專利名稱：二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，屬于衛(wèi)星量子通信中的偏振跟蹤技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
空間點對點量子通信受限于通信雙方間的視線距離。為了實現(xiàn)全球任意兩點間的保密通信，建立天基量子通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要通過衛(wèi)星進(jìn)行量子通信。目前，衛(wèi)星量子通信研究主要集中在可行性論證方面。Rarity等人針對低軌衛(wèi)星-地面站間量子密鑰分配，提出三種系統(tǒng)模型第一種為激光器和編碼在地面站，探測器在衛(wèi)星上；第二種為激光器和編碼在衛(wèi)星上，探測器在地面站；第三種為激光器和探測器在地面站，回射器和偏振調(diào)制在衛(wèi)星上。其中第二種模型可以實現(xiàn)較高的量子比特率和較低的發(fā)射重量，但在太空對激光器進(jìn)行溫度控制以及以10 μ rad量級的精度從衛(wèi)星向地面瞄準(zhǔn)時具有一定風(fēng)險；第一種模型具有較低的風(fēng)險，但卻降低了量子比特率。因為受到星上重量的限制，衛(wèi)星上光學(xué)接收天線孔徑一般要小于30cm，對于低軌衛(wèi)星，更合適的應(yīng)該為IOcm左右。該模型也需要主動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)以補(bǔ)償由大氣湍流而引起的快速光束漂移。如果輕重量高速偏振調(diào)制器得到發(fā)展，那么第三種模型就會有很強(qiáng)的競爭力。Aspelmeyer等人研究了衛(wèi)星量子糾纏分配問題,對衛(wèi)星鏈路、鏈路要求和衰減、空間糾纏的技術(shù)需求以及空間量子通信的技術(shù)現(xiàn)狀和限制等方面進(jìn)行了分析和討論。Miao等人研究了背景光對星地量子密鑰分配的影響，通過比較每個脈沖噪聲光子數(shù)和信號光子數(shù)，對實際系統(tǒng)的技術(shù)需求進(jìn)行了評估，結(jié)果表明在夜晚條件下星地量子密鑰分配是具有可行性的。Bonato等人研究了衛(wèi)星運動對星地量子通信中偏振量子比特的影響。將瞄準(zhǔn)系統(tǒng)簡化為二鏡模型，理論分析了二鏡模型系統(tǒng)對S偏振分量傳輸?shù)挠绊?，對補(bǔ)償方案進(jìn)行了可行性分析和討論。Villoresi等人通過實驗證實了星地量子信道的可行性。該實驗?zāi)M了衛(wèi)星上的單光子源，開發(fā)了意大利空間局Matera激光測距觀察站的望遠(yuǎn)鏡以探測單光子。弱激光脈沖由地面站發(fā)射，通過衛(wèi)星反射回地面站接收機(jī)。被反射回的脈沖平均每個脈沖少于一個光子。實驗?zāi)軌蛱綔y到由低地軌道衛(wèi)星Ajisai反射回的光子，該衛(wèi)星近地點軌道高度為1485km。偏振跟蹤是衛(wèi)星量子通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一。在偏振編碼衛(wèi)星量子通信中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要具有共同的偏振基準(zhǔn)，這樣才能完成量子通信協(xié)議。但是，由于發(fā)射機(jī)或接收機(jī)處于太空中，使兩者具有共同的偏振基準(zhǔn)難以得到保證。而且，當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)入閉環(huán)鎖定跟蹤狀態(tài)之后，由于衛(wèi)星動力學(xué)過程，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)沿其共同中心連線有可能發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，使得偏振基準(zhǔn)發(fā)生改變。為了實現(xiàn)量子通信協(xié)議，需要對偏振基準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償即偏振跟蹤(Polarization Tracking) [0008]Nordholt等人針對星地量子密鑰分配首先提出了偏振跟蹤思想。偏振零方向由來自于發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的信標(biāo)進(jìn)行定義，通過旋轉(zhuǎn)地面站的半波片進(jìn)行補(bǔ)償。Ma等人發(fā)展了這一思想，建立了基于半波片的偏振跟蹤理論模型。近來，Toyoshima等人提出了采用偏振旋轉(zhuǎn)器的偏振跟蹤方法。由Ma等人和Toyoshima等人提出的偏振補(bǔ)償方案沒有考慮貓準(zhǔn)捕獲跟蹤(pointing-acquisition-tracking, PAT)系統(tǒng)對偏振量子比特傳輸?shù)挠绊懀虼瞬贿m用于衛(wèi)星量子通信鏈路。Bonato等人將瞄準(zhǔn)系統(tǒng)簡化為二鏡模型，也就是說，在衛(wèi)星上的第一個平面鏡發(fā)射光子到地面站，在地面站的第二個平面鏡接收光子并進(jìn)入偏振分析裝置。他們研究了兩個平面鏡對S偏振分量傳輸?shù)挠绊?，給出了相應(yīng)的表達(dá)式。對于星地量子通信中的偏振跟蹤，基于地面接收機(jī)只需跟蹤和補(bǔ)償衛(wèi)星發(fā)射機(jī)的偏振零方向。這要求所有量子比特的偏振方向和偏振零方向間的相對角度在整個量子通信過程中要保持不變。只有滿足這個條件，才能正確的發(fā)射和接收偏振量子比特，才能完成量子通信協(xié)議。 在基于二鏡模型的星地鏈路中，兩個平面鏡對偏振量子比特的傳輸會產(chǎn)生影響。S偏振分量和P偏振分量在光束傳輸方向的橫截面內(nèi)要發(fā)生旋轉(zhuǎn)。因為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偏振分量就能被確定。

