[發(fā)明專利]一種空間-光纖耦合陣列逆向調(diào)制自由空間QKD系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011596712.6
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112688777B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發(fā)明（設計）人: 郭邦紅;朱明昊;胡敏
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/11;H04B10/25;H04B10/516;H04B10/70
• 代理公司: 廣州圣理華知識產(chǎn)權代理有限公司 44302
• 代理人: 頓海舟;李唐明

1.一種空間-光纖耦合陣列逆向調(diào)制自由空間QKD系統(tǒng)，其特征在于，包括詢問端和逆向調(diào)制端；所述詢問端配置為產(chǎn)生圓偏振強光信號，對量子信號的偏振態(tài)進行測量，發(fā)送或接收光信號；所述逆向調(diào)制端配置為接收來自詢問端的光信號，并對該光信號進行偏振調(diào)制和強度調(diào)制，將接收到的光信號調(diào)制成符合BB84協(xié)議的弱相干態(tài)信號，且該弱相干態(tài)信號以與接收到的光信號相反的方向反射回詢問端；

所述詢問端包括信號發(fā)送系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)和望遠鏡系統(tǒng)；其中，所述信號發(fā)送系統(tǒng)配置為產(chǎn)生強光信號；信號接收系統(tǒng)配置為接收量子信號并進行信號的偏振態(tài)測量；望遠鏡系統(tǒng)配置為將信號發(fā)送系統(tǒng)產(chǎn)生的光信號通過自由空間發(fā)送至逆向調(diào)制端，并接收來自逆向調(diào)制端反射的量子信號，將其傳輸至信號接收系統(tǒng)；

所述逆向調(diào)制端包括第一寬視場透鏡、第二寬視場透鏡、半透半反鏡、第一球形端面光纖耦合陣列、第二球形端面光纖耦合陣列、第一光開關、第二光開關、單模光纖、光纖濾波器、光隔離器、分束器、高速光電探測器、偏振調(diào)制器、強度調(diào)制器、光衰減器、到達角傳感器、反饋單元、調(diào)制單元以及控制單元；

所述偏振調(diào)制器配置為對輸入的光信號的偏振態(tài)進行調(diào)制，其中，調(diào)制單元配置為產(chǎn)生一串隨機數(shù)序列；所述調(diào)制單元中的偏振調(diào)制驅(qū)動電路根據(jù)該串隨機數(shù)序列，控制偏振調(diào)制器將入射的偏振光信號調(diào)制成BB84協(xié)議中對應的偏振態(tài)；

所述強度調(diào)制器配置為對輸入光信號的強度進行調(diào)制，其中，調(diào)制單元配置為產(chǎn)生另一串隨機數(shù)序列，調(diào)制單元中的強度調(diào)制驅(qū)動電路根據(jù)該串隨機數(shù)序列，控制強度調(diào)制器將入射的光信號調(diào)制成誘騙態(tài)協(xié)議中對應的誘騙態(tài)；

所述信號發(fā)送系統(tǒng)包括激光器和偏振調(diào)制器；所述激光器產(chǎn)生脈沖光信號，脈沖光信號經(jīng)過偏振調(diào)制器調(diào)制成圓偏振態(tài)的光信號，將該圓偏振態(tài)的光信號由望遠鏡系統(tǒng)經(jīng)自由空間傳輸?shù)侥嫦蛘{(diào)制端；

所述信號接收系統(tǒng)包括分束器、第一偏振分束器、半波片、第二偏振分束器以及四個單光子探測器；其中，四個單光子探測器分別對應BB84協(xié)議所使用的四個偏振態(tài)。

2.如權利要求1所述的逆向調(diào)制自由空間QKD系統(tǒng)，其特征在于，當所述信號接收系統(tǒng)接收到量子信號時，所述量子信號經(jīng)過分束器，以相等的概率透射或反射；當量子信號透射時，首先經(jīng)過與直角基光軸夾角為22.5°的半波片，隨后經(jīng)過第偏振分束器分離出水平和垂直的偏振光，且該水平和垂直的偏振光分別被兩個單光子探測器所探測；當量子信號反射時，直接經(jīng)過第二偏振分束器分離出水平和垂直的偏振光，且該水平和垂直的偏振光分別被兩個單光子探測器探測。

3.如權利要求1所述的逆向調(diào)制自由空間QKD系統(tǒng)，其特征在于，所述第一寬視場透鏡用于對入射的平行光束進行會聚；第二寬視場透鏡與第一寬視場透鏡具有相同的透鏡結構，且二者的光軸互相平行。

4.如權利要求1所述的逆向調(diào)制自由空間QKD系統(tǒng)，其特征在于，所述第一球形端面光纖耦合陣列和第二球形端面光纖耦合陣列具有相同的結構，其像素數(shù)量相同，且排列相同；

在量子密鑰分發(fā)過程中，輸入至第一球形端面光纖耦合陣列的光信號為強光信號；輸入至第二球形端面光纖耦合陣列的光信號為量子信號；陣列像素的開關狀態(tài)由所述控制單元控制。

5.如權利要求1所述的逆向調(diào)制自由空間QKD系統(tǒng)，其特征在于，所述第一球形端面光纖陣列的球形端面陣列位于第一寬視場透鏡的焦平面；第二球形端面光纖耦合陣列的球形端面陣列位于第二寬視場透鏡的焦平面；

在所述第一球形端面光纖陣列通過第一光開關耦合到一根單模光纖中；入射的光信號會聚在到達角傳感器的像素上產(chǎn)生光電流，當監(jiān)測到某個像素的光電流高于預先設定的閾值時，該像素則認定為被照明。

6.如權利要求5所述的逆向調(diào)制自由空間QKD系統(tǒng)，其特征在于，所述第一球形端面光纖耦合陣列、第二球形端面光纖耦合陣列均為N×M球形端面光纖耦合陣列，其中，N×M球形端面光纖耦合陣列由N×M個球形端面光纖組合排列構成，一根球形端面光纖對應一個像素；球形端面的半徑為r，光纖的半徑為R，像素的直徑為x，像素與像素之間的間距為x+y，像素與像素之間的間隔為y，像素具有M行N列，共N×M個像素。