CN101976797A

CN101976797A - 单光子光学谐振腔的锁定方法及其装置

Info

Publication number: CN101976797A
Application number: CN 201010299949
Authority: CN
Inventors: 王晓波; 贾锁堂; 肖连团; 王晶晶; 马杰
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2010-10-09
Filing date: 2010-10-09
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-10-09
Also published as: CN101976797B

Abstract

本发明涉及光学谐振腔，特别涉及光学谐振腔的锁定，具体为单光子光学谐振腔的锁定方法及其装置。解决目前无法用微弱光信号来锁定谐振腔的问题。用频率为9.2kHz、电压幅度为3伏的正弦波信号对频率为1Hz的三角波信号进行调制而形成调制扫腔信号，用调制扫腔信号扫描光学谐振腔而实现对入射单光子的调制；利用积分时间为30ms的锁相放大器对光学谐振腔输出的被调制单光子信号的同步累积进行解调得到锁腔参考信号，将锁腔参考信号经PID控制器加在光学谐振腔偏置控制端，而实现对光学谐振腔的锁定。利用调制解调的方法提高了锁腔参考信号的信噪比。该方法可应用于激光检测、光纤通讯、单光子检测、激光光谱等相关领域。

Description

单光子光学谐振腔的锁定方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学谐振腔，特别涉及光学谐振腔的锁定，具体为单光子光学谐振腔的锁定方法及其装置。

背景技术

光学谐振腔（又称为法布里-泊罗光学谐振腔）是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。通常由两块平行的平面或凹面反射镜构成。谐振腔的作用是选择通过频率一定、方向一致的光，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外。沿轴线运动的光子经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，最终在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的光束。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模，按频率区分的称为纵模，按方向区分的称为横模。在一个谐振腔内，只有频率满足一定共振条件的光才能在腔内来回反射形成稳定分布。光学谐振腔是获得理想的单色性和相干性的激光的核心器件，同时在其它的实际应用，如光通讯、激光光谱、精密计量等领域具有广泛的应用。

精密锁定光学谐振腔是有效运用的前提，在光学谐振腔锁定研究中，通常是采用强光进行，如采用Pound-Drever-Hall、Hansch Coiullaud、饱和吸收等锁定方法。强光锁定方法是在光学谐振腔的输出侧用探测器提取锁腔参考信号，该锁腔信号经处理后反馈给光学谐振腔（的压电陶瓷），从而构成一个信号反馈系统来实现光学谐振腔的锁定。但是在量子保密通讯和其他微弱信号检测场合下，光信号非常弱，以致达到单光子量级，探测器无法提取到锁腔参考信号，所以无法实现锁定。因此，目前未见能够用微弱光信号（单光子量级）来锁定谐振腔的方法。

发明内容

本发明解决目前无法用微弱光信号（单光子量级）来锁定谐振腔的问题，提供一种单光子光学谐振腔的锁定方法及其装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：单光子光学谐振腔的锁定方法，用频率为9.2KHz、电压幅度为3伏的正弦波信号对频率为1Hz的三角波信号进行调制而形成调制扫腔信号，用调制扫腔信号扫描光学谐振腔（即将调制扫腔信号施加于光学谐振腔的偏置控制端）而实现对入射单光子的调制；利用积分时间为30ms（毫秒）的锁相放大器对光学谐振腔输出的被调制单光子信号的同步累积进行解调得到锁腔参考信号，将锁腔参考信号在示波器上进行显示；减小三角波信号的电压幅值并通过调节三角波信号的偏置保证锁腔参考信号始终位于示波器中心，最终使三角波的电压幅值为零，此时将锁腔参考信号经PID（比例积分微分）控制器加在光学谐振腔偏置控制端，而实现对光学谐振腔的锁定。

本发明采用了对单光子进行调制并利用锁相放大器解调获得锁腔参考信号，实现了利用微弱光信号对谐振腔的锁定。利用调制解调的方法提高了锁腔参考信号的信噪比，能够可靠提取到锁腔参考信号。该方法可应用于激光检测、光纤通讯、单光子检测、激光光谱等相关领域。适用于光学谐振腔应用于自由空间和光纤的场合。

附图说明

图1为实现本发明所述方法的装置结构示意图；

图2为单光子探测器输出信号的频谱图；

图3为锁腔参考信号幅度随调制信号电压的变化图；

图4为锁相放大器信号幅度随调制信号频率的变化图；

图5为锁定前后谐振腔输出信号的对比图；

图6为锁腔参考信号在示波器上的形状；

图7为光学谐振腔透射信号在示波器上的形状。

图中：1-单频半导体激光器（1550nm）, 2-衰减器, 3-法布里-泊罗光学谐振腔, 4-单光子探测器（SPAD）, 5-锁相放大器, 6-PID控制器, 7-示波器, 8-函数发生器, 9-偏置控制器, 10-偏振分束器, 11-光电探测器。

