一种信标光产生装置及量子密钥分发系统的制作方法

1.本实用新型属于量子通信和激光通信技术领域，尤其涉及一种信标光产生装置及量子密钥分发系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着激光通信技术特别是量子通信技术在国防、政务、金融等领域战略价值的提升，用于量子密钥分发(qkd)的小型化和便携式卫星地面站的发展显得十分重要。但是，发明人发现，现有信标光产生装置存在以下问题：(1)将信标光激光器固定在望远镜筒鸠尾板上，这样不利于装调，同时还会带来镜筒变形、镜筒无法调平等问题。(2)传统激光器的使用温度基本在0℃～40℃，其环境温度适应范围较窄。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本实用新型提供一种信标光产生装置及量子密钥分发系统，其将激光器放置在机箱内部，避免了激光器直接安装在镜筒鸠尾板带来的镜筒变形、无法调平、线缆多、难穿轴等负面影响。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.本实用新型的第一个方面提供一种信标光产生装置，其包括：激光器模块、温控模块、耦合模块、传输模块、发射模块和信标光机箱；所述激光器模块、温控模块和耦合模块均装配在所述信标光机箱内；
7.所述激光器模块用于输出信标光，所述温控模块用于对所述激光器模块控温，所述耦合模块用于将输出的信标光耦合进入所述传输模块，所述传输模块用于将耦合的信标光通过所述发射模块发射出去；所述传输模块由两根光纤组成，其中一根光纤安装在信标光机箱内，两端分别连接激光器模块和光纤转接法兰，所述光纤转接法兰还连接第二根光纤，第二根光纤另一端连接发射模块；所述发射模块由安装在望远镜鸠尾板上的发射准直器构成。
8.作为一种实施方式，所述发射准直器的焦距与不同用途地面站多种发散角的要求相匹配。
9.作为一种实施方式，所述光纤为多模光纤。
10.作为一种实施方式，所述耦合模块包括第一耦合转接件、第二耦合转接件和耦合准直器；第一耦合转接件安装在激光器出光口，耦合准直器安装在第二耦合转接件内，第一耦合转接件和第二耦合转接件之间固定连接。
11.作为一种实施方式，所述第一耦合转接件和第二耦合转接件通过螺钉固定连接。
12.作为一种实施方式，所述第一耦合转接件和第二耦合转接件之间还设置有垫片。
13.作为一种实施方式，所述第一耦合转接件通过螺纹安装在信标光激光器出光口，
并用螺钉紧固；所述耦合准直器通过螺纹安装在第二耦合转接件内，并用螺钉紧固。
14.作为一种实施方式，所述激光器模块包括信标光激光器和激光器控制盒，信标光激光器和激光器控制盒通过信号线连接，信标光激光器用于发射所需信标光，激光器控制盒用于控制信标光激光器出光。
15.作为一种实施方式，所述温控模块包括加热带、热敏探头、温度控制器、继电器和稳压电源，所述热敏探头用于探测信标光激光器的表面温度并传送至温度控制器；所述温度控制器的输出端与继电器的输入端相连，继电器的输出端与加热带相连；加热带通过将电能转化为热能，用于对信标光激光器加热；稳压电源用于将交流电转变为直流电，给温控模块供电。
16.本实用新型的第二个方面提供一种量子密钥分发系统，其包括如上述所述的信标光产生装置。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
18.(1)本实用新型提出的一种信标光产生装置，其将激光器模块、温控模块和耦合模块均装配在信标光机箱内，利用光纤和准直器输出信标光，降低了望远镜和信标光装调难度，减小了望远镜鸠尾板安装信标光激光器带来的变形量和镜筒无法配平等问题。
19.(2)本实用新型还设计了温控模块，其包括加热带、热敏探头、温度控制器、继电器和稳压电源，从而扩大了信标光的环境温度适应范围，避免了信标光激光器因主体遭受大幅度温差而导致使用寿命大幅度减少的问题。
20.本实用新型附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
21.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
22.图1是本实用新型实施例的信标光耦合示意图；
