全光纖量子通信系統(tǒng)中的高速偏振控制方案*

李申1) 馬海強(qiáng)2)3) 吳令安2)? 翟光杰1)

1)(中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究室,北京 100190)

2)(中國科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室,光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

3)(北京郵電大學(xué)理學(xué)院,北京 100876)

1 引言

量子保密通信作為一個新興的領(lǐng)域是目前國際研究的熱點(diǎn)之一,通信雙方將一個真隨機(jī)數(shù)比特序列加載在一串單光子上,通過量子信道最終建立相同的密鑰,從而實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā).通常的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為相位編碼和偏振編碼兩種.而無論采用哪種編碼方案,準(zhǔn)確控制偏振態(tài)直接關(guān)系著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和誤碼率.在自由空間的量子保密通信系統(tǒng)中,已有很高速的電光相位調(diào)制器可用來實(shí)現(xiàn)偏振控制.1992年Bennett等[1]在自由空間的量子保密通信演示系統(tǒng)中,利用泡克耳斯盒實(shí)現(xiàn)了光四種偏振態(tài)的隨機(jī)輸出.但在較為成熟的全光纖量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中,通常采用光纖偏振控制器來實(shí)現(xiàn)對偏振態(tài)的調(diào)節(jié)與糾正.而傳統(tǒng)的光纖偏振控制器件是一種無源器件,通過對光纖的擠壓來控制輸出光的偏振方向[2,3].這種機(jī)械式的控制方法只可用于一般的靜態(tài)偏振態(tài)的調(diào)節(jié),通?？捎糜谙辔痪幋a的全光纖量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中,但對于偏振編碼的全光纖量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)[4],則需要對光子偏振態(tài)進(jìn)行高速的調(diào)制,而這種機(jī)械式的無源光纖偏振控制器就很難達(dá)到精確與高效的控制.其實(shí),偏振控制的研究幾乎是與單模光纖的出現(xiàn)同時開始的,隨著光纖通信的迅速發(fā)展,偏振控制技術(shù)一直在不斷地更新.1979年,Johnson[5]首先提出了基于電磁擠壓的光纖型偏振控制器.此后相繼出現(xiàn)了電光晶體型[6]、法拉第旋轉(zhuǎn)型[7]以及延遲耦合型[8]等各種各樣的偏振控制器.1989年Aarts與Khoe[9]研制了一種新型無端偏振控制器,解決了偏振控制的復(fù)位問題,為其實(shí)用化奠定了基礎(chǔ).2002年Hirabayashi與Amano[10]研制成功了低壓液晶偏振控制器.2003年Yoshino等[11]提出了高速全光纖偏振控制器.2011年范飛等[12]提出了多功能磁光子晶體太赫茲可調(diào)偏振控制器件.盡管如此,對于偏振編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng),仍舊需要高速精準(zhǔn)的偏振控制器來實(shí)現(xiàn)高效的信息加載.所以高速、精確、低成本的偏振控制器仍然是偏振控制的主要研究方向.在量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,為了獲得高速的信息加載,通常采用多臺光源產(chǎn)生各種偏振光然后再利用偏振分束器將這些不同偏振態(tài)的光耦合進(jìn)同一信道中的方法來替代偏振控制器[1314].此方法雖然解決了偏振控制的精準(zhǔn)與高效的問題,但它的最大缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)成本非常大,而且控制系統(tǒng)十分復(fù)雜,對控制電路的精確度以及同步性要求十分高.所以,基于相位編碼偏振檢測的量子密鑰分發(fā)方案[15],我們提出一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低的解決光纖中偏振高速控制的方法.此方法不需要多個法拉第鏡,并且可以在一個端口直接輸出各種偏振態(tài)的光,無需再進(jìn)行后續(xù)耦合操作.該方法可以對一束恒定的輸入光,通過電調(diào)節(jié)高效地產(chǎn)生各種不同偏振方向的輸出光.由于該方法采用了電控制,工作速度取決于電控裝置的工作速度,所以不僅可以工作在高速狀態(tài),而且可以精確地控制輸出光的偏振方向,避免了機(jī)械控制帶來的弊端.

