稳定的低噪声自由空间量子密钥分配实验研究

基于量子密钥分配的基本原理,采用偏振短脉冲相干光源和双FM差分密钥分配的方案,进行了自由空间量子密钥分配的实验研究. 该方案具有噪声低,稳定性高,误码率低等优点,为空间量子保密通信提供了一个有意义的实施方案,具有一定的实用价值和学术意义. 关键词： 量子保密通信 量子密钥 自由空间 差分相位编码     

量子信令的偏振态差分相位编码方案及仿真

为了研究量子通信信令系统,实现多用户之间进行通信,提出了一种量子信令的偏振态差分相位编码方案,阐述了编码过程.发送方使用光子的不同偏振态来表示不同的信令,然后对光子进行相位调制,通过前后两个光脉冲的相位差进行量子信令编码.接收方根据两个光脉冲在光合束器处发生干涉,由于相位差不同可以被不同的检测器检测到而得到0或1信号完成解码.根据高斯脉冲分布,导出了光子传输过程中由于脉冲延迟引起的差分相位编码系统的量子误码率与脉冲宽度以及延迟时间分布参量之间的定量关系,推出高斯分布的单光子脉冲在确定的时间抖动分布情况下系统的量子误码率.对量子信令编码效率和误码率进行分析并仿真,结果表明本文提出的编码方案可以达到75％编码效率,能够满足量子移动通信的需要.     

偏振分束器对光学电流传感器稳定性的影响

采用偏振光学理论,详细分析了光学电流传感器中偏振分束器消光比的变化对传感器性能的影响,得到了偏振分束器消光比与传感器输出的关系式,并用系统实验进行了验证.理论及实验结果的吻合证明了光学电流传感器稳定性直接受偏振分束器两路消光比影响的结论.     

弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的性能优化分析

测量设备无关量子密钥分发系统能够抵御任何针对单光子探测器边信道的攻击, 进一步结合诱惑态的方案, 可以同时规避准单光子源引起的实际安全漏洞. 测量设备无关量子密钥分发系统中, 非对称传输、分束器的不对称以及各个单光子探测器存在实际参数差异等光学系统的具体实现特征会对系统误码率和成码率等性能产生一定的影响. 本文针对采用弱相干光源的测量设备无关量子密钥分发系统, 引入单光子探测器品质因子的实验参数(暗计数与探测效率的比值), 通过量子化描述, 理论推导并模拟了误码率与单光子探测器品质因子、分束器反射率以及通信双方弱相干光源平均光子数之间的关系. 结果表明: 在X基偏振编码 和相位编码系统中, 当分束器的反射率趋近于0.5时, 误码率取最小值; 在偏振编码和相位编码系统中, 误码率随着单光子探测器品质因子的增大而增大; 在Z基偏振编码系统中, 误码率随分束器的反射率的变化会呈现较小的波动, 当分束器的反射率为0.5时, 若通信双方采用的平均光子数相差较大, 则误码率取最大值; 分束器的反射率和平均光子数对误码率的影响在Z基情况下不能等同, 但是对于X基编码和相位编码却能等同.     

全光纤量子通信系统中的高速偏振控制方案

偏振控制在光通信中是至关重要的技术, 关系着通信系统的稳定性和误码率. 本文提出一种基于双向Sagnac环工作方式的全光纤高速偏振控制方案, 通过调节环中一个光纤电光相位调制器的相位差而精确控制光场偏振方向, 并且实现了单个端口输出各种偏振态, 无需后续耦合操作. 相位控制精度为10^-3 rad, 最大消光比可达30 dB, 工作速率可达2 GHz. 由于本方案的精度、调制速度和稳定性都很高, 并采用了器件简单、成本低廉的全光纤光路, 易于集成, 在量子保密通信等光通信领域中有很好的应用前景. 关键词： 光纤偏振控制器 Sagnac环 量子通信     

