[发明专利]用于量子通信系统的基矢自动调节装置及调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及自由空间量子通信技术，具体涉及一种用于量子通信系统的基矢自动调节装置及调节方法，它用于对量子通信中因粗跟踪所造成的信号光的偏振方向变化进行自动调节。 

背景技术

空间尺度量子通信中主要是靠具有特定偏振态的光量子传输信息，判断光量子的偏振态需要有统一的标准，本系统中引入一种称作基矢的特定的正交二维坐标系作为判断光子偏振态的标准，并且整个通信系统中用于判断信号光偏振状态的坐标系一致。发射端以基矢作为标准发射带有偏振信息的量子光，接收端接收到量子光后同样以基矢为标准提取量子光的偏振信息。 

在空间尺度量子通信中，卫星沿着轨道绕地球旋转，不停的向地面接收站发射信号光，地面接收站需要不断调整望远镜姿态以便于捕获卫星传输过来的信号，如图2中 所示。望远镜在捕获信号光时主要有两种姿态变化：俯仰方向旋转和水平方向旋转。如图2中所示，以地面坐标系为准，垂直地面向上为Z轴，水平方向以右手定则确定X轴与Y轴。规定俯仰方向旋转的角度为俯仰角，由-Z轴向+Z轴方向为正，范围为-90度到90度；水平方向旋转的角度为方位角，以+Z轴为轴向，右旋为正，范围为-180度到180度（望远镜实际俯仰角与方位角的范围比较小）。 

为了将望远镜捕获到的信号光传输到后光路系统中进行处理，需要在望远镜的旋转臂中安装反射光路，如图3所示，左边为望远镜旋转臂光路图，其中6为望远镜镜筒、7为望远镜旋转臂、8为入射光线、9为水平反射光线、10为垂直反射光线。由图3可以看出，当望远镜旋转时会影响反射光路中信号光的偏振方向。规定信号光传播的方向为Z轴，基矢坐标垂直于Z轴，并满足右手定则，图中A所表示的X-Y轴为入射光8的基矢坐标。当望远镜的俯仰角变化时，则会引起望远镜水平反射光9的偏振旋转；设望远镜镜筒俯仰角为a，规定沿信号光的传播方向，信号光偏振状态右旋为正，则水平反射光9的偏振方向旋转的角度为a，如图3中B所示，其中虚线表示整个系统的基矢，X-Y轴表示信号光的偏振方向所在的平面旋转状态。当旋转臂带动望远镜水平方向旋转时，则会引起旋转臂垂直向上反射到后光路的信号光产生旋转，如图3中10所示；同样设望远镜镜筒水平方位角为b，同样定义右旋为正，则垂直反射光的偏振方向旋转的角度为b，如图3中C所示。 

根据以上分析可以得出：俯仰角a会造成镜筒水平反射光9偏振右旋，方位角b造成旋转臂垂直反射光10偏振右偏。由于镜筒俯仰角与方位角的叠加，旋转臂垂直出射光线的偏振方向相对于入射光线的基矢方向偏转角度为a+b。所以当偏振角为的信号光进入望远镜后，会经过望远镜镜筒底部的凹面镜汇聚到镜筒中间的反射镜上，经过镜筒反射镜将光线水平反射到旋转臂中的反射光路。如果此时镜筒的俯仰角a不为零，水平反射光线的的偏振角与基矢的X轴的夹角就会变化为+a。当光线进入反射光路时首先需要通过一片凸透镜将光线变为平行光，然后再经过三个平面反射镜反射到后光路。当信号光经过最后一块平面反射镜垂直向上反射到后光路时，如果此时望远镜的水平方位角b不为零，那么信号光的偏振方向与基矢的X轴夹角就会变为+a+b，如图3中D所示。 

图1量子通信系统5中的量子接收端固定在后光路中，信号光进行检测之前必须将其偏振状态旋转到接收端以基矢标准能够正确检测的偏振状态，这就需要在后光路中增加旋光元件。本系统中采用半波片对信号光偏振进行旋转，当半波片快轴方向与基矢X轴夹角为（逆时针方向为正）时，其琼斯矩阵为： 

 

当光矢量与基矢X轴成角时，其琼斯矩阵为：

当该光矢量透射半波片时，出射光线的琼斯矩阵为：

所以透过半波片的出射光线的偏振角由变化为。

根据前面分析，设图3中入射信号光偏振方向与X轴方向夹角为，则由于望远镜旋转的影响，经过旋转臂反射向后光路的信号光的偏振方向逆时针旋转了(a+b)的角度，即此时信号光与水平方向夹角为+(a+b)。如果将半波片的快轴方向与基矢X轴方向的夹角设置为，如图4所示，其中角12为半波片与基矢X轴夹角，角13为信号光偏振偏转角度。根据半波片的旋波原理，透射过半波片的信号光偏振角度为： 

即信号光的偏振角最终由变化为-，这样在量子检测端只需将检测出的偏正角度取反就能正确得到信号光的偏振状态。

由于望远镜在通信中需要实时的调整姿态以便于跟踪卫星发射的信号光，所以基矢调节系统也需要实时自动的调整反射到后光路的信号光偏振状态，这就需要引入自动控制系统。 

发明内容