一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺及其工作方法技术

本发明专利技术涉及一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，其包括预报单光子源、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤、光纤敏感环路、分束装置、第三单模保偏光纤、第四单模保偏光纤、第一单光子计数器、第二单光子计数器、第一信号线、第二信号线及时间

【技术实现步骤摘要】
一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺及其工作方法


[0001]本专利技术属于导航定位技术的光纤陀螺仪
，特别是一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺及其工作方法。

技术介绍

[0002]陀螺仪作为惯性导航系统和核心原件，其精度直接决定着惯性导航系统的性能。随着深远海条件下的高精度、高可靠导航信息需求进一步提高，对惯性导航系统的性能提出了比卫星拒止条件下独立精确导航、智能化导航等更高的要求。光纤陀螺相比传统机械陀螺，不仅具有全固态、低噪声、低功耗、免维护、可靠性高寿命长等诸多优点，而且信息实时性高、精度潜力大、体积结构灵活。光纤陀螺的诸多优点使其在多个领域有广泛应用前景，如战略导弹系统、潜艇导航、卫星定位、汽车定向、智能机器人等多个领域得到广泛应用，因此表现出极佳的优势，并不断向超高精度方向发展。
[0003]基于Sagnac效应对角速度测量构成了现代激光陀螺和光纤陀螺的基础，根据结构不同主要分为干涉型和谐振型。Sagnac效应是指在同一光源发出的沿顺时针和逆时针传输的两束光发生干涉，当闭合光路以角速度Ω旋转时，顺时针和逆时针传播光束在回到出发点时会产生与转速成比例的相位差，该相位差被称为“Sagnac相移”。
[0004]目前，随着深远海条件和卫星拒止条件下对导航精度的需求进一步提升，制造更高精度和更高灵敏度的光纤陀螺为目标所在。提高光纤陀螺灵敏度的传统方案主要靠增加光纤敏感环路尺寸和光纤长度来提高灵敏度，将带来诸多新缺点，如增加系统复杂程度、引入更大的Shupe误差。灵敏度提升遇到瓶颈，急需新的解决方案。近年来，随着量子技术高速发展，国防工业也进入“量子时代”，基于量子技术的陀螺被认为是一种可行的解决方案。
[0005]但是，已有的激光陀螺和光纤陀螺方案本质上都是利用光一阶干涉，而光量子高阶干涉自从提出以来，大量使用在量子精密测量领域，其对时间分辨率的测量可以精确到ps量级。
[0006]为此，亟需研发一种在Sagnac干涉仪中实现基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，用来做转速测量。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对目前仅利用Sagnac干涉仪的一阶干涉效应进行角速度传感精度的不足，提供一种全新的基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，适用于利用光纤中高速传输的光子感知角速度和角加速度，通过符合测量得到角速度和角加速度信息。
[0008]本专利技术的目的还在于提供一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺的工作方法。
[0009]本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0010]一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，其包括预报单光子源、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤、光纤敏感环路、分束装置、第三单模保偏光纤、第四单模保偏光纤、第一单光子计数器、第二单光子计数器、第一信号线、第二信号线及时间
‑
幅度转换器；
预报单光子源产生的双光子分别经第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤输入至分束装置并分别进入光纤敏感环路的两入射端口，光纤敏感环路由单模保偏光纤绕制而成，双光子经过光纤敏感环路后从两共轭端口输出再经分束装置接收，偏振态被调整成同向，双光子相遇并发生二阶干涉后输出至第三单模保偏光纤、第四单模保偏光纤，第三单模保偏光纤、第四单模保偏光纤另一端分别与所述第一单光子计数器、第二单光子计数器连接，第一单光子计数器、第二单光子计数器分别对双光子中的一个光子进行收集，通过光电效应、信号放大、信号处理等转换成标准电信号；通过第一信号线、第二信号线将所述第一单光子计数器、第二单光子计数器发出的电信号传输到所述时间
‑
幅度转换器，通过时间
‑
幅度转换器将第一单光子计数器、第二单光子计数器收集到的电信号进行时间关联符合测量。
[0011]而且，所述分束装置为四块正方形偏振分束器粘合在一起制成的偏振分束器矩阵；所述双光子经第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤从一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：A面、B面入射，经分束装置后，从分束装置另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：C面、D面出射至光纤敏感环路；则双光子中的水平偏振或竖直偏振的一光子沿顺时针方向传输，竖直偏振或水平偏振的一个光子沿逆时针方向传输，经光纤敏感环路后从共轭端口输出，经所述D面、C面再次回到分束装置中，在E面发生量子二阶干涉；经分束装置作用后的双光子从第四单模保偏光纤、第三单模保偏光纤端口输出至第二单光子计数器、第一单光子计数器。
[0012]一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺的工作方法，其包括如下步骤：
[0013]1)预报单光子源产生具有量子关联特性的参量光双光子，该参量光双光子为偏振相互正交或者相互平行的且具有量子关联特性的参量光，产生双光子态表示为1,1>；