實用新型內(nèi)容本實用新型是為了解決現(xiàn)有二鏡模型系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要具有共同的偏振基準(zhǔn)，才能完成量子通信協(xié)議的問題，提供一種二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置。本實用新型所述二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，它包括第一平面鏡和第二平面鏡，它還包括激光二極管、第一偏振片、擴(kuò)束鏡、透射式望遠(yuǎn)鏡、干涉濾波器、半波片、第二偏振片和光功率探測器，激光二極管的出射光束經(jīng)第一偏振片起偏形成偏振光束,該偏振光束經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后入射至第一平面鏡，由第一平面鏡反射的反射光束入射至第二平面鏡，由第二平面鏡反射的反射光束經(jīng)透射式望遠(yuǎn)鏡入射至干涉濾波器，經(jīng)干涉濾波器濾波后的光束經(jīng)半波片入射至第二偏振片，經(jīng)第二偏振片檢偏后的光束被光功率探測器的光探測端接收。所述激光二極管的出射光束的波長為650nm。所述第一偏振片的消光比為I : 1000。所述擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束倍數(shù)為5-10倍。所述透射式望遠(yuǎn)鏡的接收孔徑為6cm。所述干涉濾波器的中心波長為650nm，帶寬為10nm。本實用新型的優(yōu)點是本實用新型采用兩個平面鏡，即二鏡模型系統(tǒng)建立空間光鏈路，簡化了實際量子通信系統(tǒng)中的瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤子系統(tǒng)，有利于進(jìn)行基于瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤的偏振跟蹤理論模型的建立和相關(guān)偏振跟蹤技術(shù)的實驗演示。針對二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤問題，本實用新型通過旋轉(zhuǎn)半波片對發(fā)射機(jī)的偏振零方向進(jìn)行補(bǔ)償，從而實現(xiàn)偏振跟蹤技術(shù)。采用被動光學(xué)元件半波片進(jìn)行偏振跟蹤，能夠簡化實際量子通信偏振跟蹤子系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計，減輕衛(wèi)星量子通信終端的有效載荷，有利于實際衛(wèi)星量子通信的實現(xiàn)。


圖I為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖圖2為確定發(fā)射機(jī)Alice偏振零方向的偏振消光曲線圖；圖3為采用本實用新型所述裝置偏振補(bǔ)償后的偏振消光曲線圖；圖4為二鏡模型系統(tǒng)對偏振零方向與從O度到80度9個偏振態(tài)間相對角度的影響曲線圖。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結(jié)合圖I說明本實施方式，本實施方式所述二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，它包括第一平面鏡I和第二平面鏡2，它還包括激光二極管3、第一偏振片4、擴(kuò)束鏡5、透射式望遠(yuǎn)鏡6、干涉濾波器7、半波片8、第二偏振片9和光功率探測器10，激光二極管3的出射光束經(jīng)第一偏振片4起偏形成偏振光束,該偏振光束經(jīng)擴(kuò)束鏡5擴(kuò)束后入射至第一平面鏡1，由第一平面鏡I反射的反射光束入射至第二平面鏡2，由第二平面鏡2反射的反射光束經(jīng)透射式望遠(yuǎn)鏡6入射至干涉濾波器7，經(jīng)干涉濾波器7濾波后的光束經(jīng)半波片8入射至第二偏振片9，經(jīng)第二偏振片9檢偏后的光束被光功率探測器10的光探測端接收。所述干涉濾波器7用來減少背景光，半波片8可被旋轉(zhuǎn)以用于偏振跟蹤。激光二極管3、第一偏振片4、擴(kuò)束鏡5和第一平面鏡I組成發(fā)射機(jī)Alice，第二平面鏡2、透射式望遠(yuǎn)鏡6、干涉濾波器7、半波片8、第二偏振片9和光功率探測器10組成接收機(jī)Bob。使用中，將發(fā)射機(jī)Alice和接收機(jī)Bob分別置于兩個可移動的光學(xué)平臺上，可使二者之間的視線距離約為75m。發(fā)射機(jī)Alice和接收機(jī)Bob分別具有各自的偏振基準(zhǔn)，其偏振零方向處于不同的參考系中。由發(fā)射機(jī)Alice發(fā)射的偏振信標(biāo)光,其偏振方向被定義為Alice的偏振零方向。經(jīng)過擴(kuò)束鏡5，偏振信標(biāo)光被第一平面鏡I反射到第二平面鏡2 ;再被第二平面鏡2反射，經(jīng)過透射式望遠(yuǎn)鏡6，偏振信標(biāo)光進(jìn)入Bob的偏振分析裝置。
