[实用新型]偏振态位相可调控宽光谱反射镜

说明书

技术领域

本专利涉及光学反射镜，具体是指利用金属及多种介质薄膜材料设计金属膜层与全介质膜层的组合结构，实现反射能量、偏振灵敏度和位相的调制，采用真空镀膜工艺制备的具有高效能量传输和精确偏振灵敏度与位相操控的宽光谱光学反射元件。

背景技术

量子通信是研究利用量子手段传递和处理信息的一门学科，相比于经典通信，量子通信有很多优势。利用量子通信技术可以建立无法破译的密钥系统，实现真正意义上的保密通信。

量子通信的应用方式有量子密钥分发、量子隐形传输等。其中，量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）的技术发展得最为成熟，已为各国研究者所验证，将来在量子通信中可能最早投入实用。由于通常通信的信道很长而衰减很大，量子通信并不适合于直接传送密文。量子密钥分发是在通信双方间先进行密钥的传输，然后再通过“一次一密”的方式，将明文加密后经由经典信道传输，实现保密通信。量子密钥分发的安全性依赖于量子力学中的海森堡测不准原理、量子不可分割定理和量子不可克隆定理。这些量子力学基本原理和定理客观存在于任何微观量子体系中，保证了未知的量子态不可能被精确复制，因此采用量子作为密钥载体的量子密钥分发能够准确地检测出是否存在窃听，从而在物理原理层面上确保安全通信的可靠性。

当前，量子密钥分发正处于从实验室走向实际应用的关键阶段。其验证试验的距离越来越远，成码率也越来越高，试验的结构网络也于近期得到了演示，波士顿的DARPA网络就是其中杰出工作的代表。现有的量子密钥分发的传输信道主要有光纤和自由空间两种。使用光纤传输能够保证在光子传输时受背景光噪声、天气等外部条件的影响较小，但是由于光纤材料的限制，光纤的损耗和双折射效应在传输过程中无法避免，使得光纤量子密钥分发系统的偏振保持成为一个严峻的问题。目前低损耗光纤的性能已经逼近理论极限，现有光纤量子密钥分发的最远距离约为200km，要进行更长距离的光纤密钥分发将变得非常困难。而自由空间信道中大气粒子的吸收和散射效应很小，且不存在双折射效应，几乎不对完全偏振光的偏振态产生影响，极为适合用作偏振编码的量子密钥分发信道。尤其在星地自由空间信道中，仅有一小段为大气信道，有效厚度仅约20公里，且越远离地面越为稀薄，影响越小，其余皆为真空信道，星地信道还能够克服地面信道的地球曲率限制。可见，利用空间平台作为中转的偏振编码自由空间量子密钥分发是实现全球量子保密通信网络的最有效手段之一。

但是在偏振编码的自由空间量子密钥分发中，其信道还是存在许多效应将作用于分发过程使得密钥分发性能受到影响，需要具体研究信道的作用及其抑制措施以推进量子密钥分发的实用化进程。当密钥光子从量子光源出射编码后，会经过漫长而复杂的光学信道，包括自由空间信道和光机系统，最终才为单光子探测器所接收。由于大气信道的非理想性和光机系统的不完善性，将引起量子密钥分发过程中量子密钥信号的效率、偏振态等参数的畸变，还将引入暗记数等外部噪声，从而使得量子密钥分发系统成码率下降，并在无窃听者条件下产生系统误码率。当成码率过低时，获得用于“一次一密”保密通信的量子密钥的时间代价就会增大。而当误码率过高时，就将使得窃听者在不被发现的情况下获得更多的有效信息，量子密钥分发的安全性受到威胁，甚至导致受到完美攻击或无成码而导致量子密钥分发完全失效。

在自由空间量子密钥分发实验中，反射镜是试验光学系统中不可缺少的光学元件。反射镜在光学能量高效传递，光学系统光路折转等方面的功能已经得到了广泛而成熟的应用。然而，反射镜在一定工作角度下使用时，其引入的额外偏振灵敏度及位相差会造成量子编码光子的畸变，造成量子通信误码率的升高，严重时甚至会导致量子通信的失败。

发明内容

本专利基于自由空间量子密钥分发实验对反射镜光学能量、偏振灵敏度和位相调制的要求，提出一种在光学基片上利用金属膜实现宽光谱稳定反射率、利用全介质反射堆提升指定波段光谱反射率并调整偏振灵敏度、利用优化的多层全介质非规整膜层实现反射位相的操控，解决了自由空间量子密钥分发实验中反射镜能量、偏振灵敏度、位相三维一体调控的难题。