一种量子光纤干涉仪制造技术

本发明专利技术公开了一种量子光纤干涉仪，包括量子压缩光光源、电光调制器、第一光纤分束器、第一光纤移相器、第二光纤移相器、第二光纤分束器和平衡探测器。本发明专利技术克服了现有干涉仪系统受限经典散粒噪声极限的缺陷，同时该系统能够采用高频压缩源进行低频相位测量。

Quantum optical fiber interferometer

The invention discloses a quantum optical fiber interferometer, including quantum squeezed light, electro-optical modulator, a first optical fiber splitter, the first optical fiber phase shifter, second phase shifter, second fiber optic fiber splitter and balance detector. The invention overcomes the defect that the existing interferometer system is limited by the classical shot noise limit, and the system can carry out the low frequency phase measurement by using the high frequency compression source.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密测量
，尤其涉及一种量子光纤干涉仪。
技术介绍
在精密测量领域，对于很多物理量的测量都归结为对相位的测量，因而干涉仪成为精密测量中最为常见的实验装置，在基础科学研究(如基本物理常数的测量)以及实际工程应用(如导航定位、资源勘探)中都发挥着至关重要的作用。目前，用于引力波探测的长基线激光干涉仪，其灵敏度达到～10-23εHz-1/2，是目前灵敏度最高的干涉仪。然而这种自由空间型干涉仪构造复杂且体积庞大，易受环境温度、声音和振动的影响，使得干涉测量不稳定、调整较困难，限制了它在工业等领域的广泛应用。相比之下光纤型干涉仪可减少干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，并可使干涉仪小型化；另外可通过加长光纤使干涉光路的响应灵敏度增加。同时光纤干涉仪还可利用光纤对某些物理量的敏感特性，从而作为传感元件来探测许多物理量如位移、应变、磁场、转动等。鉴于体积小，易搭建，灵敏度高，频带宽且抗电磁干扰等诸多优点，光纤型干涉仪广泛应用于航天航海等诸多领域。干涉仪的测量精度取决于系统的噪声和探测态的量子涨落，后者决定了测量精度的最终极限。由电磁场的真空起伏引入的真空噪声是一种典型的量子噪声，导致待测量的测量精度存在一个标准量子极限，这是通常采用经典光源所能达到的极限。而通过使用量子探测态，如压缩态或多光子纠缠态，可突破标准量子极限。目前已在自由空间型干涉仪中实现了超越标准量子极限的测量精度，但是在光纤干涉仪测量系统中量子技术的实际应用仍非常罕见，面临着诸多挑战。首先在光纤干涉仪中，待测信号频率通常在几Hz到几十kHz范围。在低频段，包括激光器的频率及功率噪声、探测器等的电子噪声等技术噪声比散粒噪声大许多，不论是低频压缩光源还是低频量子测量都十分困难。其次，在光纤干涉仪中光纤耦合、光纤型调制器、光纤对接等都会引入光子损耗，光纤介质的吸收和散射也会增加损耗。然而量子光场是非经典光场，其量子特性随着光子损耗增加而线性衰减，从而导致量子探测精度下降。因此光子损耗是量子技术应用于光纤干涉仪的难点。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，提供一种量子光纤干涉仪，以克服现有干涉仪系统受限经典散粒噪声极限的缺陷，同时该系统设计能够采用高频压缩源进行低频相位测量。技术方案：本专利技术所述的量子光纤干涉仪包括：量子压缩光光源，用于发出相干光和量子压缩光；电光调制器，连接量子压缩光光源，用于接收量子压缩光光源发出的相干光，并进行高频幅度调制；第一光纤分束器，连接量子压缩光光源和电光调制器，用于将量子压缩光和调制后的相干光分为两束，一束进入第一光纤移相器，另一束进入第二光纤移相器；第一光纤移相器，连接第一光纤分束器，用于扫描和锁定两臂的相位差；第二光纤移相器，连接第一光纤分束器，用于两臂的损耗匹配；第二光纤分束器，连接第一光纤移相器和第二光纤移相器，用于将第一光纤移相器和第二光纤移相器输出的光分为两束，并分别进入平衡探测器；平衡探测器，连接第二光纤分束器，用于检测第二光纤分束器输出的光束。进一步的，所述第一光纤分束器和第二光纤分束器之间为干涉仪的两臂，两臂长度均为10m。进一步的，所述量子压缩光光源具体为连续变量压缩光源。压缩光的压缩度越高，正交分量的量子噪声越低，干涉仪的测量精度就越高。进一步的，所述电光调制器为波导型电光幅度调制器，半波电压为3.5V，调制频率为2.5MHz，使得系统可以应用于低频信号测量。进一步的，所述第一光纤分束器和所述第二光纤分束器均为分光比为50/50的光纤分束器。进一步的，所述第一光纤移相器和第二光纤移相器具体为：工作波长为1080nm、半波电压为11V的移相器。进一步的，所述第一光纤移相器锁定两臂的相位差为π/2。当两臂相位差为π/2时，其相位测量的灵敏度最大，因此采用光纤移相器将干涉仪两臂相位差锁定在π/2。进一步的，所述平衡探测器包含增益匹配的第一光电二极管和第二光电二极管，具体为ETX500InGaAs，量子效率为90％，可以有效地消除环境扰动的影响。第一光电二极管和第二光电二极管分别连接第二光纤分束器，用于检测第二光纤分束器输出的两束光束。进一步的，所述平衡探测器设有DC-10kHz的直流输出端口和0.5MHz-10MHz的交流输出端口；所述干涉仪还包括伺服放大器、高压放大器和锁相放大器；其中，直流输出端口输出的信号经伺服放大器和高压放大器放大后，传输至第一光纤移相器用于相位差的锁定，交流输出端口的信号经锁相放大器解调后作为干涉仪的输出。进一步的，所述量子压缩光光源、电光调制器、第一光纤分束器、第一光纤移相器、第二光纤移相器、第二光纤分束器和平衡探测器都是单模保偏型器件，且相互之间连接采用的光纤也为单模保偏型光纤。从而均一性最高，最后测量得到干涉仪的损耗仅为20％，干涉对比度达到99％。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术将量子压缩光注入到干涉仪内，利用压缩光的正交相位压缩特性，使得干涉仪的信噪比突破经典散粒噪声极限，这是传统的马赫-曾德尔光纤干涉仪无法达到的。同时该量子干涉仪能够测量低频相位信号，能够应用于应变、温度等的量子传感。此外，本专利技术系统集成度高，体积小，可以很方便的接入其他系统中。附图说明图1是本专利技术提供的量子光纤干涉仪的系统框图；图2是量子压缩光光源的结构框图；图3压缩光的噪声功率谱；图4(a)干涉仪输出信号解调后的噪声谱，中心频率为30kHz；图4(b)干涉仪输出信号解调后的噪声谱，中心频率为80kHz；图4(c)干涉仪输出信号解调后的噪声谱，中心频率为150kHz。具体实施方式如图1所示，本实施例的量子光纤干涉仪包括量子压缩光光源1、电光调制器2、第一光纤分束器3、第一光纤移相器4、第二光纤移相器5、第二光纤分束器6和平衡探测器7。其中，量子压缩光光源1具体为连续变量压缩光源，用于发出相干光和量子压缩光。电光调制器2连接量子压缩光光源1，用于接收量子压缩光光源发出的相干光，并进行高频幅度调制，电光调制器2具体为波导型电光幅度调制器，半波电压为3.5V，调制频率为2.5MHz。第一光纤分束器3连接量子压缩光光源1和电光调制器2，用于将量子压缩光和调制后的相干光分为两束，一束进入第一光纤移相器4，另一束进入第二光纤移相器5。第一光纤分束器3和第二光纤分束器4之间为干涉仪的两臂，两臂长度均为10m。第一光纤移相器4连接第一光纤分束器3，用于扫描和锁定两臂的相位差，具体锁定两臂的相位差为π/2。第二光纤移相器5连接第一光纤分束器3，用于两臂的损耗匹配。第一光纤移相器4和第二光纤移相器5工作波长为1080nm、半波电压为11V。第二光纤分束器6连接第一光纤移相器4和第二光纤移相器5，用于将第一光纤移相器4和第二光纤移相器5输出的光分为两束，并分别进入平衡探测器7。第一光纤分束器3和第二光纤分束器6分光比均为50/50。平衡探测器7连接第二光纤分束器6，用于检测第二光纤分束器6输出的光束。平衡探测器包含增益匹配的第一光电二极管和第二光电二极管，具体为ETX500InGaAs。第一光电二极管和第二光电二极管分别连接第二光纤分束器6，用于检测第二光纤分束器6输出的两束光束。平衡探测器7设有DC-10kHz的直流输出端口和0.5MHz-10MH本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子光纤干涉仪，其特征在于该干涉仪包括：量子压缩光光源，用于发出相干光和量子压缩光；电光调制器，连接量子压缩光光源，用于接收量子压缩光光源发出的相干光，并进行高频幅度调制；第一光纤分束器，连接量子压缩光光源和电光调制器，用于将量子压缩光和调制后的相干光分为两束，一束进入第一光纤移相器，另一束进入第二光纤移相器；第一光纤移相器，连接第一光纤分束器，用于扫描和锁定两臂的相位差；第二光纤移相器，连接第一光纤分束器，用于两臂的损耗匹配；第二光纤分束器，连接第一光纤移相器和第二光纤移相器，用于将第一光纤移相器和第二光纤移相器输出的光分为两束，并分别进入平衡探测器；平衡探测器，连接第二光纤分束器，用于检测第二光纤分束器输出的光束。

