专利摘要
本发明涉及一种自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器。利用LiNbO3晶体的Pockels效应，以X‑Z‑X LiNbO3晶片组构成一体化的电光型Stokes参量编码器，将单束线偏振光分解成本振和信号两个正交分量，并对信号分量加以幅度调制，结合偏振编码算法，控制施加在LiNbO3晶片两侧的偏压获得相位延迟量，实现自由空间相干光通信的偏振态编码。本发明的偏振态编码器，最高编码速率可达119k，比目前流行的自由空间偏振态控制器快18倍，偏振态编码精度以Poincare球方位角表示为，分辨率为。
权利要求
1.一种自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器，其特征在于：利用LiNbO
所述Pockels效应，即晶体折射率的变化与外加电场的大小成线性关系，该Pockels效应适用于自由空间相干光经典通信和连续变量量子通信；
所述Pockels效应，具体有：X和Z型LiNbO
式中，δ表示相位延迟量，n
所述X-Z-X LiNbO
2.根据权利要求1所述的自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器，其特征在于：所述LiNbO
3.根据权利要求1所述的自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器，其特征在于：所述金属屏蔽盒包括屏蔽盒身和屏蔽盒盖，材质选用铜或铝制材质，屏蔽盒身两侧各开3个直径9mm的圆形口，供SMA母头引出，所述SMA母头经电极与晶片连接；所述屏蔽盒盖前后两端各开设有直径6mm的圆形口，供光线入射和出射。
4.根据权利要求1所述的自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器，其特征在于：所述偏振编码算法是结合禁忌搜索的原理、Mueller矩阵根分解法以及三角函数一级近似，把局部和全局搜索结合在一起，对优化的局部解进行标记，在下一级的搜索中避开该些标记，使探索不断地靠近目标，并在搜索算法中加入超过120V的复位处理功能。
5.根据权利要求1所述的自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器，其特征在于：对于经典相干光通信，其调制频率可达119kHz，对于量子通信，其调制频率可达40kHz，偏振态编码精度以Poincare球方位角表示为±0.20°，分辨率为0.01°，ΔS
说明书
技术领域
本发明涉及一种自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器。
背景技术
在经典光通信领域和量子保密通信领域，对光信号编码的方式有：幅度一相位、PSK、以及偏振态编码等方式。偏振态编码，由于其能够实现单光束的相干光通信模式，克服了传统双光路Mach-Zehnder干涉仪模式的不足，在自由空间相干光通信中有巨大的应用价值。
传统的偏振态编码，一般采用偏振控制器实现，常见的偏振控制器主要有：可旋晶体波片型偏振控制器、磁光调制器、挤压光纤偏振控制器以及液晶型偏振控制器等几种。可旋晶体波片型偏振控制器利用机械旋转波片达到偏振控制的目的，它的响应速度慢，精确度不高；磁光调制器利用Faraday旋光效应，电磁铁驱动，存在响应速度慢，体积大，且变化的磁场对于穿过晶体的偏振光会发生散射损耗，容易导致光信号功率波动。挤压型偏振控制器采用全光纤结构，具有调制速度快，插入损耗和偏振相关损耗较低等优点，但它适合光纤通信，而不适合自由空间相干光通信。液晶型偏振控制器具有很快的响应速度，但插入损耗大，稳定性较差，偏振度不高，工作温度要求严格，不适合用于偏振编码。
