[发明专利]一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统及方法

权利要求书

1.一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统，该系统 中包括BB84模块(1)，带准直镜的单模光纤(2)、可旋转角度的第一1/4波片(3)、可旋转角度的第二1/4波片(4)、可旋转角度的1/2波片(5)、后光路(6)、中继光路(7)及前光路(8)，其光路特征在于：

BB84模块(1)对量子信号光进行编码，编码后的量子信号光以某种线偏振态的方式耦合到带准直镜的单模光纤(2)中，量子信号光经过带准直镜的单模光纤(2)传输后产生准直光，准直光束依次通过可旋转角度的第一1/4波片(3)、可旋转角度的第二1/4波片(4)、可旋转角度的1/2波片(5)组成的波片组，然后依次经过后光路(6)、中继光路(7)及前光路(8)扩束后发射出去，其中后光路(6)与中继光路(7)之间存在相对旋转；中继光路(7)及前光路(8)之间存在相对旋转。

2.根据权利要求1所述的一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统，其特征在于：所述的BB84模块(1)提供水平、竖直、45°及-45°这4种线偏振光，由光纤出射。

3.根据权利要求1所述的一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统，其特征在于：所述的可旋转角度的第一1/4波片(3)、可旋转角度的第二1/4波片(4)、可旋转角度的1/2波片(5)的使用波长与BB84模块(1)发射的激光波长相匹配；波片的相位延迟量误差小于1度，平行度误差小于3”，面形精度RMS优于1/40λ，λ＝632.8nm。

4.根据权利要求1所述的一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统，其特征在于：所述的后光路(6)中量子光经过的光学元件组合对水平、竖直偏振光的透过率差异优于2％。

5.根据权利要求1所述的一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统，其特征在于：所述的中继光路(7)由反射镜组成，平面反射镜面形精度RMS优于1/40λ，λ＝632.8nm，对各个线偏振光的反射率之差优于2％。

6.根据权利要求1所述的一种具备偏振态补偿功能的量子通信系统，其特征在于：所述的前光路(8)由折转镜及望远镜系统组成，对各个线偏振光的反射率之差优于2％。

7.一种基于权利要求1所述的具备偏振态补偿功能的量子通信系统的偏振态补偿方法，其特征在于方法步骤如下：

1)带准直镜的单模光纤(2)偏振传输矩阵的获取：BB84模块(1)发射水平线偏振光，斯托克斯参量表示法可以对偏振光进行描述，四个斯托克斯参量是光强的时间平均值，利用波片和偏振片测量水平偏振光经过带准直镜的单模光纤(2)之后的斯托克斯矢量为BB84模块(1)发射+45°线偏振光，利用波片和偏振片测量+45°线偏振光经过带准直镜的单模光纤(2)之后的斯托克斯矢量为进一步计算右旋圆偏振光经过带准直镜的单模光纤(2)后的斯托克斯矢量

其中SR1、SR2、SR3分别为斯托克斯矢量的第二项、第三项、第四项；

可旋转角度的第一1/4波片(3)将右旋圆偏振光调到庞加球赤道位置，计算可旋转角度的第一1/4波片(3)的旋转角度α₁，在斯托克斯参量描述的体系中，光学器件对光偏振态的变换可以用一个4×4的矩阵来描述，该矩阵就是穆勒矩阵，可旋转角度的第一1/4波片(3)对应的穆勒矩阵表示为M₁，表示为：

水平线偏光经过可旋转角度的第一1/4波片(3)斯托克斯矢量为：

其中SH1¹、SH2¹、SH3¹分别为斯托克斯矢量的第二项、第三项、第四项；

则可旋转角度的第二1/4波片(4)，可旋转角度的1/2波片(5)的旋转角度α₂、α₃分别满足：

sin2α₃＝SH3¹

α₂、α₃的角度取值是根据可旋转角度的第一1/4波片(3)旋转后偏振光在在庞加球上的象限位置确定；经过上述操作便得到了三个波片的旋转角度，得到可旋转角度的第二1/4波片(4)，可旋转角度的1/2波片(5)的穆勒矩阵，分别表示为M₂，M₃，如下：

相应的逆矩阵为光纤对偏振态施加扰动的穆勒矩阵M_fiber，

将对应的波片角度分别旋转至相应角度，测量光纤补偿后的偏振特性，出射光经过光纤后是否保持原有特性；

2)带准直镜的单模光纤(2)与光学系统组合偏振传输矩阵的获取：经过步骤1)可获得带准直镜的单模光纤(2)偏振矩阵M_fiber，后光路(6)，中继光路(7)及前光路(8)的相位延迟量可以通过实验室测量得到，分别记为δ₀、δ₁、δ₂，其对应的穆勒矩阵和如下：

后光路(6)与中继光路(7)之间存在相对基矢旋转,旋转角为θ₁；中继光路(7)及前光路(8)之间存在相对基矢旋转，旋转角为θ₂；其对应的旋转矩阵为：

此时光学系统整体产生的对偏振态扰动的传输矩阵为:

其中分别为待求解的可旋转角度的1/2波片(5)、可旋转角度的第二1/4波片(4)、可旋转角度的第二1/4波片(3)所对应的传输矩阵，要达到偏振补偿效果，系统穆勒矩阵的乘积应当为单位矩阵，入射光的偏振态经过这种系统后才会保持不变，则波片组需要产生的新穆勒矩阵M_QQH为：

波片组需要补偿的传输矩阵M′_QQH为：

3)利用三波片补偿系统偏振退化：通过步骤2)，获得波片组需要补偿的传输矩阵M′_QQH，利用步骤1中的方法，计算不同旋转角度θ₁、θ₂下可旋转角度的第一1/4波片(3)、可旋转角度的第二1/4波片(4)及可旋转角度的1/2波片(5)的最终补偿角度，并将波片组中波片旋转至新计算的对应角度，BB84模块(1)分别发射水平、竖直、45°及-45°这4种线偏振光，利用偏振片及功率计检测在出射光束位置检测出射光的偏振度，寻找每个偏振光入射状态下的功率最大值和最小值，其比值即为各个偏振态的消光比。