自由空間相干光通信的三晶片型偏振態(tài)編碼器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種自由空間相干光通信的三晶片型偏振態(tài)編碼器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在經(jīng)典光通信領(lǐng)域和量子保密通信領(lǐng)域，對(duì)光信號(hào)編碼的方式有：幅度一相位、 PSK、以及偏振態(tài)編碼等方式。偏振態(tài)編碼，由于其能夠?qū)崿F(xiàn)單光束的相干光通信模式，克服 了傳統(tǒng)雙光路Mach-Zehnder干涉儀模式的不足，在自由空間相干光通信中有巨大的應(yīng)用價(jià) 值。
[0003] 傳統(tǒng)的偏振態(tài)編碼，一般采用偏振控制器實(shí)現(xiàn)，常見的偏振控制器主要有:可旋晶 體波片型偏振控制器、磁光調(diào)制器、擠壓光纖偏振控制器以及液晶型偏振控制器等幾種?？?旋晶體波片型偏振控制器利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)波片達(dá)到偏振控制的目的，它的響應(yīng)速度慢，精確 度不高;磁光調(diào)制器利用Faraday旋光效應(yīng)，電磁鐵驅(qū)動(dòng)，存在響應(yīng)速度慢，體積大，且變化 的磁場(chǎng)對(duì)于穿過晶體的偏振光會(huì)發(fā)生散射損耗，容易導(dǎo)致光信號(hào)功率波動(dòng)。擠壓型偏振控 制器采用全光纖結(jié)構(gòu)，具有調(diào)制速度快，插入損耗和偏振相關(guān)損耗較低等優(yōu)點(diǎn)，但它適合光 纖通信，而不適合自由空間相干光通信。液晶型偏振控制器具有很快的響應(yīng)速度，但插入損 耗大，穩(wěn)定性較差，偏振度不高，工作溫度要求嚴(yán)格，不適合用于偏振編碼。
[0004] 利用電光晶體的電光效應(yīng)控制偏振態(tài)變換，具有偏振變換速度快、穩(wěn)定性好，體積 小，便于光路集成等優(yōu)勢(shì)，是目前自由空間相干光通信的主流偏振控制器，其中LiNb〇3是 最常用電光晶體。另外，目前市面上在售的電光偏振調(diào)制器不能實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的遍歷，無法滿 足自由空間單光束相干光的偏振態(tài)編碼需要，而且價(jià)格昂貴，調(diào)制速率和精度也不夠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種自由空間相干光通信的三晶片型偏振態(tài)編碼 器，具有Poincare球上偏振態(tài)的遍歷功能，能夠把單束線偏振光分解成本振和信號(hào)兩個(gè)正 交分量，并對(duì)信號(hào)分量加以幅度調(diào)制，適用于單光束的經(jīng)典相干光通信以及連續(xù)變量量子 通信的偏振態(tài)編碼。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種自由空間相干光通信的三晶片型偏 振態(tài)編碼器，利用LiNb03晶體的Poeke 1 s效應(yīng)，以X-Z-X LiNb03晶片組構(gòu)成一體化的電光型 Stokes參量編碼器，將單束線偏振光分解成本振和信號(hào)兩個(gè)正交分量，并對(duì)信號(hào)分量加以 幅度調(diào)制，結(jié)合偏振編碼算法，控制施加在LiNb0 3晶片兩側(cè)的偏壓獲得相位延遲量，實(shí)現(xiàn)自 由空間相干光通信的偏振態(tài)編碼。
[0007] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述Pocke 1 s效應(yīng)，即晶體折射率的變化與外加電場(chǎng)的大小 成線性關(guān)系，該P(yáng)ockels效應(yīng)適用于自由空間相干光經(jīng)典通信和連續(xù)變量量子通信。
[0008] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述Pockels效應(yīng)，具體有:X和Z型LiNb03晶體的相位延遲 量和外加電壓的關(guān)系為：
式中，辦表示相位延遲量，no和ne分別為尋常光和非尋常光折射率，γ為L(zhǎng)iNb03晶體的 電光系數(shù)，1和d分別是晶體通光長(zhǎng)度和通光面寬度，V為外加電壓，A為入射光波長(zhǎng)。
[0009]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述X-Z-X LiNb03晶片組為串聯(lián)的三晶片陣列，其中，第一 片晶片和第三片晶片為沿a軸方向切割的X型LiNb03晶片，晶片主軸沿水平方向，第二片晶 片為沿c軸方向切割的Z型LiNb0 3晶片，晶體主軸方向與水平方向呈45°。
