技术领域
[0001] 本
发明涉及自由空间量子通信技术，具体涉及一种用于量子通信系统的基矢自动调节装置及调节方法，它用于对量子通信中因粗
跟踪所造成的
信号光的偏振方向变化进行自动调节。技术背景
[0002] 空间尺度量子通信中主要是靠具有特定偏振态的光量子传输信息，判断光量子的偏振态需要有统一的标准，本系统中引入一种称作基矢的特定的
正交二维
坐标系作为判断
光子偏振态的标准，并且整个通信系统中用于判断信号光偏振状态的坐标系一致。发射端以基矢作为标准发射带有偏振信息的量子光，接收端接收到量子光后同样以基矢为标准提取量子光的偏振信息。
[0003] 在空间尺度量子通信中，卫星沿着轨道绕地球旋转，不停的向地面接收站发射信号光，地面接收站需要不断调整望远镜
姿态以便于捕获卫星传输过来的信号，如图2中I所示。望远镜在捕获信号光时主要有两种姿态变化：
俯仰方向旋转和
水平方向旋转。如图2中II所示，以地面坐标系为准，垂直地面向上为Z轴，水平方向以右手定则确定X轴与Y轴。规定俯仰方向旋转的
角度为俯仰角，由-Z轴向+Z轴方向为正，范围为-90度到90度；水平方向旋转的角度为方位角，以+Z轴为轴向，右旋为正，范围为-180度到180度(望远镜实际俯仰角与方位角的范围比较小)。
[0004] 为了将望远镜捕获到的信号光传输到后光路系统中进行处理，需要在望远镜的旋转臂中安装反射光路，如图3所示，左边为望远镜旋转臂光路图，其中6为望远镜镜筒、7为望远镜旋转臂、8为入射光线、9为水平反射光线、10为垂直反射光线。由图3可以看出，当望远镜旋转时会影响反射光路中信号光的偏振方向。规定信号光传播的方向为Z轴，基矢坐标垂直于Z轴，并满足右手定则，图中A所表示的X-Y轴为入射光8的基矢坐标。当望远镜的俯仰角变化时，则会引起望远镜水平反射光9的偏振旋转；设望远镜镜筒俯仰角为a，规定沿信号光的传播方向，信号光偏振状态右旋为正，则水平反射光9的偏振方向旋转的角度为a，如图3中B所示，其中虚线表示整个系统的基矢，X-Y轴表示信号光的偏振方向所在的平面旋转状态。当旋转臂带动望远镜水平方向旋转时，则会引起旋转臂垂直向上反射到后光路的信号光产生旋转，如图3中10所示；同样设望远镜镜筒水平方位角为b，同样定义右旋为正，则垂直反射光的偏振方向旋转的角度为b，如图3中C所示。
[0005] 根据以上分析可以得出：俯仰角a会造成镜筒水平反射光9偏振右旋，方位角b造成旋转臂垂直反射光10偏振右偏。由于镜筒俯仰角与方位角的
叠加，旋转臂垂直出射光线的偏振方向相对于入射光线的基矢方向偏转角度为a+b。所以当偏振角为α的信号光进入望远镜后，会经过望远镜镜筒底部的凹面镜汇聚到镜筒中间的反射镜上，经过镜筒反射镜将光线水平反射到旋转臂中的反射光路。如果此时镜筒的俯仰角a不为零，水平反射光线的的偏振角与基矢的X轴的夹角就会变化为α+a。当光线进入反射光路时首先需要通过一片凸透镜将光线变为平行光，然后再经过三个平面反射镜反射到后光路。当信号光经过最后一
块平面反射镜垂直向上反射到后光路时，如果此时望远镜的水平方位角b不为零，那么信号光的偏振方向与基矢的X轴夹角就会变为α+a+b，如图3中D所示。
[0006] 图1量子通信系统5中的量子接收端固定在后光路中，信号光进行检测之前必须将其偏振状态旋转到接收端以基矢标准能够正确检测的偏振状态，这就需要在后光路中增加旋光元件。本系统中采用半波片对信号光偏振进行旋转，当半波片快轴方向与基矢X轴夹角为θ(逆
时针方向为正)时，其琼斯矩阵为：
[0007]
[0008] 当光矢量与基矢X轴成α角时，其琼斯矩阵为：
[0009]
[0010] 当该光矢量透射半波片时，出射光线的琼斯矩阵为：
[0011]
[0012] 所以透过半波片的出射光线的偏振角由α变化为2θ-α。
