一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置及方法与流程

本发明属于量子通信，涉及一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置及方法。

背景技术：

1、量子保密通信是不同于经典通信的一种保密通信方式，能够在通信双方之间产生完全一致的无条件安全的密钥，该密钥可通过“一次一密”的方式加密经典信息，即能够保证信息传递的高安全性，因而受到广泛关注。基于bb84协议的偏振编码方案中，包含一对正交偏振态的基矢和另一对正交偏振态的基矢加载在光子态上，两对基矢之间的夹角保持为45°。

2、具体实现该编码方案通常包括采用多激光器的自由空间编码方案和采用光纤偏振旋光技术的全光纤编码方案。自由空间偏振编码采用多激光器方案，多个激光器(ld)发出的光脉冲经不同路径后得到不同的特定偏振态，通过控制激光器的发光与否，实现所需偏振态的制备，光脉冲经合束器件(例如分光棱镜pbs)合束输出。全光纤编码方案中，可将单激光器出射光经光纤分束器分为四路光，采用被动编码(根据时分或光开关选择光路)或主动编码(相位调制等)，经不同路径后得到不同的特定偏振态，实现所需偏振态的制备，不同偏振态经光纤合束器合束进入单模光纤后输出。

3、在现有技术的用于实现偏振编码的几种技术方案中，自由空间偏振编码基于多激光器分别发光产生四种偏振态的方案，需要用到四个激光器并分别进行驱动发光，由于激光器之间的工艺差异性，且各自驱动信号难以保证完全一致。多个激光器发光特征难免会存在一定的差异(如光谱形状、中心波长及脉冲时域特性等)，四种偏振态之间可能存在一定的可区分性，难以符合量子通信的实际安全性要求。通过单个激光器实现光脉冲偏振态的高速稳定调制是偏振编码量子密钥分发应用的重要问题。而全光纤偏振编码方案，虽然利用光纤分束器减少了光源的数量，利用保偏光纤的保偏性能可以较高精度进行正交偏振态调制，但是对于偏振光的偏振方向精确地调制为45°时，若采用主动编码，电子学调制信号要与光脉冲信号到达相位调制器的时间关系稳定而准确，使得光路稳定性要求较高，电子学调制难度较高；而采用光纤器件调制45°，由于偏振态在光纤信道中极不稳定，尤其是单模光纤难以稳定保持其偏振态，无法精确保持输入光45°的偏振方向。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置及方法，用以解决多激光器方案可能造成的模式不匹配，全光纤编码方案无法稳定保持45°偏振态的问题。

2、本发明解决技术的方案是：一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置，包括保偏激光器、保偏光纤分束器、第一强度调制器、第二强度调制器、第三强度调制器、第四强度调制器、随机信号源、第一保偏偏振耦合器、第二保偏偏振耦合器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、半波片、分光棱镜；

3、保偏激光器发出慢轴激光由保偏光纤分束器分为四条光路，每一条光路上分别使用一个强度调制器控制光路通断，四个强度调制器的通断由随机信号源控制，使得一个时刻只有一路出光；

4、第一强度调制器、第二强度调制器的输出端与第一保偏偏振耦合器的输入端相连，第三强度调制器、第四强度调制器与第二保偏偏振耦合器的输入端相连；第一强度调制器、第二强度调制器、第三强度调制器、第四强度调制器将连续光调制为脉冲光；第一保偏偏振耦合器的输出端与第一光纤准直器相连，第二保偏偏振耦合器的输出端与第二光纤准直器相连，通过两个光纤准直器，偏振光由光纤编码光路进入自由空间编码光路；

5、所述自由空间编码光路中，第二光纤准直器输出光经半波片旋光后，与第一光纤准直器输出光通过分光棱镜合束。

6、进一步的，所述保偏激光器输出连续光。

7、进一步的，所述随机信号源采用随机数发生器生成随机信号，第一强度调制器、第二强度调制器、第三强度调制器、第四强度调制器由同一随机信号控制，实现一个时刻只有一个强度控制器出光。

8、进一步的，所述偏振编码装置中使用的连接光纤均为保偏光纤。

9、进一步的，所述第一保偏偏振耦合器将第一强度调制器、第二强度调制器在不同时刻输出的两个慢轴激光转化为保偏光纤中的慢轴激光和快轴激光，并从同一通道输出；

10、所述第二保偏偏振耦合器将第三度调制器、第四强度调制器在不同时刻输出的两个慢轴激光转化为保偏光纤中的慢轴激光和快轴激光，并从同一通道输出；其中，慢轴激光和快轴激光相互正交。

11、进一步的，所述半波片慢轴与保偏光纤的慢轴夹角为22.5°。

12、进一步的，分光棱镜实现两束光45°非正交合束。

13、进一步的，提供一种光纤与自由空间混合的偏振编码方法，包括以下过程：

14、保偏激光器产生水平偏振的连续光，进入保偏光纤分束器被均匀分为四路光，分别进入四个强度调制器，由随机信号控制四个强度调制器工作状态，随机对任意三路光进行消光，同时控制没有被强度调制器随机消光的光路的出光时间，将连续光调制为脉冲光；其中，四个强度调制器输出端输出的偏振状态均为慢轴激光；