基于液晶可变相位延迟器的两片式线偏振态转换器研究

利用Jones矩阵法,理论上分析了方位角分别为0°和-45°的2个可变相位延迟器组成的偏振转换器可实现任意偏振态到水平线偏振态的转换,并推导出可变相位延迟器延迟量的表达式。利用自主研制的液晶相位可变延迟器的相位延迟,在1 V～2.7 V范围,根据驱动电压连续线性可调的特性,设计了两片液晶可变相位延迟器组成的偏振态转换器,实现了随机偏振态(Stokes参数为(-0.567,0.752,0.36))到水平偏振态(Stokes参数为(1,0,0))的可控调制,实验结果验证了理论分析结果。该偏振态转换器还可以实现其他任意偏振态到水平偏振态的调制。     

基于湍流球泡折射的空间量子密钥分发性能分析

为了研究大气湍流对自由空间量子密钥分发的性能影响,将大气湍流建模为空间中随机分布的空气球泡,利用几何光学原理分析单光子在湍流球泡中的传播,定量计算了经过两次折射后由于偏振态变化造成的光子透射率比值k和误码率Ep的起伏,利用蒙特卡洛方法模拟了湍流折射率随机变化时二者的趋势;最后推导了经过湍流折射后的诱骗态空间量子密钥分发成码率公式并通过分析误码来源得到满足成码率需要的k值上限,建立偏振误码率与入射角和湍流折射率的关系并得到Ep的安全阈值.仿真结果表明当入射角在44.8°~76.5°,湍流折射率在1~1.33范围内可以满足误码率的上限约束.该研究为湍流条件下进行空间量子通信实验提供了理论参考.     

PM2.5大气污染对自由空间量子通信性能的影响

近年来, PM2.5大气污染日益严重, 不仅影响空气质量与大气能见度, 而且还会对自由空间量子光信号的传输造成影响. 然而, 有关PM2.5与自由空间量子通信信道参数关系的研究, 迄今尚未展开. 本文根据PM2.5粒度谱分布函数及其化学成分的消光份额, 提出了PM2.5指数、大气湿度与自由空间量子信道衰减的关系; 针对幅值阻尼信道和退极化信道, 分别建立了PM2.5污染程度与信道容量、信道平均保真度、信道误码率的定量关系. 仿真结果表明, 当大气湿度为30%, PM2.5指数分别为50和300时, 自由空间量子通信信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别依次为0.83和0.21, 0.91和0.56, 0.0048和0.0192. 由此可见, PM2.5污染程度对自由空间量子通信性能有显著的影响. 因此, 为了提高自由空间量子通信的可靠性, 应根据PM2.5大气污染状况, 自适应调整系统的各项参数.     

自动补偿高效的差分相位编码QKD系统

提出一种自动补偿高效实用的改进型差分相位编码量子密钥分发方案.在Alice端采用偏振型强度调制器对连续激光进行调制，产生任意个相干脉冲进行差分相位调制编码；在Bob端采用双FM干涉仪代替传统的M-Z干涉仪，自动补偿了环境引起的偏振抖动，提高了系统的干涉稳定度.简化了系统的结构，提高了密钥生成效率，增强了系统的安全性.在实验上实现了稳定的80km量子密钥分配，误码率<4%. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 差分相位编码 偏振型强度调制器     

量子密钥分发系统中抗扰动偏振编码模式的实验研究

基于移动设备的自由空间量子密钥分发系统能够为实时全覆盖多节点网络提供有效的解决方案,然而该系统目前依旧存在着稳定性不足的问题,偏振编码器的抗扰动性在移动设备应用中非常重要.在扰动情况下保偏光纤的偏振保持特性将受到很大程度的影响,进而使得基于该特性的编码器的稳定性也随之受到影响.为解决扰动情况下偏振编码的稳定性问题,本文提出了一种双向差分调制模式,该种调制模式可以使基于双向回路的偏振编码器即使在扰动情况下依旧能够实现稳定编码.为此设计了双向差分调制的原理验证实验,实验在250 MHz的重复频率下进行,并使用200 Hz的振动来模拟实际扰动环境,在实验最后使用了商用雪崩型单光子探测器进行了持续2 h的测试,得到了在扰动情况下系统的平均量子比特误码率为0.36%,误码率波动范围不超过0.2%.     