23.图2是本实用新型实施例的信标光机箱内部俯视示意图；
24.图3是本实用新型实施例的信标光机箱的机箱前面板示意图；
25.图4是本实用新型实施例的信标光机箱的机箱爆炸图。
26.其中，1、激光器控制盒；2、信标光激光器；3、第一耦合转接件；4、第二耦合转接件；5、耦合准直器；6、耦合光纤；7、加热带；8、热敏探头；9、温度控制器；10、稳压电源；11、继电器；12、信标光机箱；13、温控按钮；14、信标光开关按钮；15、光纤转接法兰；16、电源插座；17、螺钉；18、信标光激光器出光口；19、垫片；20、耦合模块。
具体实施方式
27.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
28.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
30.实施例一
31.本实施例提供了一种信标光产生装置，其包括：激光器模块、温控模块、耦合模块、传输模块、发射模块和信标光机箱；所述激光器模块、温控模块和耦合模块均装配在所述信标光机箱内；
32.所述激光器模块用于输出信标光，所述温控模块用于对所述激光器模块控温，所述耦合模块用于将输出的信标光耦合进入所述传输模块，所述传输模块用于将耦合的信标光通过所述发射模块发射出去；所述传输模块由两根光纤组成，其中一根光纤安装在信标光机箱内，两端分别连接激光器模块和光纤转接法兰，所述光纤转接法兰还连接第二根光纤，第二根光纤另一端连接发射模块；所述发射模块由安装在望远镜鸠尾板上的发射准直器构成。
33.此处需要说明的是，本领域技术人员可通过选择不同焦距的准直器，实现不同用途地面站多种发散角的要求。发射模块通过传输模块和信标光机箱相连接。
34.在具体实施过程中，光纤转接法兰安装在机箱前面板上。所述光纤为多模光纤。多模光纤传输耦合可增加耦合能力，避免了能量聚焦于较小点从而导致烧毁光纤，且多模光纤耦合效率高，易于耦合。多模光纤对激光器光斑模式要求低于单模光纤。
35.此处可以理解的是，由于光纤可以定制不同长度，根据需要，可以延长发射模块和信标光机箱之间的距离。
36.在具体实施过程中，所述耦合模块20包括第一耦合转接件3、第二耦合转接件4和耦合准直器5。第一耦合转接件3通过螺纹安装在信标光激光器出光口18，并用螺钉17紧固，防止外力造成第一耦合转接件3和信标光激光器2之间的相对转动。耦合准直器5通过螺纹安装在第二耦合转接件4内，并用螺钉17紧固，防止外力造成第二耦合转接件4和耦合准直器5之间的相对转动。第一耦合转接件3外围上下左右预留四个螺纹孔，第二耦合转接件4上下左右预留四个通孔，第二耦合转接件4四个通孔孔径略大于第一耦合转接件3螺纹孔。两个耦合转接件之间通过上述四个孔位用螺钉17连接紧固。
37.如图1所示，激光耦合时先将第一耦合转接件3固定在信标光激光器2上，将耦合准直器5固定在第二耦合转接件4上。多模光纤(例如105μm光纤)(如图1中的耦合光纤6)接入已装入第二耦合转接件4的耦合准直器5，光纤另一端接入功率计。通过四颗螺钉17连接两个耦合转接件。激光器发出信标光，先通过上下左右平移第二耦合转接件4的形式，调节耦合准直器5和信标光激光器2共轴，使功率计显示的功率最大，再通过在两个耦合转接件之间设置垫片19，调节耦合准直器5对准角度，使功率计显示功率最大。
38.信标光耦合的详细步骤如下：
39.步骤1、打开激光器控制盒上激光器开关按钮，旋转激光器电流按钮将信标光激光器2的出光功率调至20mw左右，记录激光器出光功率w0，关闭信标光激光器2；
40.步骤2、将第一耦合转接件3安装在信标光激光器2的出光口，并用螺钉17固定；
41.步骤3、将耦合准直器5安装在第二耦合转接件4上，并用螺钉17固定；
42.步骤4、用四颗螺钉17连接第一耦合转接件3和第二耦合转接件4；
43.步骤5、耦合准直器5连接多模光纤，光纤另一端接入光功率计；
44.步骤6、打开信标光激光器2；
45.步骤7、通过上下左右方向移动第二耦合转接件4的位置使光功率计显示的功率最大；
46.步骤8、通过在第一耦合转接件3和第二耦合转接件4之间垫合适厚度的垫片19，来调节耦合准直器5的角度，使其与信标光激光器出光口18的光轴方向一致，直至光功率计功率达到最大值；
