[发明专利]一种具备实时偏振补偿的自由空间量子通信装置及方法

权利要求书

1.一种具备实时偏振补偿的自由空间量子通信的装置，包括量子密钥发 射模块(1)、带方位旋转跟踪电机(2-2)且可旋转360°的全反棱镜A(2-1)、 带旋转电机的1/2波片(3)、带俯仰旋转跟踪电机(4-2)且可旋转360°的全 反棱镜B(4-1)，其特征在于：

所述的量子密钥发射模块(1)产生0°、90°、+45°及-45°的线偏振光， 4种偏振光分别经过带方位旋转跟踪电机(2-2)且可旋转360°的全反棱镜A (2-1)、带旋转电机的1/2波片(3)和带俯仰旋转跟踪电机(4-2)且可旋转 360°的全反棱镜B(4-1)；带旋转电机的1/2波片(3)实时补偿由跟踪角度 变化所引入的偏振光线偏度变化，偏振光经过波片进行偏振补偿后仍然保持原 有线偏度，全反棱镜A(2-1)、全反棱镜B(4-1)在360度空间进行光束的发 射及扫描和跟踪。

2.一种基于权利要求1所述具备实时偏振补偿的自由空间量子通信的装 置的偏振光偏振补偿方法，其特征在于包括如下实施步骤：

1)量子密钥发射模块(1)产生0°、90°、+45°及-45°的线偏振光, 由于需要对任意角度保偏，带方位旋转跟踪电机(2-2)且可旋转360°的全反 棱镜A(2-1)与发射模块存在相对角度α₁时，0°、90°、+45°及-45°的线 光的基矢方向也会发生变化，该角度α₁仅仅起到改变偏振基矢方向，计算时 取任意角度线偏光cosθsinθ]]>进行分析；

2)任意角度线偏光cosθsinθ]]>首先经过带方位旋转跟踪电机(2-2)且可旋转 360°的全反棱镜A(2-1)，其入射光角度为45度，全反棱镜的传输矩阵为为 Rx00Ryeiδ1;]]>全反棱镜中分别为S、P光的反射率，由于为全反射， Rx2=1,Ry2=1;]]>δ1为S、P光相位差，满足公式tanδ=cosθ1sin2θ1-n2sin2θ1;]]>θ₁为入射光角度。n=n2n1,]]>n₂空气折射率，n₁为材料折射率；其出射偏振状 态可用琼斯矢量可表示为:

100eiδ1]]>

3)带旋转电机的1/2波片(3)的方位角为α′，则带旋转电机的1/2波 片(3)的传输矩阵为cos2α′sin2α′sin2α′-cos2α′,]]>量子密钥发射模块(1)产生的线偏振 光，依次经过带方位旋转跟踪电机(2-2)且可旋转360°的全反棱镜A(2-1)、 带旋转电机的1/2波片(3)之后，其出射偏振状态可用琼斯矢量可表示为:

cos2α′sin2α′sin2α′-cos2α′100eiδ1cosθsinθ]]>

4)偏振光最后经过带俯仰旋转跟踪电机(4-2)的全反棱镜B(4-1)，当 俯仰旋转跟踪电机(4-2)角度发生旋转时，全反棱镜B(4-1)也相应发生旋 转，且与全反棱镜A(2-1)产生一个方位角α₂，此时带俯仰旋转跟踪电机(4-2) 的全反棱镜B(4-1)的传输矩阵为：

cosα2-sinα2sinα2cosα2100eiδ2cosα2sinα2-sinα2cosα2cosθsinθ]]>

则任意线偏光经过所有器件后最终出射系统的传输矩阵可以表示为：

cosα2sinα2-sinα2cosα2100eiδ2cosα2-sinα2sinα2cosα2cos2α′sin2α′sin2α′-cos2α′100eiδ1cosθsinθ]]>

经过简化可以得：

cosα2sinα2-sinα2cosα2100eiδ2cos(2α′+α2),sin(2α′+α2)sin(2α′+α2),-cos2(α′+α2)100eiδ1cosθsinθ]]>

由上式可知，取特殊角度时传输矩阵为：

cosα2sinα2-sinα2cosα2eiδ10ei(δ2-δ1)10cosθsinθ]]>

当全反棱镜采用相同材料时，δ2-δ1＝0，则传输矩阵为：

eiδ1sinα2cosα2cosα2-sinα2cosθsinθ=eiδ1sin(α2+θ)cos(α2+θ)]]>

由上式可知通过旋转带旋转电机的1/2波片(3)的角度α′，两个全反棱 镜相对角度变化α₂得到补偿，使其量子密钥发射模块发射的线偏光经过整个 系统仍然保持原有的线偏度。