2 理論原理

偏振光最一般的形態(tài)是橢圓偏振光,線偏振光和圓偏振光都可看作是橢圓偏振光的特例[16].假設(shè)光沿z軸傳播,那么一般的橢圓偏振光矢量可看作是沿x軸(水平方向)的線偏振光和沿y軸(垂直方向)的線偏振光的合成.

其中,EHx,EHy分別表示水平線偏振光在x,y軸上的投影,EVx,EVy分別表示垂直線偏振光在x,y軸上的投影,E0x,E0y分別表示水平和垂直偏振光的振幅,ω為光的圓頻率,φx,φy分別為水平和垂直線偏振光的相位.

略去公因子 e-iωt,則此橢圓偏振光矢量可用列矩陣表示為

由(3)式可見,只要通過適當(dāng)?shù)馗淖兿辔徊瞀蘸驼穹菶0就可以獲得一系列我們想要得到的偏振光.

在量子密鑰分發(fā)的眾多協(xié)議中,Bennett與Brassard在1984年提出的通信協(xié)議(簡稱BB84協(xié)議)[17]被認(rèn)為是最為經(jīng)典的協(xié)議,它的安全性基于量子力學(xué)的基本原理,在理論上已被人們證實(shí).其協(xié)議的具體操作中需要高速地隨機(jī)發(fā)送和檢測屬于兩組共軛基的偏振光,一組是線偏振的,一組是圓偏振的,共4種偏振態(tài)的光子[18].在本文提出的偏振控制方案中,可令振幅比為E0=1,相位調(diào)制器分別加載0,π/2,π和3π/2這四種相位所對應(yīng)的電壓,即可以分別產(chǎn)生45?線偏振光,右旋圓偏振光,135?線偏振光和左旋圓偏振光.

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示.

圖1 偏振控制方案實(shí)驗(yàn)光路圖,LD,脈沖激光器;PC,偏振控制器;Cir,環(huán)形器;PBS-A,PBS-B,偏振分束器;PM,相位調(diào)制器;λ/2,半波片;D1,D2,光功率計

3.1 偏振光的產(chǎn)生

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,由脈沖激光器(advanced laser diode systems,PIL131DFB-SM)產(chǎn)生一恒定偏振態(tài)的激光脈沖,其波長為1310 nm,脈寬20 ps,重復(fù)頻率1 MHz.利用傳統(tǒng)的光纖線圈式結(jié)構(gòu)偏振控制器PC將激光脈沖轉(zhuǎn)為45?的偏振方向,光通過環(huán)形器Cir以后,由偏振分束器PBS-A分成兩束強(qiáng)度相等的偏振方向正交的激光脈沖Λ1和Λ2.為方便起見,定義前者為垂直偏振方向,后者為平行偏振方向.這兩束光經(jīng)過傳播方向相反但距離相等的光程后,在PBS-A處疊加,形成一個雙向Sagnac環(huán).在這個過程中,相位調(diào)制器PM會對垂直偏振方向的激光脈沖Λ1進(jìn)行相位調(diào)制.所采用的電光相位調(diào)制器為重慶中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所生產(chǎn),工作于單線偏振狀態(tài),器件的輸入、輸出口均用保偏光纖.我們自制的相位驅(qū)動電路,其半波電壓約為4.2 V,選擇0,2.1,4.2,6.3 V電壓可分別實(shí)現(xiàn)0,π/2,π,3π/2的相位調(diào)制,調(diào)制頻率為1MHz,最高調(diào)制速率可達(dá)2 GHz,精度為10-3rad.由(3)式可知,在PBS-A處兩束光疊加后的結(jié)果取決于兩束光的相位差,即PM的調(diào)制相位.疊加產(chǎn)生的光脈沖經(jīng)過環(huán)形器Cir輸出.

