[发明专利]一种四路同轴的自由空间量子通信编码装置

说明书

本发明公开一种四路同轴的自由空间量子通信编码装置，该装置将4路编码信号耦合至1根单模光纤进行发射来确保4路量子光的高精度同轴，同时利用单模光纤具备幺正变化的偏振特性，采用1/4、1/4、1/2波片组合的方案对光纤引入的偏振变化进行补偿来确保出射光的偏振状态，并利用BB84解码模块对偏振补偿进行监测来保证偏振补偿效果。该发明具备高同轴度及高稳定性的特性，保密性更高；该发明适应了空间量子通信中对编码模块小型化、高保偏、高可靠的迫切需求。

技术领域

本发明公开了一种高同轴度的自由空间量子通信编码装置，特别适用于基于偏振编码的自由空间量子通信系统中，还适用于基于偏振编码的自由空间光通信系统。

背景技术

保密通信是一种让通信双方在绝密状态下交换信息的传送方式，许多国家都非常重视保密通信的研究。量子通信技术的研究紧扣国家安全重大需求问题，可望大幅度提高信息传输的安全性、信息传输通道容量和效率等，是未来信息技术发展的重要战略性方向，并极有可能引起诸多科学和技术领域的革命，对经济和社会的进步产生难以估量的影响。国际上重要的发达国家，特别是美国、欧盟和日本均已投入大量人力物力致力于自由空间量子通信的理论和实验研究。

近年来，量子通信研究进展迅速，远距离量子通信则成为了国际激烈竞争的焦点。目前量子通信的技术手段主要包括：基于光纤通道、基于自由空间通道的量子传输。但由于光纤材料的限制，光纤的损耗和退相干效应无法避免，目前低损耗光纤的性能已经逼近理论极限，利用光纤在相距100公里以上的两点建立量子信道变得非常困难。自由空间量子信道是当前实现远距离量子通信实验的最为可行的方案之一，远距离自由空间量子通信已经成为了国际研究的焦点，自由空间QKD的密钥编码方式一般采用BB84方案,其密钥是利用单光子的偏振态来进行二进制编码，其中定义水平(H)或+45°(+)线偏振对应于经典比特0；竖直(V)或-45°(-)线偏振对应于经典比特1，为了防止窃听者的非相干攻击，一般采用基于诱骗态的量子密钥分发(QKD)技术来判断是否存在窃听者，判断窃听者的主要依据是通过诱骗态与信号态之间的比例关系，而4种偏振态之间的接收效率关系对该比例的判断至关重要，设计绝对同轴的量子编码模块对是否存在窃听者意义重大。

本发明针对以上自由空间量子通信的应用需求，公开一种绝对同轴的自由空间量子通信编码装置及其设计方法，该发明具备高同轴度及高稳定性的特性，保密性更高；同时适应了自由空间量子通信中对编码模块小型化、高保偏、高可靠的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高同轴度的自由空间量子通信编码装置，该发明装置特别适用于基于偏振编码的自由空间量子通信系统中，还适用于基于偏振编码的自由空间光通信系统。该发明主要利用同一根光纤发射来保证量子光的同轴，从而获得一种高同轴性、高保密性的装置。该发明的特点主要体现在：量子光发射同轴度及稳定性高，保密性强；。

本发明装置如附图1所示：该发明装置由BB84偏振编码模块1、光束耦合装置2、第一可旋转1/4波片3、第二可旋转1/4波片4、可旋转1/2波片5、扩束镜6、保偏切光镜7、BB84偏振解码模块8组成。其中BB84偏振编码模块 1可分别通过带LD的第一保偏光纤1-1-1、带LD的第二保偏光纤1-1-2、带 LD的第三保偏光纤1-2-1及带LD的第四保偏光纤1-2-2引入4路量子信号，所述4路量子信号中的大部分光量子信号经过BB84偏振编码模块1后分别以 0°、90°、+45°和-45°4种线偏光同轴输出，4种线偏光再经过光束耦合装置2后准直输出，准直光分别经过第一可旋转1/4波片3、第二可旋转1/4波片4、可旋转1/2波片5、扩束镜6后发射，其中扩束镜6用于压缩出射光发散角，同时扩大出射光斑大小。