利用电光晶体的电光效应控制偏振态变换，具有偏振变换速度快、稳定性好，体积小，便于光路集成等优势，是目前自由空间相干光通信的主流偏振控制器，其中 LiNbO3是最常用电光晶体。另外，目前市面上在售的电光偏振调制器不能实现偏振态的遍历，无法满足自由空间单光束相干光的偏振态编码需要，而且价格昂贵，调制速率和精度也不够。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器，具有Poincare球上偏振态的遍历功能，能够把单束线偏振光分解成本振和信号两个正交分量，并对信号分量加以幅度调制，适用于单光束的经典相干光通信以及连续变量量子通信的偏振态编码。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器，利用LiNbO3晶体的Pockels效应，以X-Z-X LiNbO3晶片组构成一体化的电光型Stokes参量编码器，将单束线偏振光分解成本振和信号两个正交分量，并对信号分量加以幅度调制，结合偏振编码算法，控制施加在LiNbO3晶片两侧的偏压获得相位延迟量，实现自由空间相干光通信的偏振态编码。
在本发明一实施例中，所述Pockels效应，即晶体折射率的变化与外加电场的大小成线性关系，该Pockels效应适用于自由空间相干光经典通信和连续变量量子通信。
在本发明一实施例中，所述Pockels效应，具体有：X和Z型LiNbO3晶体的相位延迟量和外加电压的关系为：
式中， 表示相位延迟量，
在本发明一实施例中，所述X-Z-X LiNbO3晶片组为串联的三晶片阵列，其中，第一片晶片和第三片晶片为沿a轴方向切割的X型LiNbO3晶片，晶片主轴沿水平方向，第二片晶片为沿c轴方向切割的Z型LiNbO3晶片，晶体主轴方向与水平方向呈45°。
在本发明一实施例中，所述LiNbO3晶片满足808nm的偏振编码需要，其尺寸为4×2.5×20mm
在本发明一实施例中，还包括用于安装所述X-Z-X LiNbO3晶片组的聚四氟乙烯基座、用于设置所述聚四氟乙烯基座的金属屏蔽盒和安装于所述聚四氟乙烯基座上的会聚准直透镜系统。
在本发明一实施例中，所述聚四氟乙烯基座包括凸型前端固定支座和准直透镜系统支座，所述凸型前端固定支座的上端开设有一条纵向凹形通槽，以利于所述X-Z-XLiNbO3晶片组的三片晶片沿该纵向凹形通槽依次放置，所述凸型前端固定支座的上端位于所述纵向凹形通槽的两侧还各开设有三个横向的半圆型导槽，用于粘贴电极；所述准直透镜系统支座用于固定所述会聚准直透镜系统，且该会聚准直透镜系统的凸透镜组相对于所述纵向凹形通槽放置。
在本发明一实施例中，所述金属屏蔽盒包括屏蔽盒身和屏蔽盒盖，材质选用铜或铝制材质，屏蔽盒身两侧各开3个直径9mm的圆形口，供SMA母头引出，所述SMA母头经电极与晶片连接；所述屏蔽盒盖前后两端各开设有直径6mm的圆形口，供光线入射和出射。
在本发明一实施例中，所述偏振编码算法是结合禁忌搜索的原理、Mueller矩阵根分解法以及三角函数一级近似，把局部和全局搜索结合在一起，对优化的局部解进行标记，在下一级的搜索中避开该些标记，使探索不断地靠近目标，并在搜索算法中加入超过120V的复位处理功能。
在本发明一实施例中，对于经典相干光通信，其调制频率可达119kHz，对于量子通信，其调制频率可达40kHz，偏振态编码精度以Poincare球方位角表示为 ，分辨率为 ， 、 ，能够从Poincare球上一个点到任意一个点的偏振态转换，具有偏振态的遍历性。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的偏振态编码器为一体化的集成系统，能够遍历整个Poincare球的偏振态；构建优化的偏振态搜索算法和控制电路，可以高速、精确地实现偏振态编码，小于120V驱动电压，可用小型的半导体电路驱动；本发明的偏振态编码器，调制频率可达119kHz，比目前流行的自由空间偏振态控制器快18倍；偏振态编码精度以Poincare球方位角表示为 ，分辨率为 ， ，优于目前流行的自由空间偏振态控制器性能；本发明可以用于自由空间单光束相干光通信，在弱光条件下可用于单光束的连续变量量子通信编码。