[0013] 根据前面分析，设图3中入射信号光偏振方向与X轴方向夹角为α，则由于望远镜旋转的影响，经过旋转臂反射向后光路的信号光的偏振方向逆时针旋转了(a+b)的角度，即此时信号光与水平方向夹角为α+(a+b)。如果将半波片的快轴方向与基矢X轴方向的夹角设置为 如图4所示，其中角12为半波片与基矢X轴夹角，角13为信号光偏振偏转角度。根据半波片的旋波原理，透射过半波片的信号光偏振角度为：
[0014]
[0015] 即信号光的偏振角最终由α变化为-α，这样在量子检测端只需将检测出的偏正角度取反就能正确得到信号光的偏振状态。
[0016] 由于望远镜在通信中需要实时的调整姿态以便于跟踪卫星发射的信号光，所以基矢调节系统也需要实时自动的调整反射到后光路的信号光偏振状态，这就需要引入自动控制系统。
发明内容
[0017] 本发明针对星地间量子通信中，望远镜镜筒由于跟踪卫星而不停的变换空间角度所造成的信号光旋转，从而使信号接收端以固定的基矢无法正确检测出旋变后的光矢量信息的问题，提供了一种有效的基矢自动调节装置及调节方法。该装置通过可控的半波片，实时根据旋转
变压器的数据来旋转已经改变偏振方向的光矢量，通过一系列变换，使光矢量到达通信终端时能被量子接收端正确的检测出来。解决了星地间量子通信中由于望远镜空间角变化引起反射回路中信号光偏振方向旋转变化，导致接收端无法正确检测量子光偏振状态的问题。
[0018] 发明中设定一种称作基矢的特定正交二维坐标系作为判断光子偏振态的标准；发射端以基矢为标准发射具有一定偏振状态的量子光，接收端以基矢为标准检测信号光的偏振状态。使用该系统，量子光发射端和接收端可以使用统一的基矢作为光矢量的判断标准。信号光进入望远镜旋转臂反射光路，偏振状态会改变，在到达量子接收端前，通过半波片将量子光的偏振方向旋转到初始偏振方向的负方向，这样在接收端便可以利用预定的基矢检测出信号光的偏振状态，而不用担心由望远镜跟踪卫星所造成的信号光偏振方向的变化。
[0019] 本发明利用半波片的旋波特性，将已经改变偏振态的信号光旋转到恰当角度，然后再通过一系列变换，从而使量子接收端能通过与量子发射端统一的基矢将信号光正确的检测出来。如图1所示：旋转
电机组件1通过光电
编码器可以测得半波片2的旋转
位置；
旋转变压器5-1安装在量子通信系统5的望远镜俯仰轴跟水平轴上，可以分别测得望远镜的俯仰角和水平方位角；利用实时
控制器4通过旋转变压器5-1实时读取望远镜的位置；
再根据前面所述
算法计算出信号光偏转的角度以及半波片需要旋转的角度；然后生成
控制信号发送给电机控制器；电机控制器3收到控制信号后根据光电编码器测得的半波片2位置，控制电机将半波片2旋转到适当位置；从而将信号光旋转到恰当的偏振状态，以便于量子接收端能通过基矢正确检测出量子光的偏振信息。
[0020] 本发明量子通信基矢自动调节装置的结构如图1所示，其结构包括：旋转电机组件1、半波片2、电机控制器3、实时控制器4和量子通信系统5中的旋转变压器5-1。其中：
[0021] 1.旋转电机组件1由旋转电机、光电编码器和半波片安装
基座组成，半波片2固定在半波片基座上，半波片安装基座通过
蜗杆-蜗轮传动副与旋转电机连接；光电编码器安装在旋转电机上，主要负责测量旋转电机组件的旋转位置，其
精度要求达到0.1度；旋转电机采用可控的直流电机或者步进电机，反应速度在0.3s以内，旋转电机通过蜗杆-蜗轮传动副带动半波片安装基座旋转，半波片安装基座的旋转精度为0.1度；
[0022] 2.半波片2选取量子通信系统5需要信号光
波长相应的λ/2半波片；
[0023] 3.电机控制器3用来读取光电编码器数据和控制旋转电机，并且具有可编程控制的功能；
[0024] 4.实时控制器4采用电脑或者具有浮点运算功能的可编程器件，用来实时读取旋转变压器数据，计算半波片需要旋转角度，控制电机控制器；
[0025] 5.旋转变压器5-1是两个旋转变压器，分别安装在光学终端望远镜的俯仰轴和水平轴上，负责读取望远镜水平方位角和俯仰角数据，其测量精度为0.1度。
