CN100593685C - 基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪，它包括相连接的光源组件、模式交换组件、传感组件、相关测量组件，模式交换组件具有多个多模波导方向耦合器，传感组件具有多个多模波导相位调制器，相关测量组件具有多个相连接的Y型分支器、光探测器、差分器，多个差分器与相关器相连接。本发明利用经典场实现多粒子量子纠缠态经典模拟的方法，这种经典模拟产生了类似于量子纠缠的非局域性质，本发明能够达到相位测量精度与N-1成正比，与量子纠缠方案一样达到测量精度的海森堡极限。更为重要的是，本发明所公开的方案，在引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及干涉测量仪，尤其涉及一种基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪。
背景技术
精密测量是一项在科学研究和工业生产中具有极其重要意义的技术，其中基于光学干涉原理实现的精密测量尤其得到广泛应用。这种干涉测量的基本原理非常简单，利用分束器将一束相干光分为两束，其中一束作为参考光，另一束经过相位调制器产生一个相位差，这个相位调制器与待测的物理量有关，然后两束光重新汇聚，由于相位差的产生，汇聚到一起的两束光发生干涉，输出的光强随着相位差变换而变化，这样通过光强的测量就能够获得相位差的值，进而获得待测物理量的值。由于光波的相位非常敏感，因此这样测得的物理量可以实现非常高的精度。因此，目前许多的精密测量是利用光学干涉方法来实现的，例如引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等。虽然不同的测量系统采用不同的干涉仪，如马赫-增德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、Sagnac干涉仪等，但这些干涉仪的基本原理都是基本相同的。
由于受到量子力学测不准原理的限制，这种基于光学干涉的测量都存着一个标准的量子力学精度极限，也就是相位测量的误差Δθ必定大于等于N-1/2，其中N为场的平均光强有关。这主要是由于测量采用的激光光源属于相干态，对相干态光强测量的起伏等于其平均光强的1/2次方，即N-1/2，而根据测不准原理，相位和光强(与光子数有关)是测量精度上相互制约的物理量，因此相位测量精度受制于光强的大小。但是这种标准的量子力学精度极限并不是最基本的限制，可以通过一些方法超越这种极限，例如利用压缩态和量子纠缠就能够使相位测量的精度突破这一极限。将压缩态作为测量光源，可以实现相位测量精度与N-3/4成正比。提高测量精度最理想的方法是基于量子纠缠态的非局域测量方法，利用量子纠缠所具有的非局域性质，能够实现相位测量精度与N-1成正比，这达到了量子力学对测量精度的最基本限制，即所谓海森堡极限。但是这种方法的实现依赖于多粒子量子纠缠态的产生，而多粒子量子纠缠态的产生极其困难，因此这种提高测量精度的方法难以实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪。
基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪包括相连接的光源组件、模式交换组件、传感组件、相关测量组件，模式交换组件具有多个多模波导方向耦合器，传感组件具有多个多模波导相位调制器，相关测量组件具有多个相连接的Y型分支器、光探测器、差分器，多个差分器与相关器相连接。
所述的光源组件由多个相互独立的，互相连接的相干光源、模式叠加态生成器构成。光源组件具有相连接的相干光源、分束器，分束器分别接有多个相连接相位调制器、模式叠加态生成器。模式叠加态生成器具有双模波导马赫-增德尔干涉仪，双模波导马赫-增德尔干涉仪中的一臂具有π/2相位调制器。模式叠加态生成器是一个双模波导Y型合路器。
本发明利用经典场实现多粒子量子纠缠态经典模拟的方法，这种经典模拟产生了类似于量子纠缠的非局域性质，本发明能够达到相位测量精度与N-1成正比，与量子纠缠方案一样达到测量精度的海森堡极限。更为重要的是，本发明所公开的方案，只需要一般的相干光源(如激光)以及线性光学元件，因此在实现上比量子纠缠方案要容易得到多，在引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1是基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪结构示意图；