附图说明
图1-1至图1-3是本发明的三维结构图。
图2-1至图2-3分别是本发明的聚四氟乙烯基座的三视图，其中，图2-1为聚四氟乙烯基座的主视图，图2-2为聚四氟乙烯基座的左视图，图2-3为聚四氟乙烯基座的俯视图。
图3-1至图3-3分别是本发明的金属屏蔽盒的三视图，其中，图3-1为金属屏蔽盒的主视图，图3-2为金属屏蔽盒的左视图，图3-3为金属屏蔽盒的俯视图。
图4是本发明的Stokes参量遍历性示意图。
图5是本发明所述的偏振控制算法流程图。
图6是本发明随机编码时三块晶片所需偏压的分布图。
图7是本发明对Stokes参量
图8是测量Stokes参量
图9是Stokes参量
图10是Stokes参量
图中：1-LiNbO3晶片；2-凸型前端固定支座；3-会聚的准直透镜组；4-准直系统旋钮；5-准直系统支座；6-纵向凹形通槽；7-屏蔽盒身；8-电极引出口；9-细缝；10-螺丝孔；11-半圆形缺口； 12-入射通光孔；13-屏蔽盒盖；14-出射通光孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器，利用LiNbO3晶体的Pockels效应，以X-Z-X LiNbO3晶片组构成一体化的电光型Stokes参量编码器，将单束线偏振光分解成本振和信号两个正交分量，并对信号分量加以幅度调制，结合偏振编码算法，控制施加在LiNbO3晶片两侧的偏压获得相位延迟量，实现自由空间相干光通信的偏振态编码。
所述Pockels效应适用于自由空间相干光经典通信和连续变量量子通信，即晶体折射率的变化与外加电场的大小成线性关系，具体有：X和Z型LiNbO3晶体的相位延迟量和外加电压的关系为：
（1）
式中， 表示相位延迟量，
以下通过具体实施例讲述本发明的技术方案。
参照图1-1至图1-3，建立笛卡尔坐标系，本发明提供一种自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器，包括沿x轴方向依次直排的X-Z-X型三块LiNbO3晶片1、一个聚四氟乙烯基座（包括凸型前端固定支座2和准直透镜系统支座5）、一个金属屏蔽盒（包括屏蔽盒身7和屏蔽盒盖13）、一个会聚的准直透镜系统（包括会聚的准直透镜组3和准直系统旋钮4）、六条导线和以及相应接头。所述的LiNbO3晶片1，利用LiNbO3晶体的Pockels效应，第一块和第三块LiNbO3晶片为X型晶体，沿a轴方向切割，晶体主轴沿水平方向，第二块LiNbO3晶片为Z型晶体，沿c轴方向切割，晶体主轴方向与水平呈45°。对于808nm波长的光束，晶片满足编码所需的尺寸为4×2.5×20mm
所述的基座为聚四氟乙烯材质，因为聚四氟乙烯在塑料中硬度最高，电绝缘性好，基座分为前后两部分，后半部分为准直透镜系统支座5，夹持直径 为11.4mm的会聚的准直透镜组3，还有准直系统旋钮4可以调整透镜间距把会聚的准直光束垂直入射到通信系统的接收端。前半部分为凸型前端固定支座2，其为“凸”型结构，凸起部分宽17mm，基底宽50mm，凸起部分正中开2.5×71×4mm³的长方形纵向凹形通槽6，用于放置三块LiNbO3晶片的，且晶片间的间隔为5mm。“凸”型结构两边预留六个半圆形缺口11，半径为4mm，方便引出电极，另外在“凸”型结构两侧各预留6个螺丝孔10，直径为2mm，用于安装M2螺丝，M2螺丝的作用是紧固、微调LiNbO3晶片的位置，确保晶体的准直共轴。凸型支座四角处各留4个直径2mm的螺丝孔，用螺丝固定在屏蔽盒身。
导线和接头，选用RG178镀银线和SMA母头。RG178镀银线的两端为裸线，一端用低温导电银胶粘帖到镀金的LiNbO3晶片侧面，另一端固定在SMA上。请参照图2-1、图2-2及图2-3所示。
