自由空間相干光通信的三晶片型偏振態編碼器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種自由空間相干光通信的三晶片型偏振態編碼器。
【背景技術】
[0002] 在經典光通信領域和量子保密通信領域，對光信號編碼的方式有：幅度一相位、 PSK、以及偏振態編碼等方式。偏振態編碼，由于其能夠實現單光束的相干光通信模式，克服 了傳統雙光路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用價 值。
[0003] 傳統的偏振態編碼，一般采用偏振控制器實現，常見的偏振控制器主要有:可旋晶 體波片型偏振控制器、磁光調制器、擠壓光纖偏振控制器以及液晶型偏振控制器等幾種。可 旋晶體波片型偏振控制器利用機械旋轉波片達到偏振控制的目的，它的響應速度慢，精確 度不高;磁光調制器利用Faraday旋光效應，電磁鐵驅動，存在響應速度慢，體積大，且變化 的磁場對于穿過晶體的偏振光會發生散射損耗，容易導致光信號功率波動。擠壓型偏振控 制器采用全光纖結構，具有調制速度快，插入損耗和偏振相關損耗較低等優點，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速度，但插入損 耗大，穩定性較差，偏振度不高，工作溫度要求嚴格，不適合用于偏振編碼。
[0004] 利用電光晶體的電光效應控制偏振態變換，具有偏振變換速度快、穩定性好，體積 小，便于光路集成等優勢，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制器不能實現偏振態的遍歷，無法滿 足自由空間單光束相干光的偏振態編碼需要，而且價格昂貴，調制速率和精度也不夠。
【發明內容】
[0005] 為解決上述問題，本發明提供了一種自由空間相干光通信的三晶片型偏振態編碼 器，具有Poincare球上偏振態的遍歷功能，能夠把單束線偏振光分解成本振和信號兩個正 交分量，并對信號分量加以幅度調制，適用于單光束的經典相干光通信以及連續變量量子 通信的偏振態編碼。
[0006] 為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種自由空間相干光通信的三晶片型偏 振態編碼器，利用LiNb03晶體的Poeke 1 s效應，以X-Z-X LiNb03晶片組構成一體化的電光型 Stokes參量編碼器，將單束線偏振光分解成本振和信號兩個正交分量，并對信號分量加以 幅度調制，結合偏振編碼算法，控制施加在LiNb0 3晶片兩側的偏壓獲得相位延遲量，實現自 由空間相干光通信的偏振態編碼。
[0007] 在本發明一實施例中，所述Pocke 1 s效應，即晶體折射率的變化與外加電場的大小 成線性關系，該Pockels效應適用于自由空間相干光經典通信和連續變量量子通信。
[0008] 在本發明一實施例中，所述Pockels效應，具體有:X和Z型LiNb03晶體的相位延遲 量和外加電壓的關系為：
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LiNb03晶體的 電光系數，1和d分別是晶體通光長度和通光面寬度，V為外加電壓，A為入射光波長。
[0009]在本發明一實施例中，所述X-Z-X LiNb03晶片組為串聯的三晶片陣列，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]在本發明一實施例中，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，施加電場方向2 · 5mm寬，兩側面拋光鍍金供電極引線。
[0011] 在本發明一實施例中，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聚準 直透鏡系統。
[0012] 在本發明一實施例中，所述聚四氟乙烯基座包括凸型前端固定支座和準直透鏡系 統支座，所述凸型前端固定支座的上端開設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還各開設有三個橫向的半圓型導槽，用于粘貼電極;所述準直透 鏡系統支座用于固定所述會聚準直透鏡系統，且該會聚準直透鏡系統的凸透鏡組相對于所 述縱向凹形通槽放置。
[0013] 在本發明一實施例中，所述金屬屏蔽盒包括屏蔽盒身和屏蔽盒蓋，材質選用銅或 錯制材質，屏蔽盒身兩側各開3個直徑9mm的圓形口，供SMA母頭引出，所述SMA母頭經電極與 晶片連接;所述屏蔽盒蓋前后兩端各開設有直徑6mm的圓形口，供光線入射和出射。
[0014] 在本發明一實施例中，所述偏振編碼算法是結合禁忌搜索的原理、Mueller矩陣根 分解法以及三角函數一級近似，把局部和全局搜索結合在一起，對優化的局部解進行標記， 在下一級的搜索中避開該些標記，使探索不斷地靠近目標，并在搜索算法中加入超過120V 的復位處理功能。
