量子通信是量子信息学的重要分支,不同于经典通信方式,其在理论上具有安全性高、传输距离远等优点。量子通信根据信道不同可分为光纤量子通信和自由空间量子通信,受限于光纤损耗,光纤量子通信中信号只能单次传输上百公里左右,需要利用量子中继器增加传输距离。相对而言,自由空间量子通信中信号可单次传输上千公里,因此可以通过空间平台中转建立全球化量子通信网。其中,又以基于纠缠光子的自由空间量子通信极具发展前景,因此本论文利用纠缠光子作为信息传输载体,研究并选用合适的纠缠光子波长,设计适合于空间信道传输的自由空间量子通信系统并进行分析。论文的主要研究内容如下:1、首先根据大气透射窗口并考虑可实现性,在4000nm波长范围内挑选了多个适用于自由空间量子通信系统的信号波长。随后,分析了纠缠光子在空间信道中传输时受到的影响,主要包括背景光噪声、大气吸收、散射和湍流带来的影响。这些影响因素与信号光波长密切相关,通过分析并结合实验可行性,最终确定了本论文研究所用的多个信号光波长。2、利用自发参量下转换过程完成纠缠光子的制备,根据实际的实验设备和材料设计了不同波长纠缠光子的产生系统。首先,结合实际的实验设备和材料设计了可行的不同波长纠缠光子的产生方案。随后,推导并利用自发参量下转换过程的耦合波方程,分析了纠缠光子的产生过程。最后,根据纠缠光子的功率表达式,研究了方案中纠缠光子功率随泵浦光功率以及非线性晶体长度的变化关系。3、利用不同的非线性频率变换方式,设计了可探测本论文研究所用的不同波长纠缠光子的探测系统。通过量子理论研究了纠缠光子在频率变换过程中的量子特性,分析了纠缠光子的频率转换效率随泵浦光功率以及非线性晶体长度的变化关系。最后,结合前面的研究内容给出了完整的多波长空间量子通信系统设计方案。