具體實施方式
二 本實施方式為對實施方式一的進(jìn)一步說明，所述激光二極管3的出射光束的波長為650nm。
具體實施方式
三本實施方式為對實施方式一或二的進(jìn)一步說明，所述第一偏振片4的消光比為I : 1000。
具體實施方式
四本實施方式為對實施方式一、二或三的進(jìn)一步說明，所述擴(kuò)束鏡5的擴(kuò)束倍數(shù)為5-10倍。
具體實施方式
五本實施方式為對實施方式一、二、三或四的進(jìn)一步說明，所述透射式望遠(yuǎn)鏡6的接收孔徑為6cm。
具體實施方式
六下面結(jié)合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一、二、三、四或五的進(jìn)一步說明，所述干涉濾波器7的中心波長為650nm，帶寬為10nm。本實用新型所述的偏振跟蹤裝置需在夜晚條件下進(jìn)行實驗，在實驗中，首先在接收機(jī)Bob參考系中通過旋轉(zhuǎn)第二偏振片9確定發(fā)射機(jī)Alice的偏振零方向，這時不需要使用半波片8。在Bob參考系中，位置角度為零度的方向被定義為Bob的偏振零方向。確定Alice偏振零方向的偏振消光曲線如圖2所示。當(dāng)位置角度為143度時，光功率達(dá)到最大值，Al ice的偏振零方向位于143度。為了補(bǔ)償Alice的偏振零方向，使用半波片8并旋轉(zhuǎn)到71. 5度。偏振補(bǔ)償后的偏振消光曲線如圖3所示。當(dāng)位置角度為357度時，光功率達(dá)到最大值。因此，由偏振跟蹤引起的角度偏差為3度。實驗還可測試二鏡模型系統(tǒng)對偏振零方向與從O度到80度9個偏振態(tài)間相對角度的影響，實驗結(jié)果如圖4所示。可以看出，最大角度偏差為4度，最小角度偏差為O度。對于9個偏振態(tài)，由二鏡模型系統(tǒng)造成的平均角度偏差為2度。實驗中，引起角度偏差的主要因素 是光學(xué)元件的非理想性，這些元件包括平面鏡、偏振片和半波片?；诙R模型，上述實驗可演示基于半波片的偏振補(bǔ)償方案。通過測量來自于Al ice偏振信標(biāo)光的偏振消光曲線跟蹤Al ice的偏振零方向，通過旋轉(zhuǎn)半波片8實現(xiàn)偏振補(bǔ)
\-ΖΧ ο
權(quán)利要求1.一種二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，它包括第一平面鏡(I)和第二平面鏡(2)，其特征在于它還包括激光二極管(3)、第一偏振片(4)、擴(kuò)束鏡(5)、透射式望遠(yuǎn)鏡￠)、干涉濾波器(7)、半波片(8)、第二偏振片(9)和光功率探測器(10)，激光二極管(3)的出射光束經(jīng)第一偏振片(4)起偏形成偏振光束,該偏振光束經(jīng)擴(kuò)束鏡(5)擴(kuò)束后入射至第一平面鏡(I)，由第一平面鏡(I)反射的反射光束入射至第二平面鏡(2)，由第二平面鏡(2)反射的反射光束經(jīng)透射式望遠(yuǎn)鏡(6)入射至干涉濾波器(7)，經(jīng)干涉濾波器(7)濾波后的光束經(jīng)半波片(8)入射至第二偏振片(9)，經(jīng)第二偏振片(9)檢偏后的光束被光功率探測器(10)的光探測端接收。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，其特征在于所述激光二極管(3)的出射光束的波長為650nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，其特征在于所述第一偏振片(4)的消光比為I : 1000。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，其特征在于所述擴(kuò)束鏡(5)的擴(kuò)束倍數(shù)為5-10倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，其特征在于所述透射式望遠(yuǎn)鏡(6)的接收孔徑為6cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，其特征在于所述干涉濾波器(7)的中心波長為650nm,帶寬為10nm。
專利摘要二鏡模型系統(tǒng)中的偏振跟蹤裝置，屬于衛(wèi)星量子通信中的偏振跟蹤技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有二鏡模型系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要具有共同的偏振基準(zhǔn)，才能完成量子通信協(xié)議的問題。它的激光二極管的出射光束經(jīng)第一偏振片起偏形成偏振光束，該偏振光束經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后入射至第一平面鏡，由第一平面鏡反射的反射光束入射至第二平面鏡，由第二平面鏡反射的反射光束經(jīng)透射式望遠(yuǎn)鏡入射至干涉濾波器，經(jīng)干涉濾波器濾波后的光束經(jīng)半波片入射至第二偏振片，經(jīng)第二偏振片檢偏后的光束被光功率探測器的光探測端接收。本實用新型用于衛(wèi)星量子通信中的偏振跟蹤。
文檔編號G05D3/12GK202383526SQ20112056589
公開日2012年8月15日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者啜陽, 張光宇, 張曉靜, 朱智涵, 王振華, 王語檸, 胡長軍, 趙雙 申請人:哈爾濱理工大學(xué)