[0015] 在本發明一實施例中，對于經典相干光通信，其調制頻率可達119kHz，對于量子通 信，其調制頻率可達40kHz，偏振態編碼精度以Poincare球方位角表示為±121*。，分辨率 為β，、AS3 < 0_0025，能夠從Poincare球上一個點到任意一個點的偏振態轉 換，具有偏振態的遍歷性。
[0016] 相較于現有技術，本發明具有以下有益效果:本發明的偏振態編碼器為一體化的 集成系統，能夠遍歷整個Poincare球的偏振態;構建優化的偏振態搜索算法和控制電路，可 以高速、精確地實現偏振態編碼，小于120V驅動電壓，可用小型的半導體電路驅動;本發明 的偏振態編碼器，調制頻率可達119kHz，比目前流行的自由空間偏振態控制器快18倍;偏振 態編碼精度以Poincare球方位角表示為i 分辨率為:0:綱°:::，透每務# ，優于目前流行的自由空間偏振態控制器性能；本發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變量量子通信編碼。
【附圖說明】
[0017] 圖1-1至圖1-3是本發明的三維結構圖。
[0018] 圖2-1至圖2-3分別是本發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是本發明的Stokes參量遍歷性示意圖。
[0021 ]圖5是本發明所述的偏振控制算法流程圖。
[0022]圖6是本發明隨機編碼時三塊晶片所需偏壓的分布圖。
[0023]圖7是本發明對Stokes參量S2進行16位高斯隨機編碼的調制信號圖。
[0024]圖8是測量Stokes參量S2時的采集波形圖。
[0025]圖9是Stokes參量S2的理論值與實際值的比較圖。
[0026]圖10是Stoke s參量S3的理論值與實際值的比較圖。
[0027]圖中：l_LiNb03晶片；2-凸型前端固定支座；3-會聚的準直透鏡組;4-準直系統旋 鈕;5-準直系統支座;6-縱向凹形通槽;7-屏蔽盒身;8-電極引出口； 9-細縫；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。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。
[0029]本發明的一種自由空間相干光通信的三晶片型偏振態編碼器，利用LiNb03晶體的 Pockels效應，以X-Z-X LiNb03晶片組構成一體化的電光型Stokes參量編碼器，將單束線偏 振光分解成本振和信號兩個正交分量，并對信號分量加以幅度調制，結合偏振編碼算法，控 制施加在LiNb0 3晶片兩側的偏壓獲得相位延遲量，實現自由空間相干光通信的偏振態編 碼。
[0030] 所述Pockels效應適用于自由空間相干光經典通信和連續變量量子通信，即晶體 折射率的變化與外加電場的大小成線性關系，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LiNb〇3晶體的 電光系數，1和d分別是晶體通光長度和通光面寬度，V為外加電壓，為入射光波長。
[0031] 以下通過具體實施例講述本發明的技術方案。
[0032] 參照圖1-1至圖1-3,建立笛卡爾坐標系，本發明提供一種自由空間相干光通信的 三晶片型偏振態編碼器，包括沿X軸方向依次直排的X-Z-X型三塊LiNb0 3晶片1、一個聚四氟 乙烯基座(包括凸型前端固定支座2和準直透鏡系統支座5)、一個金屬屏蔽盒(包括屏蔽盒 身7和屏蔽盒蓋13)、一個會聚的準直透鏡系統（包括會聚的準直透鏡組3和準直系統旋鈕 4)、六條導線和以及相應接頭。所述的LiNb0 3晶片1，利用LiNb03晶體的Pockels效應，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°。對于808nm波長的光束，晶片滿足 編碼所需的尺寸為4 X 2.5 X 20mm3，通光長度20mm沿X方向，電場長度2.5mm沿y方向，高度 4_沿z方向，且晶片兩側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，因為聚四氟乙烯在塑料中硬度最高，電絕緣性好， 基座分為前后兩部分，后半部分為準直透鏡系統支座5,夾持直徑Φ為11.4_的會聚的準直 透鏡組3,還有準直系統旋鈕4可以調整透鏡間距把會聚的準直光束垂直入射到通信系統的 接收端。前半部分為凸型前端固定支座2,其為"凸"型結構，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"型結構兩邊預留六個半圓形缺口 11，半徑為4mm，方便引出電