47.步骤9、拧紧连接第一耦合转接件3和第二耦合转接件4的四颗螺钉17，观察功率是否有变化，如果功率变小，回到步骤7重新执行上述过程，直至光功率计功率最大，此时光功率为w1，光纤耦合效率w1/w0应大于80％；
48.步骤10、关闭信标光激光器2，将激光器电流按钮旋转至电流最大；
49.步骤11、取下光纤端光功率计，并戴上光纤帽，信标光耦合完成。
50.在具体实施过程中，所述激光器模块包括信标光激光器2和激光器控制盒1，信标光激光器2和激光器控制盒1通过信号线连接，信标光激光器2用于发射所需信标光，激光器控制盒1用于控制信标光激光器2出光。
51.在具体实施过程中，所述温控模块用于在低温环境下为信标光激光器2控温。温控模块包括加热带7、热敏探头8、温度控制器9和继电器11，所述热敏探头8用于探测信标光激光器2的表面温度并传送至温度控制器9；所述温度控制器9的输出端与继电器11的输入端相连，继电器11的输出端与加热带7相连；加热带7通过将电能转化为热能，用于对信标光激光器2加热。
52.具体地，热敏探头8用于探测信标光激光器2表面温度，其直接连接到温度控制器9信号输入端，温度控制器9通过测量热敏探头的电阻值变化来检测温度变化；温度控制器9输出端通过信号线和继电器11输入端相连，用于给继电器11输出通断信号；继电器11输出端通过电源线连接加热带7，用于实际控制加热带是否工作；加热带7通过将电能转化为热能，用于对信标光激光器2加热。
53.在其他实施例中，所述温控模块还包括稳压电源10，稳压电源10用于将交流电转变为直流电，给温控模块供电。
54.由于信标光激光器2的光学腔对温度非常敏感，所以需要对光学腔控温，常规的激光器使用温度基本在0℃～40℃之间，加入温控模块后，本实施例中的信标光激光器2的使用温度可扩展至-25℃～40℃。
55.本实施例通过一个信标光机箱12将激光器模块、温控模块、耦合模块以及部分传输模块装配在一个机箱内。机箱前面板包含一个信标光开关按钮14、一个温控按钮13和一个光纤转接法兰15。光纤转接法兰15用于避免在准直器上重复插拔光纤而造成的耦合效率降低。
56.本实施例采用信标光激光器和温控模块集成安装在一体化机箱中方案，避免信标光激光器因主体遭受大幅度温差而导致使用寿命大幅度减少的问题。
57.具体地，如图2-图4所示，本实施例的用于量子密钥分发的小型化卫星地面站的信标光装置包含激光器控制盒1、信标光激光器2、第一耦合转接件3、第二耦合转接件4、耦合
准直器5、耦合光纤6、加热带7、热敏探头8、温度控制器9、稳压电源10、继电器11、信标光机箱12、温控按钮13、信标光开关14、光纤转接法兰15和电源插座16。
58.本实施例的用于量子密钥分发的小型化卫星地面站的信标光装置的安装过程，如下：
59.步骤a：按照上述耦合模块20中信标光耦合方法完成信标光耦合；
60.步骤b：在完成耦合的信标光激光器2的顶部和左右两侧粘贴加热带7；
61.步骤c：按照图2～图4所示，将调节好的激光器控制盒1、完成耦合的信标光激光器2、温度控制器9、稳压电源10、继电器11、温控按钮13、信标光开关14、光纤转接法兰15和电源插座16用螺钉固定安装在信标光机箱12内。将温控按钮13、信标光开关14安装在机箱前面板上，其中温控按钮13和信标光开关14上下同轴安装；
62.步骤d：将热敏探头8粘贴在信标光激光器2顶部的加热带7边上，并将另一端连接到温度控制器9上；
63.步骤e：将电源插座16连接到温控按钮13，温控按钮13连接稳压电源10，稳压电源10连接到温度控制器9，温度控制器9连接继电器11，继电器11连接加热带7；
64.步骤f：将电源插座16连接到信标光开关14，信标光开关14连接激光器控制盒1，激光器控制盒1连接信标光激光器2；
65.步骤g：将耦合光纤6另一端连接光纤转接法兰15；
66.步骤h：电源插座16接通电源，按下温控按钮13，将温度控制器9的控制温度设置为20℃，关闭电源。
67.具体地，信标光激光器2的工作流程如下：
68.当环境温度为10-40℃时，接通电源，直接按下信标光开关14，此时温控模块不工作，信标光激光器2通电后直接满功率出光；当环境温度低于10℃时，需要在信标光激光器2开始工作前20分钟按下温控按钮13，对信标光激光器2控温,温度控制器9读取粘贴在信标光激光器2表面的热敏探头8电阻值，探测当前温度，当探测到的温度小于20℃时，温度控制器9输出接通信号，继电器11接通，加热带7开始加热，当探测到加热带7温度达到20℃时，温度控制器9输出关闭信号，继电器11断开，加热带停止加热。通常加热20分钟后，激光器内部温度可达到10℃以上(环境温度-25℃时)，此时按下信标光开光14，信标光出光。