Modeling and simulation of polarization errors in Sagnac fiber optic current sensor

Sagnac fiber optic current sensor (S-FOCS) is a kind of optical interferometer based on Sagnac structure, optical polarization states of sensing light wave in Sagnac fiber optic current sensor are limited. However, several factors induce optical polarization error, and non-ideal polarized light waves cause the interference signal crosstalk in sensor, including polarizer, quarter-wave retarder, splice angular, birefringence and so on. With these errors, linearly polarized light wave in PM fiber and circularly polarized light wave in sensing fiber become elliptically polarized light wave, then, nonreciprocal phase shift induced by magnetic field of the current is interrupted by wrong polarization state. To clarify characteristics of optical polarization error in fiber optic current sensor, we analyze the evolution process of random optical polarization state, linear optical polarization state and circular optical polarization state in Sagnac fiber optic current sensor by using Poincare sphere, then, build optical polarization error models by using Jones matrix. Based on models of polarization state in Sagnac fiber optic current sensor, we investigate the influence of several main error factors on optical polarization error characteristics theoretically, including extinction ratio in polarizer, phase delay in quarter-wave retarder, splice angular between quarter-wave retarder and polarization maintaining fiber. Finally, we simulate and quantify nonreciprocal phase shift to be detected in fiber optic current sensor related with optical polarization errors. In the end, we demonstrate S-FOCS in test. The results show that transfer matrix errors are induced by inaccurate polarization properties during polarization state conversion, then, the stability and accuracy of the S-FOCS are affected, and it is important to control the polarization properties at each step of the polarization state conversion precisely.     

投影光学系统中的偏振像差分析

当光束斜入射时,光学薄膜存在一定的偏振效应。在飞利浦棱镜系统中,当一定大小孔径角的照明光束斜入射到分色合色薄膜后,S偏振分量和P偏振分量存在一定的相位差,使得线偏振光变成椭圆偏振光。利用琼斯矩阵偏振光线追迹的方法,分析了投影光学系统中由于两偏振分量相位差引起的偏振像差,以及它与暗态泄漏光强和系统衬比度的关系。得出了系统出瞳面上的光波偏振特性,以及在不同大小孔径角的照明光束入射下偏振像差的变化。分析了膜厚监控误差对光学系统偏振像差的影响,发现膜厚监控误差对偏振像差和系统衬比度有很大的影响。所使用的分析方法可以应用于其他大口径光学系统。     

Reconfigurable photonic generation of microwave hybrid frequency/phase shift keying signals

A photonic approach for the generation of microwave hybrid frequency/phase shift keying (FSK/PSK) signal based on an integrated polarization division multiplexing dual-parallel Mach–Zehnder modulator (PDM-DPMZM) is proposed and demonstrated. In the scheme, the polarization modulator is employed to modulate the linearly polarized lightwave to generate an optical polarization-shift keying (PolSK) signal. Then the PolSK signal is sent to the PDM-DPMZM via a polarization controller to generate optical PSK signal. After photo-detection, a microwave hybrid FSK/PSK signal can be obtained. Simulations are conducted to verify the proposed scheme. As bit rate is set to 1 Gbit/s, a hybrid FSK/PSK signal with frequency of 10/15 GHz and phase shift of\(\pi\)is successfully demonstrated. Hybrid signals with 2-Git/s frequency shift and 1-Git/s phase shift are also implemented. The compression ratio of the generated signal is 25.5 and the main-to-sidelobe ratio is 11.2 dB. The generations of ASK, PSK and FSK signals are discussed, and the impact of the polarization extinction ratio is also analyzed.     

利用表面散射光偏振差异的目标识别技术

 分析了不同物体散射场偏振特性的差异，依据消光定理的矢量微扰解方法将物体散射场分为零阶和高阶解，零阶反射光可完全保持入射光的偏振度，高阶散射则会导致偏振度的降低，因而总散射光的偏振度依赖于散射表面的粗糙程度。提出了利用斯托克斯-穆勒体系测量物体消偏特性的方法并通过实验对一些物体作了测量，实验结果表明：光滑表面可以较好地保留入射光偏振度，而粗糙表面则有很强的消偏作用，因此偏振成像方法可有效地提高目标探测和识别效率。     

Performance analysis of FSO links under strong atmospheric turbulence conditions using various modulation schemes