图2是本发明的多模干涉测量仪的实施单元结构示意图；
图3(a)是图2实施单元的相位θ为0时计算机模拟结果示意图；
图3(b)是图2实施单元的相位θ为π/2时计算机模拟结果示意图；
图3(c)是图2实施单元的相位θ为π时计算机模拟结果示意图；
图4是本发明的方向耦合器实现模式分离的计算机模拟结果示意图；
图5是本发明的一种光源组件的结构示意图；
图6是本发明的另一种光源组件的结构示意图；
图7是本发明的一种模式叠加态生成器的结构示意图；
图8是本发明的另一种模式叠加态生成器的结构示意图；
图9(a)是图7的计算机模拟结果示意图
图9(b)是图8的计算机模拟结果示意图
图中：光源组件1、模式交换组件2、传感组件3、相关测量组件4，多模波导方向耦合器5，多模波导相位调制器6，Y型分支器7、光探测器8、差分器9，相关器10、模式叠加态生成器11、相干光源12、分束器13、相位调制器14、双模波导马赫-增德尔干涉仪15、π/2相位调制器16、双模波导Y型合路器17。
具体实施方式
如图1所示，基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪包括相连接的光源组件1、模式交换组件2、传感组件3、相关测量组件4，模式交换组件2具有多个多模波导方向耦合器5，传感组件3具有多个多模波导相位调制器6，相关测量组件4具有多个相连接的Y型分支器7、光探测器8、差分器9，多个差分器9与相关器10相连接。
由光源组件产生的多个处于模式叠加态的独立光场(束)经过模式交换组件1的作用后，实现了多个光场间的模式交换，这些场经过传感组件3中相位调制器8的作用，携带了待测相位的信息，然后将这些场输出到相关测量组件4中，每个场经过Y型分支器7作用输出两个光强信号，经光探测器8转换为电信号后利用差分器9相减后输入到相关器10中，对所有场的信号进行相关分析，从相关结果中能够得到待测相位的信息。
如图2所示，为了演示这种干涉仪的工作原理，图中给出了基于双模波导两个横电模TE0和TE1的干涉仪的一种实施例。这种干涉仪由双模波导构成，包括一个相位调制器和一个Y型分支器。相位调制器实质上相当于一个传感装置，待测物理量通过它改变光场的相位。由于TE0模是对称的和TE1是反对称的，当两个模式相干叠加态，经过Y型分支器后被投影到两个波导输出后，两个输出光强会随着模式之间的相对相位θ而改变，最后得到光强差与这种相位的关系为I(θ)＝cosθ。
如图3所示，为了显示这种干涉仪的工作原理，我们利用差分束传播方法对图2中的干涉仪进行了计算机模拟，结果如图中所示，可以看出随着相位调制器的改变，Y型分支器的两个输出波导的光强随之变化，从图(a)到(c)模式之间相对相位θ依次为0，π/2，π。利用这种关系我们可以实现相位的测量，但这种相位测量的精度受限于光强测量的误差。由于测量采用的是一般的相干光源，光强测量存在噪声，例如霰弹噪声(shot noise)等，根据量子力学可以得到这种噪声大小的极限正比于N-1/2(N为平均光强)。利用误差传播理论以及光强与相位之间的关系可以得到相位测量的极限误差为N-1/2。这是基于光学干涉方法实现的相位测量的量子力学标准精度极限。
如图4所示，我们利用差分束传播方法对模式交换组件2中的多模波导方向耦合器5对波导模式的变换进行了计算机模拟。为了实现相位测量超越量子力学标准精度极限，我们提出了一种利用多模波导中经典场(量子光学认为激光器发出的相干光是最接近经典场的相干态)的波导模式来实现量子纠缠的经典模拟的新方法。在这种方法中，两个处于模式叠加态的独立经典场经过一个特殊设计的方向耦合器5实现模式交换，这种方向耦合器5具有特定的耦合区长度和间距，当只有一个模式叠加态输入时，能够实现两个模式的分离。我们利用差分束传播方法对这种方向耦合器的实施例进行了计算机模拟，如图4中所示。当两个模式叠加态分别从两个端口输入后，输出两个场的TE1模发生了交换。
