一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路及其设计方法与流程

1.本发明涉及光通信领域，具体涉及一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路及其设计方法。


背景技术：

2.量子通信是量子信息领域中最实际的方向之一。目前自由空间量子通信中最容易实现的是量子密钥分发技术(quantum key distribution，qkd)技术，qkd中量子信息的载体为光子的偏振态，光子的偏振态直接可以代替经典二进制码(bit)对信号进行编码，从而实现量子密钥的分发，达到量子保密通信的目的。在对量子通信终端的光学系统进行设计的过程中，必须要考虑光学元件对偏振态的影响，设计出偏振保持的光学系统以满足整个探测系统对偏振度的保偏要求，其中要重点考虑反射镜对偏振态变化的影响。
3.库德光路是一种全反射光路，由反射镜将光线导入库德光路，通过多面高精度反射镜反射改变光的传播路径，使光线通过库德镜后可以发送到预定的方向上去。量子通信过程中需要实时改变出射光束传播方向，保持光路对准，就需要借助库德光路完成光路的折转。量子通信中偏振光经过传统库德光路后会产生相位延迟，造成偏振态退化，信号传输质量下降，同时现有的保偏镀膜技术无法满足宽波段的保偏要求。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决偏振光经过传统库德光路后会产生相位延迟，造成偏振态退化，信号传输质量下降的问题，通过光路设计，改变入射光的偏振方向与光学入射面的相对方向(入射面是一片反射镜上面的出射光束和出射光束组成的平面)，从而达到偏振度保持的目的，同时也能实现宽波段的偏振光传输。为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
5.一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路，包括：若干组反射镜组和偏振光，每一所述反射镜组包括两个相对方位旋转90度的反射镜；所述偏振光以准直光束入射，且依次经过若干组所述反射镜组后出射，所述偏振光在任一所述反射镜上的入射角均为45度，以对宽波段的偏振光进行偏振保持传输。
6.优选的，所述偏振光为水平线偏振光、竖直线偏振光、45度线偏振光和
‑
45度线偏振光中的任意一种。
7.优选的，所有所述反射镜均采用同一批次的母镜切割而成。
8.优选的，每一所述反射镜的面形精度rms均优于1/40λ(λ＝632.8nm)，且对水平和竖直偏振光的透光率差异均优于2％。
9.优选的，所述反射镜组设置有三组，三组所述反射镜组包括：第一反射镜组、第二反射镜组和第三反射镜组；所述第一反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜的相对方位旋转角度为90度；所述第二反射镜组包括第三反射镜和第四反射镜，所述第三反射镜和第四反射镜的相对方位旋转角度为90度；所述第三反射镜组包
括第五反射镜和第六反射镜，所述第五反射镜和第六反射镜的相对方位旋转角度为90度；
10.所述偏振光经过前光路以准直光束45度入射到所述第一反射镜的镜面，所述偏振光依次经过所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜后出射至后光路。
11.优选的，所述第一反射镜组、第二反射镜组和第三反射镜组均设置于库德光路支撑架上。
12.另一方面，本发明还提供一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路设计方法，包括：
13.步骤s1：对偏振光的传输过程进行分析，将偏振光状态和光学元件的传输矩阵分别用琼斯矢量和琼斯矩阵表示；
14.步骤s2：根据所述光学元件的传输矩阵，计算偏振光经过反射镜组的传输矩阵；
15.步骤s3：根据所述反射镜组的传输矩阵，确定所述反射镜组的传输矩阵受相对相位延迟影响最小时，反射镜组内的两个反射镜之间的相对方位旋转角度θ的最优解，得到相对方位旋转角度θ的最优解为90度；
16.步骤s4：根据步骤s3的结果建立库德光路，所述库德光路包括若干组反射镜组，每一所述反射镜组包括两个反射镜，且两个反射镜的相对方位角度旋转90度；所述偏振光以准直光束45度入射依次经过若干组所述反射镜组后出射，以对宽波段的偏振光进行偏振保持传输。
17.优选的，步骤s1中所述偏振光用两正交偏振分量的琼斯矢量进行表示，其表达式为：
[0018][0019]
式中：e
x
、e
y
分别表示x、y分量的复振幅，
[0020]
当设计波长为λ，假设两反射镜x分量的反射率均为r
x2
，y分量的反射率均为r
y2
，平面镜导致x、y分量之间产生相位延迟为δ，且两振幅分量反射率有一定差异时，偏振光经过所述反射镜组的传输矩阵表达式为：
[0021][0022]
优选的，假设所述反射镜组中两反射镜x分量的反射率均r
x2
，y分量的反射率均为r
y2
，相位延迟分别为δ，δ
′
，得到偏振光经过所述反射镜组的传输矩阵为：
[0023][0024]
式中：θ为两个反射镜的相对方位旋转角度；