具体实施方式

单光子光学谐振腔的锁定方法，用频率为9.2KHz、电压幅度为3伏的正弦波信号对频率为1HZ的三角波信号进行调制而形成调制扫腔信号，用调制扫腔信号扫描光学谐振腔（即将调制扫腔信号施加于光学谐振腔的偏置控制端）而实现对入射单光子的调制；利用积分时间为30ms（毫秒）的锁相放大器对光学谐振腔输出的被调制单光子信号的同步累积进行解调得到锁腔参考信号，将锁腔参考信号在示波器上进行显示；减小三角波信号的电压幅值并通过调节三角波信号的偏置保证锁腔参考信号始终位于示波器中心，最终使三角波的电压幅值为零，此时将锁腔参考信号经PID（比例积分微分）控制器加在光学谐振腔偏置控制端，而实现对光学谐振腔的锁定。

实现单光子光学谐振腔锁定方法的装置，包括光学谐振腔3、单光子探测器4、锁相放大器5、PID控制器6、示波器7、函数信号发生器8、偏置控制器9，光学谐振腔3的输出端与单光子探测器4的输入端相连，单光子探测器4的信号输出端与积分时间为30ms（毫秒）的锁相放大器5的信号输入端相连，锁相放大器5的信号输出端与PID控制器6的输入端相连，PID控制器6的输出端最终与光学谐振腔3的偏置控制端相连，PID控制器6的监视输出端与示波器7相连，函数信号发生器8的输出频率1Hz三角波信号的通道一输出端与偏置控制器9的直流输入端相连，函数发生器8的同步输出端作为触发信号与示波器7相连；锁相放大器5的输出9.2KHz、3伏正弦波信号的调制信号输出端与偏置控制器9的射频输入端相连；偏置控制器9的输出端与光学谐振腔3的偏置控制端相连。该装置还包括位于光学谐振腔3入射端的偏振分束器10，与偏振分束器10相连的光电探测器11，光电探测器11的输出端与示波器相连。具体实施时，由单频半导体激光器1（1550nm）产生激光并经衰减器2衰减到单光子量级。

光学谐振腔3选用Toptica，FPI100。单光子探测器4选用princeton lightwave，PGA-600。锁相放大器5选用SRS，SR830。PID控制器6选用SRS，SIM960。示波器7选用Tektronix，TPS2024。函数信号发生器8选用Tektronix，AFG3000。偏置控制器9选用Mini circuits，Bias-Tee。光电探测器11选用Newfocus，1611-FC-AC。

参见附图1。函数信号发生器8输出的1Hz三角波加载在偏置控制器9直流输入端，同时锁相放大器5输出9.2KHz、电压幅度为3伏正弦信号加载在偏置控制器9射频输入端对三角波信号进行调制。调制后的三角波信号作为扫腔信号由偏置控制器9输出加载在光学谐振腔3上使之处于扫描状态，实现对入射光的调制。由尾纤型单频半导体激光器（1550nm）1产生的连续光信号经偏振分束器10照射到光学谐振腔3入射端，腔内反射输出光经偏振分束器10反射后入射到光电探测器11上，光电探测器11输出的腔反射光信号通过示波器7进行观察。光学谐振腔3的透射光信号通过光纤入射到单光子探测器4的输入端，在单光子探测器4的面板上可以看到光子计数值，单光子探测器4工作于内触发状态。单光子探测器4的TTL脉冲输出端输出的TTL电平输入到锁相放大器5，利用锁相放大器5的积分时间对单光子信号的同步累积进行解调，调节锁相放大器积分时间（至30毫秒）和灵敏度，使得输出最大信噪比的锁腔参考信号。锁相放大器5输出的锁腔参考信号经过PID控制器6的监视输出端进入示波器7，利用示波器7观测锁腔参考信号；减小函数信号发生器8输出信号的电压幅度并通过调节三角波信号的偏置保证锁腔参考信号始终处于示波器7中心，最终使扫腔信号幅度为零，此时将锁腔参考信号经PID控制器加在谐振腔偏置控制端，优化PID控制器参数，实现对光学谐振腔的锁定。

本实例中使用的函数信号发生器8输出频率为1Hz的三角波信号加载于偏置控制器9的直流输入端用于控制观测谐振腔透射峰以及锁腔参考信号曲线。函数信号发生器8的同步信号触发示波器7。锁相放大器5输出频率为9.2kHz的正弦信号加载于偏置控制器9的射频输入端，对光学谐振腔进行长度扫描调制，实现对入射光的调制。另外偏置控制器9的直流射频输出端输出并加载在光学谐振腔上，控制谐振腔的中心位置。