15、第一强度调制器、第二强度调制器输出的两个慢轴激光经第一保偏偏振耦合器转化为保偏光纤中相互正交的慢轴激光和快轴激光，通过保偏偏振耦合器的同一输出通道输出到第一光纤准直器，偏振光由光纤编码光路进入自由空间编码光路；

16、第三强度调制器、第四强度调制器输出的两个慢轴激光经第二保偏偏振耦合器转化为保偏光纤中相互正交的慢轴激光和快轴激光，通过第二保偏偏振耦合器的同一输出通道输出到第二光纤准直器，偏振光由光纤编码光路进入自由空间编码光路；

17、使用半波片对第二光纤准直器输出的两束光进行45°旋转，完成所需偏振方向的调制；

18、第二光纤准直器输出光经半波片旋光后，与第一光纤准直器输出光通过分光棱镜合束。

19、进一步的，当随机信号任意选择一个强度调制器不进行消光时，在分光棱镜的合束端口随机输出0°、45°、90°、135°四种偏振状态的一种。

20、本发明与现有技术相比的有益效果是：

21、(1)本发明采用保偏光纤分束器进行单激光器多路分光，结合四个强度调制器控制光路出光，强度调制器对激光器出射的连续光实现高速脉冲调制，解决了偏振编码量子密钥分发系统中采用单个激光器实现高速稳定调制光脉冲偏振态的难题。

22、(2)本发明两个保偏偏振耦合器输出的两对正交偏振态经光纤准直器进入自由空间，使用22.5°半波片对第二光纤准直器输出的合束光进行旋光，实现了在自由空间中两对基矢的45°非正交耦合，避免了偏振态在光纤信道(尤其是单模光纤信道)中传输的不稳定性，提高了调制精度。

技术特征：

1.一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置，其特征在于，包括保偏激光器(1)、保偏光纤分束器(2)、第一强度调制器(3)、第二强度调制器(4)、第三强度调制器(5)、第四强度调制器(6)、随机信号源(7)、第一保偏偏振耦合器(8)、第二保偏偏振耦合器(9)、第一光纤准直器(10)、第二光纤准直器(11)、半波片(12)、分光棱镜(13)；

2.根据权利要求1所述的一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置，其特征在于，所述保偏激光器(1)输出连续光。

3.根据权利要求1所述的一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置，其特征在于，所述随机信号源(7)采用随机数发生器生成随机信号，第一强度调制器(3)、第二强度调制器(4)、第三强度调制器(5)、第四强度调制器(6)由同一随机信号控制，实现一个时刻只有一个强度控制器出光。

4.根据权利要求1所述的一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置，其特征在于，所述偏振编码装置中使用的连接光纤均为保偏光纤。

5.根据权利要求4所述的一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置，其特征在于，所述第一保偏偏振耦合器(8)将第一强度调制器(3)、第二强度调制器(4)在不同时刻输出的两个慢轴激光转化为保偏光纤中的慢轴激光和快轴激光，并从同一通道输出；

6.根据权利要求5所述的一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置，其特征在于，所述半波片(12)慢轴与保偏光纤的慢轴夹角为22.5°。

7.根据权利要求1所述的一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置，其特征在于，分光棱镜(13)实现两束光45°非正交合束。

8.基于权利要求6所述装置的一种光纤与自由空间混合的偏振编码方法，其特征在于，包括以下过程：

9.根据权利要求8所述的一种光纤与自由空间混合的偏振编码方法，其特征在于，当随机信号任意选择一个强度调制器不进行消光时，在分光棱镜(13)的合束端口随机输出0°、45°、90°、135°四种偏振状态的一种。

技术总结
本发明涉及一种光纤与自由空间混合的偏振编码装置及方法，包括保偏激光器、四个强度调制器、随机信号源、两个保偏偏振耦合器、两个光纤准直器、半波片、分光棱镜；通过控制强度调制器，随机选择四路光中某一路发出光脉冲，通过之后的保偏偏振耦合器与其相正交的一路信号进行合束，两合束光分别经光纤准直器进入自由空间，之后通过自由空间光路实现两路光非正交合束，从而获得四种非正交的偏振状态，其中根据随机信号对强度调制器随机选择，在合束端口随机输出四种偏振状态的一种。本发明通过对光纤与自由空间结合的编码方式，不仅解决了多激光器波长不一致的问题，还减少了光纤对偏振变化的干扰。提高了偏振精度，保证了量子态制备的安全性。

技术研发人员：崔豆,孙晓洁,江淮,刘爽,阚宝玺,王学锋
受保护的技术使用者：北京航天控制仪器研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15