[發(fā)明專利]一種用于量子通信的光偏振態(tài)測量和控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710069824.8
• 申請日: 2017-02-08
• 公開（公告）號(hào): CN108398188B
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉仁德;劉建宏;王立偉;許穆嵐
• 申請（專利權(quán)）人: 科大國盾量子技術(shù)股份有限公司
• 主分類號(hào): G01J4/00
• 分類號(hào): G01J4/00
• 代理公司: 北京市中聯(lián)創(chuàng)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11364
• 代理人: 王影

本發(fā)明公開了一種能夠快速檢測完全偏振光的偏振態(tài)，同時(shí)可以方便地提供偏振態(tài)控制的系統(tǒng)及方法，使得能夠在量子通信偏振編碼系統(tǒng)中采用開環(huán)式主動(dòng)偏振補(bǔ)償方案，有利于量子通信系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)測量控制領(lǐng)域，尤其涉及量子通信中光偏振態(tài)的測量與控制。

背景技術(shù)

在光學(xué)應(yīng)用中，光信號(hào)的偏振態(tài)是常見的需要進(jìn)行測量和控制的光學(xué)參數(shù)。斯托克斯矢量S可以表征任意光的偏振態(tài)，假設(shè)光束沿著笛卡爾坐標(biāo)系xyz的正z軸傳播，斯托克斯矢量的四個(gè)分量S₀、S₁、S₂和S₃可以被如下定義：

其中，S₀表示光的總光強(qiáng)；S₁表示光在x方向線偏振分量與y方向線偏振分量的光強(qiáng)差；S₂表示光在45度方向線偏振分量與-45度線偏振分量的光強(qiáng)差；S₃表示光右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量的光強(qiáng)差。

由這四個(gè)分量S₀、S₁、S₂和S₃構(gòu)成的斯托克斯矢量S習(xí)慣上由一個(gè)4*1階列矢量表示：

其中，T表示矩陣的轉(zhuǎn)置。

當(dāng)用斯托克斯矢量研究光通過光學(xué)系統(tǒng)后的偏振態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的性質(zhì)可以用稱為穆勒矩陣的4*4矩陣來表示。出射光的斯托克斯矢量S_out等于光學(xué)系統(tǒng)的穆勒矩陣M乘以入射光的斯托克斯矢量S_in，即：

現(xiàn)如今大多數(shù)偏振態(tài)檢測都?xì)w結(jié)為各個(gè)斯托克斯矢量分量S₀-S₃的測量。

現(xiàn)階段光偏振態(tài)測量，即斯托克斯矢量測量法主要有：機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)測量法和無需機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的分振幅測量法。機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)法主要是利用一個(gè)1/4波片和一個(gè)起偏器，通過控制波片在光路中的存在與否以及起偏器的角度，再根據(jù)經(jīng)此控制的光路輸出的光強(qiáng)分別得到斯托克斯矢量的四個(gè)分量，進(jìn)而測得光偏振態(tài)。該方法是對單條光路進(jìn)行測量，需要旋轉(zhuǎn)起偏器和移入移出波片，只能測量變化較慢的偏振態(tài)。

無需機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的分振幅測量法主要是將入射光波分成四束光，這四束光分別經(jīng)過不同的波片，使得這四路光最后的穆勒矩陣首行組成的矩陣是線性無關(guān)的，并對此測量矩陣進(jìn)行定標(biāo)，最后依據(jù)探測到的四路光輸出光強(qiáng)計(jì)算出入射光的斯托克斯矢量的四個(gè)分量。該方法結(jié)構(gòu)簡單，但依賴于測量矩陣的定標(biāo)。

然而，對于機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)測量法，在實(shí)現(xiàn)光偏振態(tài)測量的同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對光偏振態(tài)的控制，但其速度較慢、體積較大，并且往往只能對偏振態(tài)進(jìn)行特定的控制，不能得到任意偏振態(tài)。對于分振幅測量法，由于是固定的測量矩陣，其器件也是特定的，不能實(shí)現(xiàn)對輸出偏振態(tài)的控制。

基于BB84協(xié)議量子保密通信，依賴量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理和不可克隆性，隨機(jī)的發(fā)送兩組非正交基矢下的量子態(tài)。在偏振編碼方案中，往往采取的是|H/V和|+/-基矢進(jìn)行編碼，相應(yīng)的接收方采用2個(gè)偏振分束器對2個(gè)編碼基矢進(jìn)行解碼。發(fā)送方基矢要和接收方基矢若是不一致將導(dǎo)致誤碼。實(shí)際通信鏈路中，由于存在環(huán)境變化影響，會(huì)使得傳輸過程中光的偏振態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)送方和接收方基矢不一致，為此需要對鏈路中環(huán)境變化帶來的偏振態(tài)變化進(jìn)行補(bǔ)償。因此，對于偏振編碼方案中的解碼模塊，不僅需要快速地實(shí)現(xiàn)對編碼光脈沖偏振態(tài)的測量，還要求提供偏振控制能力，以便能夠提供偏振反饋控制。