69.本实施例提出一种信标光产生装置，降低了望远镜和信标光装调难度，减小了望远镜鸠尾板安装信标光激光器带来的变形量和镜筒无法配平等问题，解决了穿线难问题。
70.实施例二
71.本实施例提供了一种量子密钥分发系统，其包括如上述实施例一所述的信标光产生装置。
72.此处需要说明的是，本实施例中的量子密钥分发系统，除了信标光产生装置之外，其他结构均可采用现有结构来实现，此处不再详述。
73.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种信标光产生装置，其特征在于，包括：激光器模块、温控模块、耦合模块、传输模块、发射模块和信标光机箱；所述激光器模块、温控模块和耦合模块均装配在所述信标光机箱内；所述激光器模块用于输出信标光，所述温控模块用于对所述激光器模块控温，所述耦合模块用于将输出的信标光耦合进入所述传输模块，所述传输模块用于将耦合的信标光通过所述发射模块发射出去；所述传输模块由两根光纤组成，其中一根光纤安装在信标光机箱内，两端分别连接激光器模块和光纤转接法兰，所述光纤转接法兰还连接第二根光纤，第二根光纤另一端连接发射模块；所述发射模块由安装在望远镜鸠尾板上的发射准直器构成。2.如权利要求1所述的信标光产生装置，其特征在于，所述发射准直器的焦距与不同用途地面站多种发散角的要求相匹配。3.如权利要求1所述的信标光产生装置，其特征在于，所述光纤为多模光纤。4.如权利要求1所述的信标光产生装置，其特征在于，所述耦合模块包括第一耦合转接件、第二耦合转接件和耦合准直器；第一耦合转接件安装在激光器出光口，耦合准直器安装在第二耦合转接件内，第一耦合转接件和第二耦合转接件之间固定连接。5.如权利要求4所述的信标光产生装置，其特征在于，所述第一耦合转接件和第二耦合转接件通过螺钉固定连接。6.如权利要求4所述的信标光产生装置，其特征在于，所述第一耦合转接件和第二耦合转接件之间还设置有垫片。7.如权利要求4所述的信标光产生装置，其特征在于，所述第一耦合转接件通过螺纹安装在信标光激光器出光口，并用螺钉紧固；所述耦合准直器通过螺纹安装在第二耦合转接件内，并用螺钉紧固。8.如权利要求1所述的信标光产生装置，其特征在于，所述激光器模块包括信标光激光器和激光器控制盒，信标光激光器和激光器控制盒通过信号线连接，信标光激光器用于发射所需信标光，激光器控制盒用于控制信标光激光器出光。9.如权利要求8所述的信标光产生装置，其特征在于，所述温控模块包括加热带、热敏探头、温度控制器、继电器和稳压电源，所述热敏探头用于探测信标光激光器的表面温度并传送至温度控制器；所述温度控制器的输出端与继电器的输入端相连，继电器的输出端与加热带相连；加热带通过将电能转化为热能，用于对信标光激光器加热；稳压电源用于将交流电转变为直流电，给温控模块供电。10.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的信标光产生装置。

技术总结
本实用新型提供了一种信标光产生装置及量子密钥分发系统。其中，信标光产生装置包括激光器模块、温控模块、耦合模块、传输模块、发射模块和信标光机箱；所述激光器模块、温控模块和耦合模块均装配在所述信标光机箱内；所述激光器模块用于输出信标光，所述温控模块用于对所述激光器模块控温，所述耦合模块用于将输出的信标光耦合进入所述传输模块，所述传输模块用于将耦合的信标光通过所述发射模块发射出去；所述传输模块由两根光纤组成，其中一根光纤安装在信标光机箱内，两端分别连接激光器模块和光纤转接法兰，所述光纤转接法兰还连接第二根光纤，第二根光纤另一端连接发射模块；所述发射模块由安装在望远镜鸠尾板上的发射准直器构成。准直器构成。准直器构成。


技术研发人员：赵以刚 朱晓娟 王国强 刘畅 唐世彪
受保护的技术使用者：山东量子科学技术研究院有限公司
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/7/28