[发明专利]一种用于量子通信的光偏振态测量和控制系统

说明书

本发明公开了一种能够快速检测完全偏振光的偏振态，同时可以方便地提供偏振态控制的系统及方法，使得能够在量子通信偏振编码系统中采用开环式主动偏振补偿方案，有利于量子通信系统在复杂环境下的应用。

技术领域

本发明涉及光学测量控制领域，尤其涉及量子通信中光偏振态的测量与控制。

背景技术

在光学应用中，光信号的偏振态是常见的需要进行测量和控制的光学参数。斯托克斯矢量S可以表征任意光的偏振态，假设光束沿着笛卡尔坐标系xyz的正z轴传播，斯托克斯矢量的四个分量S₀、S₁、S₂和S₃可以被如下定义：

其中，S₀表示光的总光强；S₁表示光在x方向线偏振分量与y方向线偏振分量的光强差；S₂表示光在45度方向线偏振分量与-45度线偏振分量的光强差；S₃表示光右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量的光强差。

由这四个分量S₀、S₁、S₂和S₃构成的斯托克斯矢量S习惯上由一个4*1阶列矢量表示：

其中，T表示矩阵的转置。

当用斯托克斯矢量研究光通过光学系统后的偏振态时，系统的性质可以用称为穆勒矩阵的4*4矩阵来表示。出射光的斯托克斯矢量S_out等于光学系统的穆勒矩阵M乘以入射光的斯托克斯矢量S_in，即：

现如今大多数偏振态检测都归结为各个斯托克斯矢量分量S₀-S₃的测量。

现阶段光偏振态测量，即斯托克斯矢量测量法主要有：机械转动测量法和无需机械转动的分振幅测量法。机械转动法主要是利用一个1/4波片和一个起偏器，通过控制波片在光路中的存在与否以及起偏器的角度，再根据经此控制的光路输出的光强分别得到斯托克斯矢量的四个分量，进而测得光偏振态。该方法是对单条光路进行测量，需要旋转起偏器和移入移出波片，只能测量变化较慢的偏振态。

无需机械转动的分振幅测量法主要是将入射光波分成四束光，这四束光分别经过不同的波片，使得这四路光最后的穆勒矩阵首行组成的矩阵是线性无关的，并对此测量矩阵进行定标，最后依据探测到的四路光输出光强计算出入射光的斯托克斯矢量的四个分量。该方法结构简单，但依赖于测量矩阵的定标。

然而，对于机械转动测量法，在实现光偏振态测量的同时也可以实现对光偏振态的控制，但其速度较慢、体积较大，并且往往只能对偏振态进行特定的控制，不能得到任意偏振态。对于分振幅测量法，由于是固定的测量矩阵，其器件也是特定的，不能实现对输出偏振态的控制。

基于BB84协议量子保密通信，依赖量子力学的测不准原理和不可克隆性，随机的发送两组非正交基矢下的量子态。在偏振编码方案中，往往采取的是|H/V和|+/-基矢进行编码，相应的接收方采用2个偏振分束器对2个编码基矢进行解码。发送方基矢要和接收方基矢若是不一致将导致误码。实际通信链路中，由于存在环境变化影响，会使得传输过程中光的偏振态发生变化，进而导致发送方和接收方基矢不一致，为此需要对链路中环境变化带来的偏振态变化进行补偿。因此，对于偏振编码方案中的解码模块，不仅需要快速地实现对编码光脉冲偏振态的测量，还要求提供偏振控制能力，以便能够提供偏振反馈控制。