本实例中使用的单频半导体激光器工作于室温环境，输出激光的中心波长为1550 nm，脉冲宽度为50ps。单光子探测器4工作于218K，在1550 nm处的最大可探测光功率为1mW，最大外触发频率为20MHz，量子效率为~25%，死时间为50 ns，平均暗计数率低于20 cps，探测器后脉冲率约9.03E-5。本实例中使用的光学谐振腔3的温度可控，工作温度为摄氏20度，自由光谱区1GHz，精细度500，分辨率2MHz。

图2为单光子探测器输出信号的频谱图，描述的是通过锁相放大器监视输出端口观察到的单光子探测器探测输出的TTL脉冲信号的傅里叶变换（FFT）频谱，从图中可以看出，在对应9.2kHz调制信号处可明显观察到单光子调制信号，约-37dB，其他频率位置为噪声，平均值-50dB。说明调制解调方法是有效的。

本发明利用锁相放大器对单光子信号进行同步累积，并进行解调。调节锁相放大器积分时间和灵敏度，使得输出最大信噪比的锁腔参考信号。这里选择积分时间为30ms。

图3为锁腔参考信号幅度随调制信号电压幅度的变化图，描述的是不同电压正弦波调制信号对应的锁腔参考信号的幅度，从图中可以看出锁腔参考信号的幅度随着调制电压的增大而增大，调制电压峰峰值达到3伏后锁腔参考信号幅度接近饱和，这里选取3伏作为调制信号的电压值。

图4为锁相放大器输出信号的幅度随调制信号频率的变化图，描述的是不同频率正弦波调制信号对应的锁相放大器输出信号的幅度。从图中可以看出锁相放大器输出信号幅度随调制信号频率的变化趋势，调制频率为9.2kHz时锁相放大器输出信号的幅度最大。本发明选取9.2kHz的正弦波作为调制信号。

图5为锁定前后谐振腔输出信号的对比图。可以发现不加锁定时输出光场的光频起伏很大，在20分钟内，输出光场的频率波动达到200MHz。这是由于谐振腔的热漂移特性决定的。相应地，在采用本发明的方法锁定谐振腔以后，输出光场的频率稳定在2MHz以内。

图6和图7分别为锁腔参考信号曲线和谐振腔透射信号曲线。经过如上述选取优化锁相放大器积分时间以及调制信号的幅度与频率，锁腔信号的信噪比达到43。

从本例的测量结果中可以看出，采用本发明的单光子调制的方法可以锁定光学谐振腔。本具体实施方式适用于光学谐振腔应用于自由空间和光纤的场合。

Claims

1.一种单光子光学谐振腔的锁定方法，其特征为：用频率为9.2KHz、电压幅度为3伏的正弦波信号对频率为1Hz的三角波信号进行调制而形成调制扫腔信号，用调制扫腔信号扫描光学谐振腔而实现对入射单光子的调制；利用积分时间为30ms的锁相放大器对光学谐振腔输出的被调制单光子信号的同步累积进行解调得到锁腔参考信号，将锁腔参考信号在示波器上进行显示；减小三角波信号的电压幅值并通过调节三角波信号的偏置保证锁腔参考信号始终位于示波器中心，最终使三角波的电压幅值为零，此时将锁腔参考信号经PID控制器加在光学谐振腔偏置控制端，而实现对光学谐振腔的锁定。

2.实现如权利要求1所述的单光子光学谐振腔锁定方法的装置，其特征为：包括光学谐振腔（3）、单光子探测器（4）、锁相放大器（5）、PID控制器（6）、示波器（7）、函数信号发生器（8）、偏置控制器（9），光学谐振腔（3）的输出端与单光子探测器（4）的输入端相连，单光子探测器（4）的信号输出端与积分时间为30ms的锁相放大器（5）的信号输入端相连，锁相放大器（5）的信号输出端与PID控制器（6）的输入端相连，PID控制器（6）的输出端最终与光学谐振腔（3）的偏置控制端相连，PID控制器（6）的监视输出端与示波器（7）相连，函数信号发生器（8）的输出频率1HZ三角波信号的通道一输出端与偏置控制器（9）的直流输入端相连，函数发生器（8）的同步输出端作为触发信号与示波器（7）相连；锁相放大器（5）的输出9.2KHz、3伏正弦波信号的调制信号输出端与偏置控制器（9）的射频输入端相连；偏置控制器（9）的输出端与光学谐振腔（3）的偏置控制端相连。

3.根据权利要求1所述的实现单光子光学谐振腔锁定方法的装置，其特征为：还包括位于光学谐振腔（3）入射端的偏振分束器（10），与偏振分束器（10）相连的光电探测器（11），光电探测器（11）的输出端与示波器（7）相连。