Strong atmospheric turbulence is a major hindrance in wireless optical communication systems. In this paper, the performance of a wireless optical communication system is analyzed using different modulation formats such as, binary phase shift keying-subcarrier intensity modulation (BPSK-SIM), differential phase shift keying (DPSK), differential phase shift keying-subcarrier intensity modulation (DPSK-SIM), M-ary pulse position modulation (M-PPM) and polarization shift keying (PolSK). The atmospheric channel is modeled for strong atmospheric turbulences with combined effect of turbulence and pointing errors. Novel closed-form analytical expressions for average bit error rate (BER), channel capacity and outage probability for the various modulation techniques, viz. BPSK-SIM, DPSK, DPSK-SIM, PolSK and M-PPM are derived. The simulated results for BER, channel capacity and outage probability of various modulation techniques are plotted and analyzed.     

基于SPGD算法的非保偏-保偏光自适应偏振转换

报道了一种基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的高消光比非保偏-保偏光自适应偏振转换系统。该系统利用偏振控制器对非保偏光的偏振分量进行直接控制,通过SPGD算法对输出的偏振消光比进行优化,最终实现了自适应的非保偏-保偏光的偏振转换。理论上,结合SPGD算法和偏振控制器的原理,对系统进行分析,建立了非保偏-保偏光自适应偏振转换的数学模型。实验上,利用该系统实现了非保偏到保偏光的转换,获得了14.1dB的线偏振光输出;并利用该系统将任意方向(0~360°)偏振态的线偏振光转换为期望偏振态的高消光比线偏光,其输出线偏光的平均消光比约为12dB。     

高消光比多偏振态光源系统设计

在现代工程测量中,由于工程的各项技术指标要求越来越高,相应地对光源也提出了更高的要求。依据晶体双折射和晶体相位延迟对光偏振态的影响以及光的折射角与光振动方向有关的原理,设计了高消光比多偏振态光源系统,并设计测试方案对该系统实现的偏振态和消光比进行了验证。该光源系统通过计算机精密控制电机旋转设计的转盘结构很方便快捷地实现了S偏振态、P偏振态和圆偏振光的输出,并且系统中设计了平移和旋转装置自动控制偏振棱镜,获得了高消光比的偏振光,出射光消光比小于等于510-6。     

高速多量子阱激光器混沌保密通信系统研究

研究了外部光注入高速多量子阱激光器激光混沌全光保密通信系统,导出系统同步方程,理论证明并数值实现了系统的同步,分析了增加反馈系数以缩短同步时间且增强系统同步稳定性的方法。研究分析了多量子阱激光器混沌隐藏和混沌键控保密通信全光调制解调系统模型,数值模拟了具有正弦调制信号的调制频率0．2GHz混沌模拟保密通信和数字信号调制速率20Gb／s的混沌数字保密通信以及调制速率0．05Gb／s混沌键控保密通信的应用,系统确实具有较高的保密性能和反破译能力;分析了混沌数字信号保密通信调制带宽20Gb／s调制解调时的同步误差以及混沌键控调制速率,系统都具有非常好的调制解调特性,且在高速混沌通信中,系统解调具有相对较小的同步误差,而1Gb／s是混沌键控通信的速率上限。     

基于菌紫质薄膜的相移器及其应用

设计了一种基于菌紫质光致各向异性的相移器,并把它用于相移干涉计量。取向随机分布的极性菌紫质分子对线偏振诱导光的选择性吸收导致分子取向分布不均匀,使其呈现宏观的各向异性,这种各向异性与诱导光的偏振特性密切相关,圆偏振光经过各向异性的菌紫质薄膜后,出射光的偏振特性完全由偏振诱导光决定。基于上述原理设计了一种新型的相移器,用琼斯矩阵法推导了基于相移器的相移干涉原理。该相移器在工作过程中不需要移动Mach-Zender干涉仪内部的任何器件,仅需要改变外部控制光路中诱导光的偏振取向就可以控制参考光的相位,有助于提高设备的抗振能力。用最小二乘法对相移干涉结果进行重建,得到了和实际相位一致的结果,验证了相移器的可行性。