[發明專利]基于格蘭棱鏡極化分束的小型化高保偏量子接收模塊光路

無效

• 申請號: 201210273995.X
• 申請日: 2012-08-03
• 公開（公告）號: CN102819116A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 王建宇;何志平;陳爽;吳金才;舒嶸;袁立銀
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G02B27/28
• 分類號: G02B27/28;G02B27/10
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及光學元件、晶體光學、光學偏振技術，具體指一種基于格蘭棱鏡極化分束，空間分光的，小型化及高效率及高保偏的量子接收模塊光學系統，它適用于量子通信領域的基于偏振的量子密鑰分發系統中，還可以用于偏振光子的發射與探測系統。

背景技術

保密通信是一種讓通信雙方在絕密狀態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的安全性、信息傳輸通道容量和效率等，是未來信息技術發展的重要戰略性方向，并極有可能引起諸多科學和技術領域的革命，對經濟和社會的進步產生難以估量的影響。國際上重要的發達國家，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驗研究。

近年來，量子通信研究進展迅速，遠距離量子通信則成為了國際激烈競爭的焦點。目前量子通信的技術手段主要包括：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無法避免，目前低損耗光纖的性能已經逼近理論極限，利用光纖在相距100公里以上的兩點建立量子信道變得非常困難。自由空間量子信道是當前實現遠距離量子通信實驗的最為可行的方案之一，空間量子通信正處于從原理性研究走向實用化應用的關鍵時期。如何突破距離的限制在更廣域的范圍內實現量子通信過程成為擺在人們面前的難題，一旦取得突破將在整個量子通信研究領域產生極其深遠的影響。

空間量子通信的量子密鑰分發能夠完成理論安全的“一次一密”的密鑰分發工作，以實現后續的保密通信。但是，由于現有量子密鑰分發系統的技術不完美，就會使得通信過程出現誤碼，且無法與竊聽行為造成的誤碼相區分，這就給竊聽者的攻擊提供了各種可能性。另外，成碼率同樣是我們所關心的問題，只有量子密鑰分發的成碼率大于零，才說明該次分發過程是無條件安全而有價值的，否則分發過程就是失敗的。而成碼率越低，也說明密鑰分發過程的效率越低，分發后續用于“一次一密”保密通信所用的同樣長度密鑰的時間越長。

在偏振編碼的自由空間量子密鑰分發中，偏振態是光子加載信息的方式，傳輸過程中任何偏振畸變都會引起誤碼，而傳輸過程中的偏振光子的收發效率影響系統的成碼率。量子接收模塊是空間量子通信系統的重要組成部分，其光學效率及保偏性能與量子通信的關鍵性能：成碼率及誤碼率息息相關。現在普遍應用的量子接收模塊主要由BS（能量分束器），PBS（極化分束器）組成，由于BS、PBS的性能限制，存在保偏性能不高（通常為100：1），分光透射反射比偏離明顯的特點。本發明針對空間量子通信的應用需求，基于光學偏振理論以及晶體光學理論，利用格蘭棱鏡優良的極化分光能力，以及小體積、易安裝等優點，通過光路設計，最終實現量子接收模小型化、高保偏的目的。

發明內容

本發明的目的在于，利用可調空間分束、格蘭棱鏡的高保偏極化分束特性，提供一種小型化、高保偏的量子接收模塊光學系統，適應空間量子通信對小型化、高效率、高保偏的量子接收模塊的迫切需求。

在空間大尺度的量子通信試驗中,量子信號在發射端和接收端都處于單光子水平,而且對量子信號的編碼采用了BB84方案,在此方案的密鑰分發過程中,我們利用光子的偏振態(圖1)來代替經典二進制碼(bit),從而對信號進行編碼,其中水平（H）或45°（+）偏振對應于經典比特0;豎直（V）或135°（-）偏振對應于經典比特1。當量子信號通過接收系統的一系列反射和折射之后,原來的偏振態會有所改變,由于偏振態攜帶著我們要傳播的信息,所以在接收端要對傳播光子的偏振態進行還原,因此在接收端量子接收和測量系統中要對傳輸系統中光子偏振態的改變進行補償，然后再對量子信號進行BB84方案的解碼，最終由單光子探測器進行測量。由于試驗過程中采用了水平（H）和豎直（V）以及45°（+）和135°（-）四個偏振方向對量子信號進行編碼,所以在分析光子通過介質或金屬表面后偏振態的變化過程中,主要考慮在這四個偏振方向上的變化。