[0010]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述LiNb03晶片滿足808nm的偏振編碼需要，其尺寸為4X 2 · 5 X 20mm3，通光方向20mm長(zhǎng)，施加電場(chǎng)方向2 · 5mm寬，兩側(cè)面拋光鍍金供電極引線。
[0011] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，還包括用于安裝所述X-Z-X LiNb03晶片組的聚四氟乙烯基 座、用于設(shè)置所述聚四氟乙烯基座的金屬屏蔽盒和安裝于所述聚四氟乙烯基座上的會(huì)聚準(zhǔn) 直透鏡系統(tǒng)。
[0012] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述聚四氟乙烯基座包括凸型前端固定支座和準(zhǔn)直透鏡系 統(tǒng)支座，所述凸型前端固定支座的上端開設(shè)有一條縱向凹形通槽，以利于所述x-z-x LiNb0 3晶片組的三片晶片沿該縱向凹形通槽依次放置，所述凸型前端固定支座的上端位于 所述縱向凹形通槽的兩側(cè)還各開設(shè)有三個(gè)橫向的半圓型導(dǎo)槽，用于粘貼電極;所述準(zhǔn)直透 鏡系統(tǒng)支座用于固定所述會(huì)聚準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)，且該會(huì)聚準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)的凸透鏡組相對(duì)于所 述縱向凹形通槽放置。
[0013] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述金屬屏蔽盒包括屏蔽盒身和屏蔽盒蓋，材質(zhì)選用銅或 錯(cuò)制材質(zhì)，屏蔽盒身兩側(cè)各開3個(gè)直徑9mm的圓形口，供SMA母頭引出，所述SMA母頭經(jīng)電極與 晶片連接;所述屏蔽盒蓋前后兩端各開設(shè)有直徑6mm的圓形口，供光線入射和出射。
[0014] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述偏振編碼算法是結(jié)合禁忌搜索的原理、Mueller矩陣根 分解法以及三角函數(shù)一級(jí)近似，把局部和全局搜索結(jié)合在一起，對(duì)優(yōu)化的局部解進(jìn)行標(biāo)記， 在下一級(jí)的搜索中避開該些標(biāo)記，使探索不斷地靠近目標(biāo)，并在搜索算法中加入超過120V 的復(fù)位處理功能。
[0015] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，對(duì)于經(jīng)典相干光通信，其調(diào)制頻率可達(dá)119kHz，對(duì)于量子通 信，其調(diào)制頻率可達(dá)40kHz，偏振態(tài)編碼精度以Poincare球方位角表示為±121*。，分辨率 為β，、AS3 < 0_0025，能夠從Poincare球上一個(gè)點(diǎn)到任意一個(gè)點(diǎn)的偏振態(tài)轉(zhuǎn) 換，具有偏振態(tài)的遍歷性。
[0016] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明的偏振態(tài)編碼器為一體化的 集成系統(tǒng)，能夠遍歷整個(gè)Poincare球的偏振態(tài);構(gòu)建優(yōu)化的偏振態(tài)搜索算法和控制電路，可 以高速、精確地實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)編碼，小于120V驅(qū)動(dòng)電壓，可用小型的半導(dǎo)體電路驅(qū)動(dòng);本發(fā)明 的偏振態(tài)編碼器，調(diào)制頻率可達(dá)119kHz，比目前流行的自由空間偏振態(tài)控制器快18倍;偏振 態(tài)編碼精度以Poincare球方位角表示為i 分辨率為:0:綱°:::，透每務(wù)# ，優(yōu)于目前流行的自由空間偏振態(tài)控制器性能；本發(fā)明可以用于自由空間單光束相干光通 信，在弱光條件下可用于單光束的連續(xù)變量量子通信編碼。
【附圖說明】
[0017] 圖1-1至圖1-3是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖2-1至圖2-3分別是本發(fā)明的聚四氟乙烯基座的三視圖，其中，圖2-1為聚四氟乙 烯基座的主視圖，圖2-2為聚四氟乙烯基座的左視圖，圖2-3為聚四氟乙烯基座的俯視圖。
