析和讨论。Villoresi等人通过实验证实了星地量子信道的可行性。该实验模拟了卫星上的单光子源，开发了意大利空间局Matera激光测距观察站的望远镜以探测单光子。弱激光脉冲由地面站发射，通过卫星反射回地面站接收机。被反射回的脉冲平均每个脉冲少于一个光子。实验能够探测到由低地轨道卫星Ajisai反射回的光子，该卫星近地点轨道高度为1485km。偏振跟踪是卫星量子通信中的关键技术之一。在偏振编码卫星量子通信中，发射机和接收机需要具有共同的偏振基准，这样才能完成量子通信协议。但是，由于发射机或接收机处于太空中，使两者具有共同的偏振基准难以得到保证。而且，当发射机和接收机进入闭环锁定跟踪状态之后，由于卫星动力学过程，发射机和接收机沿其共同中心连线有可能发生相对旋转，使得偏振基准发生改变。为了实现量子通信协议，需要对偏振基准进行补偿即偏振跟踪(Polarization Tracking) [0008]Nordholt等人针对星地量子密钥分配首先提出了偏振跟踪思想。偏振零方向由来自于发射机或接收机的信标进行定义，通过旋转地面站的半波片进行补偿。Ma等人发展了这一思想，建立了基于半波片的偏振跟踪理论模型。近来，Toyoshima等人提出了采用偏振旋转器的偏振跟踪方法。由Ma等人和Toyoshima等人提出的偏振补偿方案没有考虑猫准捕获跟踪(pointing-acquisition-tracking, PAT)系统对偏振量子比特传输的影响，因此不适用于卫星量子通信链路。Bonato等人将瞄准系统简化为二镜模型，也就是说，在卫星上的第一个平面镜发射光子到地面站，在地面站的第二个平面镜接收光子并进入偏振分析装置。他们研究了两个平面镜对S偏振分量传输的影响，给出了相应的表达式。对于星地量子通信中的偏振跟踪，基于地面接收机只需跟踪和补偿卫星发射机的偏振零方向。这要求所有量子比特的偏振方向和偏振零方向间的相对角度在整个量子通信过程中要保持不变。只有满足这个条件，才能正确的发射和接收偏振量子比特，才能完成量子通信协议。 在基于二镜模型的星地链路中，两个平面镜对偏振量子比特的传输会产生影响。S偏振分量和P偏振分量在光束传输方向的横截面内要发生旋转。因为P偏振分量垂直于S偏振分量，所以如果S偏振分量是已知的，那么P偏振分量就能被确定。
实用新型内容本实用新型是为了解决现有二镜模型系统中发射机和接收机需要具有共同的偏振基准，才能完成量子通信协议的问题，提供一种二镜模型系统中的偏振跟踪装置。本实用新型所述二镜模型系统中的偏振跟踪装置，它包括第一平面镜和第二平面镜，它还包括激光二极管、第一偏振片、扩束镜、透射式望远镜、干涉滤波器、半波片、第二偏振片和光功率探测器，激光二极管的出射光束经第一偏振片起偏形成偏振光束,该偏振光束经扩束镜扩束后入射至第一平面镜，由第一平面镜反射的反射光束入射至第二平面镜，由第二平面镜反射的反射光束经透射式望远镜入射至干涉滤波器，经干涉滤波器滤波后的光束经半波片入射至第二偏振片，经第二偏振片检偏后的光束被光功率探测器的光探测端接收。所述激光二极管的出射光束的波长为650nm。所述第一偏振片的消光比为I : 1000。所述扩束镜的扩束倍数为5-10倍。所述透射式望远镜的接收孔径为6cm。所述干涉滤波器的中心波长为650nm，带宽为10nm。本实用新型的优点是本实用新型采用两个平面镜，即二镜模型系统建立空间光链路，简化了实际量子通信系统中的瞄准捕获跟踪子系统，有利于进行基于瞄准捕获跟踪的偏振跟踪理论模型的建立和相关偏振跟踪技术的实验演示。针对二镜模型系统中的偏振跟踪问题，本实用新型通过旋转半波片对发射机的偏振零方向进行补偿，从而实现偏振跟踪技术。采用被动光学元件半波片进行偏振跟踪，能够简化实际量子通信偏振跟踪子系统的光学设计，减轻卫星量子通信终端的有效载荷，有利于实际卫星量子通信的实现。
图I为本实用新型的结构示意图图2为确定发射机Alice偏振零方向的偏振消光曲线图；图3为采用本实用新型所述装置偏振补偿后的偏振消光曲线图；图4为二镜模型系统对偏振零方向与从O度到80度9个偏振态间相对角度的影响曲线图。
具体实施方式
具体实施方式
一下面结合图I说明本实施方式，本实施方式所述二镜模型系统中的偏振跟踪装置，它包括第一平面镜I和第二平面镜2，它还包括激光二极管3、第一偏振片4、扩束镜5、透射式望远镜6、干涉滤波器7、半波片8、第二偏振片9和光功率探测器10，激光二极管3的出射光束经第一偏振片4起偏形成偏振光束,该偏振光束经扩束镜5扩束后入射至第一平面镜1，由第一平面镜I反射的反射光束入射至第二平面镜2，由第二平面镜2反射的反射光束经透射式望远镜6入射至干涉滤波器7，经干涉滤波器7滤波后的光束经半波片8入射至第二偏振片9，经第二偏振片9检偏后的光束被光功率探测器10的光探测端接收。所述干涉滤波器7用来减少背景光，半波片8可被旋转以用于偏振跟踪。激光二极管3、第一偏振片4、扩束镜5和第一平面镜I组成发射机Alice，第二平面镜2、透射式望远镜6、干涉滤波器7、半波片8、第二偏振片9和光功率探测器10组成接收机Bob。使用中，将发射机Alice和接收机Bob分别置于两个可移动的光学平台上，可使二者之间的视线距离约为75m。发射机Alice和接收机Bob分别具有各自的偏振基准，其偏振零方向处于不同的参考系中。由发射机Alice发射的偏振信标光,其偏振方向被定义为Alice的偏振零方向。经过扩束镜5，偏振信标光被第一平面镜I反射到第二平面镜2 ;再被第二平面镜2反射，经过透射式望远镜6，偏振信标光进入Bob的偏振分析装置。