[0025]
根据所述反射镜组的传输矩阵表达式以及三角函数特性，确定当θ为90
°
时，所述反射镜组的传输矩阵受相位延迟δ和δ
′
的影响最小，将θ等于90
°
代入所述反射镜组的传输矩阵得：
[0026][0027][0028]
优选的，根据所述反射镜组的传输矩阵表达式，假设所述反射镜组中两个反射镜x分量的反射率均为r
x2
，y分量的反射率均为r
y2
，设计波长均为λ，得到库德光路中三组反射镜组的传输矩阵表达式分别为：
[0029][0030][0031][0032]
式中：δ1、δ2分别为第一反射镜组中两反射镜的相位延迟；δ3、δ4分别为第二反射镜组中两反射镜的相位延迟；δ5、δ6分别为第三反射镜组中两反射镜的相位延迟。
[0033]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0034]
1、本发明通过对量子通信终端中的库德光路进行复杂化处理，将库德光路中三片反射镜复杂化成三组入射面相互垂直的反射镜，对两反射镜的相位延迟进行补偿，在库德光路中实现了偏振保持的效果。
[0035]
2、提出的库德光路设计可以满足宽波段的偏振光传输要求，降低了金属反射镜的保偏镀膜要求，实现宽波段光束的偏振态动态保持，满足了空间量子通信的应用要求，有助于建立业务化的天地一体安全通信网络。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
[0037]
图1为本发明一实施例提供的一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路示意图；
[0038]
图2为本发明一实施例提供的一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路设计方法流程示意图。
[0039]
附图标记说明：1
‑
第一反射镜，2
‑
第二反射镜，3
‑
第三反射镜，4
‑
第四反射镜，5
‑
第五反射镜，6
‑
第六反射镜，7
‑
偏振光。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图1和图2具体实施方式对本发明提出的一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路及其设计方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0041]
鉴于传统库德光路存在的不足，为了使得量子通信中偏振光在库德光路中的不会产生相位延迟，实现偏振保持的功能，本实施例提供了一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路及其设计方法；
[0042]
本实施例提供的一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路，包括：若干组反射镜组和偏振光，每一所述反射镜组包括两个相对方位旋转90度的反射镜；所述偏振光7以准直光束入射，且依次经过若干组所述反射镜组后出射，所述偏振光7在任一所述反射镜上的入射角均为45度，以对不同波长的偏振光均具有保偏效果，即对宽波段的偏振光进行偏振保持传输，上述不同波长λ的范围为800nm到1600nm；
[0043]
所述偏振光7为水平线偏振光、竖直线偏振光、45度线偏振光和
‑
45度线偏振光中的任意一种。
[0044]
所述反射镜均采用同一批次的母镜切割而成，通过采用同一批次和同种规格的反射镜，使得偏振光7在各个反射镜上产生的相位延迟δ的值近似，使得所述反射镜在同样的温度、湿度环境和光路中对偏振的影响相同。
[0045]
所述每一所述反射镜的面形精度rms均优于1/40λ(λ＝632.8nm)，即用波长λ为632.8的激光干涉仪测量时，每一所述反射镜的面型精度rms均优于1/40个波长λ，且对水平和竖直偏振光的透光率差异均优于2％。
[0046]
如图1所示，在本实施例中，所述反射镜组设置有三组，三组所述反射镜组包括：第一反射镜组、第二反射镜组和第三反射镜组；所述第一反射镜组包括第一反射镜1和第二反射镜2，所述第一反射镜1和第二反射镜2的相对方位旋转角度为90度，使得偏振光7以45度入射时，经过第一反射镜1和第二反射镜2的入射面相互垂直；所述第二反射镜组包括第三反射镜3和第四反射镜4，所述第三反射镜3和第四反射镜4的相对方位旋转角度为90度，使得偏振光7以45度入射时，经过第三反射镜3和第四反射镜4时的入射面相互垂直；所述第三反射镜组包括第五反射镜5和第六反射镜6，所述第五反射镜5和第六反射镜6的相对方位旋转角度为90度，偏振光7以45度入射在经过第五反射镜5和第六反射镜6时的入射面相互垂直；
[0047]
偏振光7以准直光束45度入射经过前光路，前光路包括望远镜主镜、望远镜次镜和折转镜，折转镜选用对偏振影响与望远镜次镜相同或近似的反射镜，偏振光7依次经过远镜主镜、望远镜次镜和折转镜反射后，以45度入射角入射至所述第一反射镜的镜面上，所述偏振光依次经过所述第一反射镜1、所述第二反射镜2和所述第三反射镜3、第四反射镜4、第五
反射镜5和第六反射镜6后出射至至后光路，后光路包括无焦望远镜，经过第六反射镜6出射的偏振光7入射至无焦望远镜上。