虽然输出两个场还是模式叠加态，但由于两个输入场是独立的具有随机变化的相对相位λ，因此模式交换以后两个输出场变成了模式混合叠加态，也就是模式之间的相对相位(一个场为λ，另一个场为-λ)不再是确定的。如果将这两个场输入到前面介绍的干涉仪中，我们可以测得两个场的输出光强差分别为cos(θ1+λ)，cos(θ2-λ)。显然由于λ是随机变化的，这两个光强差也是随机变化的。但是如果将这两个光强差进行相关，我们就可以得到相关函数为cos(θ1+θ2)。如果将这两个场的相关函数带入到Bell不等式中与量子纠缠态一样能够得到最到破坏，因此我们认为这种模式交换以后的两个经典场实现了量子纠缠的经典模拟，能够与量子纠缠一样展现出非局域性质。显然当θ1＝θ2＝θ时，相关函数对相位θ的分辨率比普通干涉仪的提高一倍。于是，我们利用这种思路提出了本发明所公开的干涉仪，图1所示是这种干涉仪的一种实施例。在这一实施例中，N个处于模式叠加态的独立相干场(这些场分别具有随机相位
(i＝1...N))经过N-1个方向耦合器的模式交换，模式交换的过程如下：先用方向耦合器实现两个场的模式交换，然后将输出两个场中的一个与第三个场进行模式交换，然后又将输出两个场中的一个与第四个场进行模式交换，这样依次使用N-1个方向耦合器实现N个场之间的模式交换。模式交换之后的这些场都处于模式混合叠加态上，模式之间的相对相位分别为
(i＝1...N-1)。将这些场输入到干涉仪(待测相位为θ)中，得到输出光强差分别为cos(θ+λi)，最后将这些光强差进行相关，得到相关函数为cos(Nθ)。这样测量的结果与量子纠缠态一样对相位θ的分辨率提高了N倍，利用误差传播理论可知对相位测量的精度提高了N-1/2倍，达到海森堡极限N-1(假定平均光强为1)。
如图5所示，光源组件1由多个相互独立的，互相连接的相干光源12、模式叠加态生成器11构成。利用完全独立的光源产生独立相干光场，然后每个独立场经过模式叠加态生成器变成模式叠加态。
如图6所示，光源组件1具有相连接的相干光源12、分束器13，分束器13分别接有多个相连接相位调制器14、模式叠加态生成器11。由一个相干光源经过分束器后得到多个光束，然后利用相位调制器对每个光束施加一个独立变化的随机相位，然后同样每个光束经过模式叠加态生成器变成模式叠加态。这种方法可以避免图5实施例中不同源光场的光子分布对测量结果产生的干扰。
如图7所示，模式叠加态生成器11具有双模波导马赫-增德尔干涉仪15，双模波导马赫-增德尔干涉仪15中的一臂具有π/2相位调制器16。如图8所示，模式叠加态生成器11是一个双模波导Y型合路器17。这两种实施例都可以将光场从TE0模变换到TE0和TE1的叠加态上，图9给出了这两个实施例的计算机模拟的结果。
本领域的技术人员将会清楚，可以对本发明的基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪进行各种改变和改进，而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在包括不超出权力说明书范围的各种改变和改进以及它们的等同物。
Claims (3)
1.一种基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪，其特征在于包括相连接的光源组件(1)、模式交换组件(2)、传感组件(3)、相关测量组件(4)，模式交换组件(2)具有多个多模波导方向耦合器(5)，传感组件(3)具有多个多模波导相位调制器(6)，相关测量组件(4)具有多个相连接的Y型分支器(7)、光探测器(8)、差分器(9)，多个差分器(9)与相关器(10)相连接，所述的光源组件(1)具有相连接的相干光源(12)、分束器(13)，分束器(13)分别接有多个相连接相位调制器(14)、模式叠加态生成器(11)。
2.如权利要求1所述的一种基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪，其特征在于所述的模式叠加态生成器(11)具有双模波导马赫-增德尔干涉仪(15)，双模波导马赫-增德尔干涉仪(15)中的一臂具有π/2相位调制器(16)。
3.如权利要求1所述的一种基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪，其特征在于所述的模式叠加态生成器(11)是一个双模波导Y型合路器(17)。
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