具体实施方式
二 本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述激光二极管3的出射光束的波长为650nm。
具体实施方式
三本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述第一偏振片4的消光比为I : 1000。
具体实施方式
四本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述扩束镜5的扩束倍数为5-10倍。
具体实施方式
五本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述透射式望远镜6的接收孔径为6cm。
具体实施方式
六下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，所述干涉滤波器7的中心波长为650nm，带宽为10nm。本实用新型所述的偏振跟踪装置需在夜晚条件下进行实验，在实验中，首先在接收机Bob参考系中通过旋转第二偏振片9确定发射机Alice的偏振零方向，这时不需要使用半波片8。在Bob参考系中，位置角度为零度的方向被定义为Bob的偏振零方向。确定Alice偏振零方向的偏振消光曲线如图2所示。当位置角度为143度时，光功率达到最大值，Al ice的偏振零方向位于143度。为了补偿Alice的偏振零方向，使用半波片8并旋转到71. 5度。偏振补偿后的偏振消光曲线如图3所示。当位置角度为357度时，光功率达到最大值。因此，由偏振跟踪引起的角度偏差为3度。实验还可测试二镜模型系统对偏振零方向与从O度到80度9个偏振态间相对角度的影响，实验结果如图4所示。可以看出，最大角度偏差为4度，最小角度偏差为O度。对于9个偏振态，由二镜模型系统造成的平均角度偏差为2度。实验中，引起角度偏差的主要因素 是光学元件的非理想性，这些元件包括平面镜、偏振片和半波片。基于二镜模型，上述实验可演示基于半波片的偏振补偿方案。通过测量来自于Al ice偏振信标光的偏振消光曲线跟踪Al ice的偏振零方向，通过旋转半波片8实现偏振补
\-ΖΧ ο
权利要求1.一种二镜模型系统中的偏振跟踪装置，它包括第一平面镜(I)和第二平面镜(2)，其特征在于它还包括激光二极管(3)、第一偏振片(4)、扩束镜(5)、透射式望远镜￠)、干涉滤波器(7)、半波片(8)、第二偏振片(9)和光功率探测器(10)，激光二极管(3)的出射光束经第一偏振片(4)起偏形成偏振光束,该偏振光束经扩束镜(5)扩束后入射至第一平面镜(I)，由第一平面镜(I)反射的反射光束入射至第二平面镜(2)，由第二平面镜(2)反射的反射光束经透射式望远镜(6)入射至干涉滤波器(7)，经干涉滤波器(7)滤波后的光束经半波片(8)入射至第二偏振片(9)，经第二偏振片(9)检偏后的光束被光功率探测器(10)的光探测端接收。
2.根据权利要求I所述的二镜模型系统中的偏振跟踪装置，其特征在于所述激光二极管(3)的出射光束的波长为650nm。
3.根据权利要求I或2所述的二镜模型系统中的偏振跟踪装置，其特征在于所述第一偏振片(4)的消光比为I : 1000。
4.根据权利要求3所述的二镜模型系统中的偏振跟踪装置，其特征在于所述扩束镜(5)的扩束倍数为5-10倍。
5.根据权利要求4所述的二镜模型系统中的偏振跟踪装置，其特征在于所述透射式望远镜(6)的接收孔径为6cm。
6.根据权利要求4所述的二镜模型系统中的偏振跟踪装置，其特征在于所述干涉滤波器(7)的中心波长为650nm,带宽为10nm。
专利摘要二镜模型系统中的偏振跟踪装置，属于卫星量子通信中的偏振跟踪技术领域。它解决了现有二镜模型系统中发射机和接收机需要具有共同的偏振基准，才能完成量子通信协议的问题。它的激光二极管的出射光束经第一偏振片起偏形成偏振光束，该偏振光束经扩束镜扩束后入射至第一平面镜，由第一平面镜反射的反射光束入射至第二平面镜，由第二平面镜反射的反射光束经透射式望远镜入射至干涉滤波器，经干涉滤波器滤波后的光束经半波片入射至第二偏振片，经第二偏振片检偏后的光束被光功率探测器的光探测端接收。本实用新型用于卫星量子通信中的偏振跟踪。
文档编号G05D3/12GK202383526SQ20112056589
公开日2012年8月15日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者啜阳, 张光宇, 张晓静, 朱智涵, 王振华, 王语柠, 胡长军, 赵双 申请人:哈尔滨理工大学