[0026] 旋转电机组件1安装在量子通信系统5的望远镜后光路中；半波片2固定在旋转电机组件1上的半波片安装基座中，信号光需要先通过半波片才能到达量子信号接收端；电机控制器3通过数据线连接到旋转电机组件上以便于读取光电编码器数据和控制旋转电机；实时控制器4通过一根数据线连接旋转变压器5-1读取望远镜空间角数据，通过另外一根数据线连接电机控制器3来向电机控制器发送控制信号；旋转变压器5-1分别安装在望远镜水平旋
转轴上和俯仰
旋转轴上，分别测量望远镜水平方位角和俯仰角数据，并通过数据线将数据传送给实时控制器4。
[0027] 旋转电机组件1通过光电编码器测得半波片2的旋转位置，旋转变压器5-1测得望远镜的旋转位置，利用实时控制器4通过旋转变压器实时读取望远镜的位置；再根据算法计算出信号光偏转的角度以及半波片需要旋转的角度，生成控制信号发送给电机控制器3，电机控制器3收到控制信号后根据光电编码器测得的半波片位置，控制电机将半波片2旋转到适当位置，将信号光旋转到恰当的偏振状态，以便于量子通信系统5能通过基矢正确检测出量子光的偏振信息。
[0028] 基矢自动调节具体步骤如下：
[0029] 1.根据检测量子光偏振态以及望远镜镜筒空间角的变化最大速度设定实时控制器4的控制时间间隔t，每隔时间t实时控制器就会向旋转变压器5-1发送一条指令，读取旋转变压器5-1的数据；
[0030] 2.旋转臂电机通过调整望远镜来实时捕捉信号光，当偏振角为角为α的信号光进入望远镜后，如果望远镜的俯仰角a和水平旋转角b不为零，反射到后光路的信号光偏振方向与基矢的X轴夹角就会变为α+a+b，望远镜的俯仰角a和水平旋转角b可以通过旋转变压器5-1反馈给实时控制器4；
[0031] 3.实时控制器4通过旋转变压器5-1分别读取到望远镜的俯仰角a以及望远镜的水平方位角b，通过信号光偏振角旋转叠加原理计算出信号光偏振角为α+a+b，并根据半波片旋光特性计算出半波片需要旋转的角度 从而生成控制信号，并把控制信号发送给电机控制器3；
[0032] 4.电机控制器3接收到控制信号，启动旋转电机组件1中的旋转电机旋转半波片2，并不断的通过光电编码器测量半波片的角度，当半波片旋转到快轴方向与基矢X轴夹角为 时便停止旋转，等待实时控制器4的下一条指令；
[0033] 5.反射到后光路的信号光偏振角为α+a+b，信号光到达量子接收器之前会先透射过半波片2，由于半波片的旋光特性，信号光的偏振角会变为-α；
[0034] 6.量子接收器接收到信号光，以预设的基矢为标准检测出量子光的偏振角为-α，并将该角度取反便得到入射光的偏振角度α，以此便完成了量子通信系统的基矢自动调节，使偏振状态改变了的信号光能够最终被正确的检测出来。
[0035] 本发明的有益效果在于：量子通信系统中采用基矢自动调节控制系统可以有效的解决望远镜空间方位变化所造成光路中信号光的偏振变化，能够实时有效的将信号光的偏正方向旋转到恰当的角度，从而使量子接收端能够正确的检测出信号光偏振状态，保证了量子通信顺利的进行。
附图说明
[0036] 图1为基矢自动调节装置的结构图，图中：
[0037] 1.旋转电机组件2.半波片 3.电机控制器
[0038] 4.实时控制器 5.量子通信系统 5-1.旋转变压器。
[0039] 图2为望远镜空间角度说明图示：图中：
[0040] I表示望远镜跟踪卫星的空间示意图；
[0041] II表示望远镜空间角度坐标图。
[0042] 图3为望远镜旋转所造成的反射光路信号光旋转变化的图示，图中：
[0043] 6.望远镜 7.旋转臂 8.入射光线
[0044] 9.水平反射光线 10.垂直反射光线
[0045] A.入射光线基矢坐标 B.水平反射光偏振旋转角度
[0046] C.垂直反射光偏振旋转角度 D.反射光路偏振总旋转角度。
[0047] 图4为半波片放置位置示意图。
具体实施方式
[0049] 整个可用于量子通信基矢自动调节系统的实例系统如图1所示：旋转电机组件1采用THORLABS公司生产的旋转电机组件PRM1-Z7，其外观尺寸68mm，其半波片基座内径为27mm；该旋转电机组件包含精度为0.1度的光电编码器和反应速度为0.2秒的直流电机，直流电机采用