[0048]
库德光路是一种全反射光路，由反射镜将光线导入库德光路，通过多面高精度反射镜反射改变光的传播路径，使光线通过库德镜后可以发送到预定的方向上去，根据所述预定的方向并保证偏振光以45度入射角入射至每一反射镜的镜面基础上，分别设置所述反射镜组中各反射镜的相对位置。
[0049]
所述第一反射镜组、第二反射镜组和第三反射镜组均设置于库德光路支撑架上，库德光路支撑架为一套用来安装镜片实现光路搭建的机械机构。
[0050]
另一方面，如图2所示，本实施例还提供一种具有宽波段偏振保持功能的库德光路设计方法，该设计方法包括：
[0051]
步骤s1：对偏振光的传输过程进行分析，将偏振光状态和光学元件的传输矩阵分别用琼斯矢量和琼斯矩阵表示；
[0052]
步骤s1中所述偏振光用两正交偏振分量的琼斯矢量进行表示，其表达式为：
[0053][0054]
式中：e
x
、e
y
分别表示x、y分量的复振幅，
[0055]
当设计波长为λ，假设两反射镜x分量的反射率均为r
x2
，y分量的反射率均为r
y2
，平面镜导致x、y分量之间产生相位延迟为δ，且两振幅分量反射率有一定差异时，偏振光经过所述反射镜组的传输矩阵表达式为：
[0056][0057]
步骤s2：根据所述光学元件的传输矩阵，计算偏振光经过反射镜组的传输矩阵；
[0058]
计算偏振光经过所述反射镜组后的传输矩阵；当偏振光经过一组反射镜后，该组反射镜的传输矩阵为各反射镜传输矩阵的乘积，以两片相同批次的反射镜为例，假设所述反射镜组中两反射镜x分量的反射率均r
x2
，y分量的反射率均为r
y2
，相位延迟分别为δ，δ
′
，得到偏振光经过所述反射镜组的传输矩阵为：
[0059][0060]
式中：θ为两个反射镜的相对方位旋转角度；
[0061]
步骤s3：根据所述反射镜组的传输矩阵，确定所述反射镜组的传输矩阵受相对相位延迟影响最小时，反射镜组内的两个反射镜之间的相对方位旋转角度θ的最优解，得到相对方位旋转角度θ的最优解为90度；
[0062]
根据所述反射镜组的传输矩阵表达式以及三角函数特性，确定当θ为90度时，所述反射镜组的传输矩阵受相位延迟δ和δ
′
的影响最小，将θ等于90度代入(3)式得：
[0063][0064]
步骤s4：根据步骤s3的结果建立库德光路，所述库德光路包括若干组反射镜组，每一所述反射镜组包括两个反射镜，且两个反射镜的相对方位角度旋转90度；所述偏振光以准直光束45度入射依次经过若干组所述反射镜组后出射，以对宽波段的偏振光进行偏振保持传输。
[0065]
根据(4)式，假设库德光路中包括三组反射镜组，每一所述反射镜组中两个反射镜x分量的反射率均为r
x2
，y分量的反射率均为r
y2
，设计波长均为λ，得到库德光路中三组反射镜组的传输矩阵表达式分别为：
[0066][0067][0068][0069]
式中：δ1、δ2分别为第一反射镜组中两反射镜的相位延迟；δ3、δ4分别为第二反射镜组中两反射镜的相位延迟；δ5、δ6分别为第三反射镜组中两反射镜的相位延迟。
[0070]
由此可知，本实施例通过对量子通信终端中的库德光路进行复杂化处理，将库德光路中三片反射镜复杂化成三组入射面相互垂直的反射镜，对两反射镜的相位延迟进行补偿，在库德光路中实现了偏振保持的效果，提出的库德光路设计可以满足宽波段的偏振光传输要求，降低了金属反射镜的保偏镀膜要求，使得宽波段光束的偏振态动态保持，满足了空间量子通信的应用要求，有助于建立业务化的天地一体安全通信网络。
[0071]
经过上述计算可得到若采用同一批次的反射镜，相位延迟量接近，并在传输过程中相互抵消，实现了保持45度和
‑
45度线偏振光偏振消光比的效果，同时又对水平和竖直线偏振光消光比影响不大，达到偏振保持的目的。
[0072]
综上所述，本实施例基于光学偏振理论，利用不同偏振方向的入射光在光学反射面的反射率及相位变化特征，通过光路设计，改变入射光的偏振方向与光学入射面的相对方向，从而达到偏振度保持的目的。相应的实施方法是对量子通信终端中库德光路的进行复杂化处理，将库德光路中三片反射镜复杂化成三组正交放置的反射镜组。在偏振光传输的过程中每组光学元件产生的相位延迟会相互叠加，若系统的整体相位延迟在要求的区间内，即可满足保偏设计要求，用两片相对方位旋转90度的反射镜代替原本库德光路一片反
射镜的功能后，两个反射镜所产生的相对相位延迟在传输过程中相抵消，同时也能实现宽波段的偏振光传输，达到了同时保持水平、竖直、45度和
‑
45度线偏振光消光比变化不大的效果，满足保偏要求。
[0073]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0074]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0075]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0076]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0077]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。