3.2 生成偏振光的檢測

產(chǎn)生的偏振光用半波片、偏振分束器PBS-B和光功率計D1和D2進(jìn)行測量.半波片的作用是將光的偏振方向旋轉(zhuǎn)45?.如表1所示,不同相位差產(chǎn)生的不同方向的偏振光,經(jīng)過半波片后,偏振方向的變化導(dǎo)致通過偏振分束器PBS-B后,在光功率計測量的結(jié)果不同.光功率計D1和D2兩行表示所測得的光強(qiáng)的百分比.

表1 不同偏振光的測量結(jié)果

從表1可以看出系統(tǒng)產(chǎn)生的不同線偏振態(tài)的光可以通過D1和D2的計數(shù)不同反映出來.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

生成偏振光的檢測結(jié)果如圖2所示.從圖2中可以看出,在不同的調(diào)制電壓下對應(yīng)于不同的偏振光的輸出.當(dāng)相位調(diào)制器加載4.2 V的電壓時,會有135?的線偏振光從Sagnac環(huán)輸出.到了檢測系統(tǒng)的半波片后偏振態(tài)會旋轉(zhuǎn)45?,變?yōu)樗降木€偏振光,最后將全部透過偏振分束器由D2探測,D1將不會探測到任何光的輸出.從圖中可以看出,當(dāng)D1輸出的光功率為0,D2輸出的光功率最大時,對應(yīng)的相位調(diào)制器的調(diào)制電壓值恰好是4.2 V,理論與實(shí)驗(yàn)符合得非常好.但由于檢偏光路中兩個光功率計D1,D2的探測效率不同以及偏振分束器PBS-B的兩個輸出端口與光功率計的耦合效率的差異,導(dǎo)致圖中D1光功率的最大值與D2光功率的最大值不同.圖2中D2探測到的最大值為15.00 nW,而此時D1的讀數(shù)為0,即光強(qiáng)已小于功率計的探測靈敏度.若按功率計靈敏度為0.01 nW估算,則消光比為-10×lg(0.01/15)=31.76 dB.但實(shí)驗(yàn)中所用的偏振分束器PBS-A的消光比為30 dB,它決定了系統(tǒng)所產(chǎn)生偏振光的最大消光比.根據(jù)分析,實(shí)驗(yàn)誤差是系統(tǒng)中各器件以及光纖對光的衰減和探測器的誤差所引起的.綜合考慮,此系統(tǒng)生成偏振光的最大消光比可達(dá)30 dB.

圖2 生成偏振光的檢測結(jié)果

將此偏振控制方案應(yīng)用于基于BB84協(xié)議的偏振編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中時,只需要將相位差分別調(diào)制到0,π/2,π和3π/2,即可以分別產(chǎn)生45?線偏振光、右旋圓偏振光、135?線偏振光和左旋圓偏振光.此方案的偏振控制速率完全取決于相位調(diào)制器的工作頻率.目前,市場上商用的相位調(diào)制器的工作頻率可達(dá)40 GHz,所以此方案最快的偏振控制速率可達(dá)到40 GHz.本文中的實(shí)驗(yàn)只是進(jìn)行一個原理性的驗(yàn)證.由于受限于實(shí)驗(yàn)室所使用的相位調(diào)制器的工作頻率,本文的方案演示只可達(dá)到2GHz,但這已能完全滿足目前基于偏振編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中所需的偏振控制速率.

5 結(jié)論

本文提出的全光纖的偏振控制方法,采用的是Sagnac環(huán)中加電光相位調(diào)制的工作方式,通過不同的相位調(diào)制而精確輸出各種偏振光,并且實(shí)現(xiàn)了單個端口直接輸出各種偏振態(tài)的光,無需后續(xù)耦合操作.其光路簡單,易于調(diào)節(jié),所需器件少,系統(tǒng)穩(wěn)定性極高.由于本方案是通過電控相位調(diào)制器的方法來實(shí)現(xiàn)不同的偏振光的輸出,所以系統(tǒng)可以工作在很高的頻率下,無論從偏振控制的精準(zhǔn)度上還是控制速率上均可滿足量子通信系統(tǒng)的要求.此外,由于采用全光纖的光路系統(tǒng),將來可通過集成光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)微小尺寸的封裝,成本低廉.

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