[0019] 圖3-1至圖3-3分別是本發(fā)明的金屬屏蔽盒的三視圖，其中，圖3-1為金屬屏蔽盒的 主視圖，圖3-2為金屬屏蔽盒的左視圖，圖3-3為金屬屏蔽盒的俯視圖。
[0020] 圖4是本發(fā)明的Stokes參量遍歷性示意圖。
[0021 ]圖5是本發(fā)明所述的偏振控制算法流程圖。
[0022]圖6是本發(fā)明隨機(jī)編碼時(shí)三塊晶片所需偏壓的分布圖。
[0023]圖7是本發(fā)明對(duì)Stokes參量S2進(jìn)行16位高斯隨機(jī)編碼的調(diào)制信號(hào)圖。
[0024]圖8是測(cè)量Stokes參量S2時(shí)的采集波形圖。
[0025]圖9是Stokes參量S2的理論值與實(shí)際值的比較圖。
[0026]圖10是Stoke s參量S3的理論值與實(shí)際值的比較圖。
[0027]圖中：l_LiNb03晶片；2-凸型前端固定支座；3-會(huì)聚的準(zhǔn)直透鏡組;4-準(zhǔn)直系統(tǒng)旋 鈕;5-準(zhǔn)直系統(tǒng)支座;6-縱向凹形通槽;7-屏蔽盒身;8-電極引出口； 9-細(xì)縫；10-螺絲孔；11-半圓形缺口； 12-入射通光孔;13-屏蔽盒蓋;14-出射通光孔。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。
[0029]本發(fā)明的一種自由空間相干光通信的三晶片型偏振態(tài)編碼器，利用LiNb03晶體的 Pockels效應(yīng)，以X-Z-X LiNb03晶片組構(gòu)成一體化的電光型Stokes參量編碼器，將單束線偏 振光分解成本振和信號(hào)兩個(gè)正交分量，并對(duì)信號(hào)分量加以幅度調(diào)制，結(jié)合偏振編碼算法，控 制施加在LiNb0 3晶片兩側(cè)的偏壓獲得相位延遲量，實(shí)現(xiàn)自由空間相干光通信的偏振態(tài)編 碼。
[0030] 所述Pockels效應(yīng)適用于自由空間相干光經(jīng)典通信和連續(xù)變量量子通信，即晶體 折射率的變化與外加電場(chǎng)的大小成線性關(guān)系，具體有:X和Z型LiNb0 3晶體的相位延遲量和 外加電壓的關(guān)系為：
式中，各表不相位延遲量，n〇和ne分別為尋常光和非尋常光折射率，γ為L(zhǎng)iNb〇3晶體的 電光系數(shù)，1和d分別是晶體通光長(zhǎng)度和通光面寬度，V為外加電壓，為入射光波長(zhǎng)。
[0031] 以下通過具體實(shí)施例講述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0032] 參照?qǐng)D1-1至圖1-3,建立笛卡爾坐標(biāo)系，本發(fā)明提供一種自由空間相干光通信的 三晶片型偏振態(tài)編碼器，包括沿X軸方向依次直排的X-Z-X型三塊LiNb0 3晶片1、一個(gè)聚四氟 乙烯基座(包括凸型前端固定支座2和準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)支座5)、一個(gè)金屬屏蔽盒(包括屏蔽盒 身7和屏蔽盒蓋13)、一個(gè)會(huì)聚的準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)（包括會(huì)聚的準(zhǔn)直透鏡組3和準(zhǔn)直系統(tǒng)旋鈕 4)、六條導(dǎo)線和以及相應(yīng)接頭。所述的LiNb0 3晶片1，利用LiNb03晶體的Pockels效應(yīng)，第一塊 和第三塊LiNb03晶片為X型晶體，沿a軸方向切割，晶體主軸沿水平方向，第二塊LiNb0 3晶片 為Z型晶體，沿c軸方向切割，晶體主軸方向與水平呈45°。對(duì)于808nm波長(zhǎng)的光束，晶片滿足 編碼所需的尺寸為4 X 2.5 X 20mm3，通光長(zhǎng)度20mm沿X方向，電場(chǎng)長(zhǎng)度2.5mm沿y方向，高度 4_沿z方向，且晶片兩側(cè)面拋光鍍金供粘帖電極引線。
[0033]所述的基座為聚四氟乙烯材質(zhì)，因?yàn)榫鬯姆蚁┰谒芰现杏捕茸罡?，電絕緣性好， 基座分為前后兩部分，后半部分為準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)支座5,夾持直徑Φ為11.4_的會(huì)聚的準(zhǔn)直 透鏡組3,還有準(zhǔn)直系統(tǒng)旋鈕4可以調(diào)整透鏡間距把會(huì)聚的準(zhǔn)直光束垂直入射到通信系統(tǒng)的 接收端。前半部分為凸型前端固定支座2,其為"凸"型結(jié)構(gòu)，凸起部分寬17mm，基底寬50mm， 凸起部分正中開2.5 X 71 X 4mm3的長(zhǎng)方形縱向凹形通槽6，用于放置三塊LiNb03晶片的，且 晶片間的間隔為5mm。"凸"型結(jié)構(gòu)兩邊預(yù)留六個(gè)半圓形缺口 11，半徑為4mm，方便引出電