参照图3-1、图3-2及图3-3所示，所述的金属屏蔽盒采用铜或者铝制材质，以防止电磁干扰。聚四氟乙烯基座安装在金属屏蔽盒身7上。金属屏蔽盒身7尺寸为114.6×100.5×45mm³，金属屏蔽盒身7在距首尾两端7mm处开有4条1.8mm宽的细缝9，方便金属屏蔽盒盖13嵌入其中，两侧各开三个直径 为9mm的圆形孔8，用于安装SMA连接头，供导线引出。屏蔽盒盖13尺寸为100.5×100.5×45mm³，厚度为1.8mm，正好卡在金属屏蔽底座的细缝9内，入射光端面和出射光端面中心分别开凿直径6mm的入射通光孔12和出射通光孔14，供光束射入和射出。
会聚准直透镜系统，装有材质为BK7光学玻璃、直径 为11.4mm的会聚的准直透镜组3，可以通过准直系统旋钮4调节透镜间距，使会聚的准直光束传送更远距离。准直透镜系统置于聚四氟乙烯支座的后半部的准直系统支座5上。
为了更好阐述本发明，需要用偏振光的Muller矩阵与Poincare球来分析偏振态编码器的作用。考虑到寻常光折射率为
（2）
式中， 表示晶片相位延迟量，
X型和Z型电光晶体的Muller矩阵可以分别用公式（3）和（4）表示：
（3）
（4）
根据公式（3）和（4）可以得知，X型LiNbO3晶体使得球面上偏振态点绕OS1轴在Poincare球面旋转，Z型LiNbO3晶体使得偏振态点绕OS2轴沿着Poincare球面旋转，旋转的弧度就是晶体引入的相位延迟量。
根据本发明所述的X-Z-X结构，三晶片型编码器的Muller矩阵表示为：
（5）
由于第一块和第三块晶片结构相同，算法中它们的偏压取相同值，所以 ，假设入射偏振态为 ，那么经过三晶片型编码器作用后，出射光的偏振态 可表示为：
（6）
结合公式（2）和公式（6）可以得到出射偏振态与入射偏振态和晶片两侧偏压的关系，通过改变施加在晶体两侧的偏压，得到所需偏振态的相位延迟量，使出射光达到偏振编码的目的。参照图4，仿真结果说明，本发明所述的编码器能够实现偏振态的Poincare球遍历转换。也就是说，Poincare球上任意一个偏振态，经过三晶片型电光调制器变换后，可以到达Poincare球上的目标偏振态。测量结果表明，本发明的编码器不依赖于入射偏振态，优于市面上大多数依赖于入射偏振态的遍历型偏振控制器。
所述的偏振编码控制算法结合了禁忌搜索的原理、Mueller矩阵根分解法以及三角函数一级近似，把局部和全局搜索结合在一起，对优化的局部解进行标记，在下一级的搜索中尽量避开这些被标记，使探索不断地靠近目标，并在搜索算法中加入超过120V的复位处理功能。参照图5，偏振编码控制算法的步骤为：1. 输入初始参数。这里将-45º线偏振光经过编码器作用后输出45º线偏振光所对应的电压值作为初始解。2. 根据当前解确定搜索步长，产生相应邻域，分布于二叉树节点中。特赦准则为适应值是否减小。对每个节点对应的偏振态依次搜索直到适应值不再减小，将此时的搜索结果确定为最优候选解。3. 判断最优候选解是否优于禁忌对象对应的当前解。若满足，将禁忌表中最差的禁忌对象替换为最优候选解对应的对象，更新禁忌表，并将最优候选解作为新一轮搜索的初始解。4. 判断目标函数是否收敛。若收敛，则搜索结束，输出结果；否则，判断初始解对应的电压值是否超出边界，若超出了则复位，重复步骤2至4。
参照图6，对50个随机目标偏振态的 编码，对应的三晶片型偏振态编码器两侧的电压值 和 的变化范围在0V~-120V， 的变化范围在-20V~-60V，满足驱动电压小于120V的条件，可以用半导体器件电路驱动，克服了市面上大多数偏振控制器驱动电压过大的弊端。
本发明所述的编码器可以对Stokes参量的信号分量16位甚至更多位的随机编码，对于经典相干光通信，其调制频率可以达到119kHz，对于量子通信，其调制频率可以达到40kHz。图7为编码器对Stokes参量
参照图9和图10，将编码
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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