[0014]2)所述具有量子关联特性的参量光双光子，经第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤从分束装置的一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：A面、B面入射，经分束装置后，从分束装置另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：C面、D面出射至光纤敏感环路的两个入射端口输入，利用光纤敏感环路保偏光纤的两光轴传输偏振态相互正交的双光子，则一水平偏振或竖直偏振光子沿顺时针方向传输，另一竖直偏振或水平偏振光子沿逆时针方向传输，经过
④
光纤敏感环路后从共轭端口输出；
[0015]3)具有量子关联特性的参量光双光子经过光纤敏感环路后，再由分束装置接收，偏振态被调整成同向，然后在分束装置内的内介面：介面E相遇，经介面作用后一共存在四种可能的输出情况，分别对应四种量子态，分别为：
[0016]①
两个光子均透射，一个从a口出射，一个从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|1
a
,1
b
>；
[0017]②
两个光子均反射，一个从a口出射，一个从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|1
a
,1
b
>；
[0018]③
一个光子反射、一个光子透射，共同从a口出射，该态用狄拉克符号表示为|2
a
,0
b
>；
[0019]④
一个光子透射、一个光子反射，共同从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|0
a
,2
b
>；
[0020]当光纤敏感环路不发生旋转时，两光子完全同时到达分束装置内界面介面E，经过分束器后的量子态表示为
[0021][0022]其中下脚标代表从分束器a、b出口出射，考虑到理想状态下分束装置内界面介面E反射率和折射率相同R＝T＝1/2，
[0023]代入后可以得出输出态为|ψ
out
>
∝
|2
a
,0
b
>+|0
a
,2
b
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，其特征在于：包括预报单光子源(1)、第一单模保偏光纤(2)、第二单模保偏光纤(3)、光纤敏感环路(4)、分束装置(5)、第三单模保偏光纤(6)、第四单模保偏光纤(7)、第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)、第一信号线(10)、第二信号线(11)及时间
‑
幅度转换器(12)；预报单光子源(1)产生的双光子分别经第一单模保偏光纤(2)、第二单模保偏光纤(3)输入至分束装置(5)并分别进入光纤敏感环路(4)的两入射端口，光纤敏感环路(4)由单模保偏光纤绕制而成，双光子经过光纤敏感环路(4)后从两共轭端口输出再经分束装置(5)接收，偏振态被调整成同向，双光子相遇并发生二阶干涉后输出至第三单模保偏光纤(6)、第四单模保偏光纤(7)，第三单模保偏光纤(6)、第四单模保偏光纤(7)另一端分别与所述第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)连接，第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)分别对双光子中的一个光子进行收集，通过光电效应、信号放大、信号处理等转换成标准电信号；通过第一信号线(10)、第二信号线(11)将所述第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)发出的电信号传输到所述时间
‑
幅度转换器(12)，通过时间
‑
幅度转换器(12)将第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)收集到的电信号进行时间关联符合测量。2.根据权利要求1所述基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，其特征在于：所述分束装置(5)为四块正方形偏振分束器粘合在一起制成的偏振分束器矩阵；所述双光子经第一单模保偏光纤(2)、第二单模保偏光纤(3)从一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：A面、B面入射，经分束装置(5)后，从分束装置(5)另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：C面、D面出射至光纤敏感环路(4)；则双光子中的水平偏振或竖直偏振的一光子沿顺时针方向传输，竖直偏振或水平偏振的一个光子沿逆时针方向传输，经光纤敏感环路(4)后从共轭端口输出，经所述D面、C面再次回到分束装置(5)中，在E面发生量子二阶干涉；经分束装置(5)作用后的双光子从第四单模保偏光纤(7)、第三单模保偏光纤(6)端口输出至第二单光子计数器(9)、第一单光子计数器(8)。3.一种权利要求1、2所述基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：1)预报单光子源(1)产生具有量子关联特性的参量光双光子，该参量光双光子为偏振相互正交或者相互平行的且具有量子关联特性的参量光，产生双光子态表示为|1,1>；2)所述具有量子关联特性的参量光双光子，经第一单模保偏光纤(2)、第二单模保偏光纤(3)从分束装置(5)的一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：A面、B面入射，经分束装置(5)后，从分束装置(5)另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：C面、D面出射至光纤敏感环路(4)的两个入射端口输入，利用光纤敏感环路(4)保偏光纤的两光轴传输偏振态相互正交的双光子，则一水平偏振或竖直偏振光子沿顺时针方向传输，另一竖直偏振或水平偏振光子沿逆时针方向传输，经过光纤敏感环路(4)后从共轭端口输出；3)具有量子关联特性的参量光双光子经过光纤敏感环路(4)后，再由分束装置(5)接收，偏振态被调整成同向，然后在分束装置(5)内的内介面：介面E相遇，经介面作用后一共...

【专利技术属性】
技术研发人员：王周祥，于杰，刘伯晗，马林，颜苗，罗巍，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：