【技术特征摘要】
1.一种量子光纤干涉仪，其特征在于该干涉仪包括：量子压缩光光源，用于发出相干光和量子压缩光；电光调制器，连接量子压缩光光源，用于接收量子压缩光光源发出的相干光，并进行高频幅度调制；第一光纤分束器，连接量子压缩光光源和电光调制器，用于将量子压缩光和调制后的相干光分为两束，一束进入第一光纤移相器，另一束进入第二光纤移相器；第一光纤移相器，连接第一光纤分束器，用于扫描和锁定两臂的相位差；第二光纤移相器，连接第一光纤分束器，用于两臂的损耗匹配；第二光纤分束器，连接第一光纤移相器和第二光纤移相器，用于将第一光纤移相器和第二光纤移相器输出的光分为两束，并分别进入平衡探测器；平衡探测器，连接第二光纤分束器，用于检测第二光纤分束器输出的光束。2.根据权利要求1所述的量子光纤干涉仪，其特征在于：所述第一光纤分束器和第二光纤分束器之间为干涉仪的两臂，两臂长度均为10m。3.根据权利要求1所述的量子光纤干涉仪，其特征在于：所述量子压缩光光源具体为连续变量压缩光源。4.根据权利要求1所述的量子光纤干涉仪，其特征在于：所述电光调制器为波导型电光幅度调制器，半波...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘芳，张勇，肖士雄，郭佳乐，魏丹，肖敏，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32