螺纹杆连接到旋转组件的半波片基座上，半波片固定到旋转电机组件的半波片基座上，通过直流电机带动旋转；电机控制器3采用与旋转电机组件配套的THORLABS公司生产的APT直流电机
伺服控制器TDC001，该电机控制器能够通过THORLABS公司提供的APT系列控制程序进行编程控制；该实例系统中采用850nm的激光作为信号光，所以半波片采用800至900nm波段的半波片，将其打磨成直径为26mm的圆形，固定到旋转电机组件PRM1-Z7上，并安装到量子通信系统5的后光路中；旋转变压器5-1采用定制的旋转变压器，测量精度能达到0.01度，所以该实例系统的基矢调节静止精度能达到0.1度；实时控制器4采用电脑来实现，通中控
电路获得旋转变压器数据，通过串行口连接电机控制器，在电脑上编写控制台程序来实时进行数据的获取，计算，以及电机指令的发送。
[0050] 该实例系统中的电机控制器TDC001，可以通过THORLABS公司提供的APT系列控制程序进行编程控制。主要用到两个APT
软件的ActiveX控件：MG17Motor和MG17Logger，其中MG17Motor控件为电机控制控件，MG17Logger为电机指令日志控件。通过调用MG17Motor控件中的函数可以实现对电机运行的控制以及读取旋转组件旋转的位置，而MG17Logger主要功能是显示对APT直流电机伺服控制器发送的指令。
[0051] 旋转电机组件PRM1-Z7自带有游标刻度盘，游标刻度盘精度为0.1度。其光电编码器采用触点归零的方法，断电后重新启动光电编码器读数为零。所以要使光电编码器读数为绝对位置的话，必须每次启动时使电机绝对归零。该基矢自动调节系统实例软件采用C++编程，编程时需要添加MG17Motor控件，首先要将控件属性中的
硬件序列号改为直流电机控制器TDC001的硬件序列号，启动程序时通过控件指令startctrl()来启动电机控制器。实例中采用双线程的编程方式，主线程主要负责实时读取旋转变压器数据，并且进行数据计算转换，然后向直流电机控制器发送指令。启动TDC后会触发一个子线程，该子线程主要负责不断向旋转电机组件读取半波片的绝对位置并显示出来。程序流程图如图5所示。
[0052] 以下结合图1来进一步阐述本发明能够进行基矢自动调节的具体实施步骤：
[0053] 1.检测量子光偏振态的精度要求为±0.5度，而该实例方案中望远镜镜筒空间角的变化速度最大为0.2度/秒，所以可以在电脑上将控制台的控制时间间隔设置为1s，由于实时控制时可以忽略旋转组件的0.2秒延时，基矢调节系统实时控制精度能达到0.3度。控制台程序每隔1s会向旋转变压器5-1发送一条指令，读取旋转变压器5-1的数据；
[0054] 2.本实验中我们采用波长为850nm的45度偏振光作为信号光，实验时某时刻俯仰轴旋转变压器测得望远镜的俯仰角为8.93度，水平轴旋转变压器测
[0055] 3.控制台程序通过旋转变压器5-1分别读取到望远镜的俯仰角8.93度以及望远镜的方位角12.46度，计算出半波片需要旋转的角度为10.695度，从而生成控制信号，并把控制信号发送给电机控制器3(APT直流电机伺服控制器TDC001)；
[0056] 4.电机控制器3接收到控制信号，启动旋转电机组件PRM1-Z7中的电机1旋转半波片2，并不断的通过光电编码器4测量半波片的角度，当半波片旋转到其快轴方向与基矢X轴夹角为10.695度时便停止转动，等待实时控制器4的下一条指令；
[0057] 5.当已经改变了偏振方向的信号光透射过半波片后，在量子接收器上，以预设的基矢为标准，能够检测到偏振角为135度的信号光。这说明了偏振角为45度的信号光经过反射光路的旋转变化后再经过半波片，其偏振角度变成了-45度，即135度，在量子接收端将测得的偏振光取反，便得到了45度偏振光。以此便完成了量子通信系统的基矢自动调节，使偏振状态改变了的信号光能够最终被正确的检测出来。
