CN102313603A - 全光纤脉冲平衡零拍探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全光纤脉冲平衡零拍探测装置，具体是一种基于低噪声电荷灵敏前置放大器的全光纤脉冲平衡零拍探测装置，可用于对弱相干态光场的正交分量进行精密测量。该装置包括50/50保偏光纤耦合器(1)、衰减器(2)、传感器(3)、电荷放大器(4)和整形放大器(5)。本发明将衰减器与耦合器的尾纤巧妙结合，避免了插入损耗，偏振度下降等不利因素，还可实现光强的连续精确衰减，稳定性较好。该探测装置实现了全光纤化、结构紧凑、输出脉宽窄、电子学噪声低、量子效率高、并可以长时间稳定运转。

Description

全光纤脉冲平衡零拍探测装置

技术领域

本发明涉及连续变量量子密钥分发系统，具体是一种用于对弱相干态光场的正交分量进行精密测量的全光纤脉冲平衡零拍探测装置。

背景技术

脉冲平衡零拍探测装置可以对光场的正交分量进行时域的精密测量，广泛应用于量子光学，量子信息等领域。同频率域的平衡零拍探测器相比，它具有较高的技术要求，需要具有较大的带宽(至少能够区分出每个入射光脉冲信号)，同时要求具有高的共模抑制比，平坦的增益曲线及极低的电子学噪声(特别是在低频段)。对于全光纤连续变量量子密钥分发系统，脉冲平衡零拍探测装置是其中的关键器件之一。考虑到系统的实用化，要求其光路部分全光纤化；同时探测器要具有较大的增益带宽和低的电子学噪声，以实现高的安全密钥速率。

文献“Ultrasensitive pulsed，balanced homodyne detector：application to time-domain quantummeasurements，Opt.Lett.26，1714(2001)”报道了一种基于低噪声电荷灵敏前置放大器的脉冲平衡零拍探测装置，但是该探测器输出信号的脉宽全宽约为1μs，限制其带宽上限为1MHz；信噪比为14dB。文献“Pulsed homodyne measurements of femtosecond squeezed pulses generatedby single-pass parametric deamplification，Opt.Lett.29，11(2004)”报道的探测装置带宽为790kHz，信噪比为11dB。

从以上文献可以看出时域平衡零拍测量前置光场部分主要为自由空间的常用光学器件，由于该探测器要求精度高，稳定性好，由自由空间搭建的光路比较困难，而且稳定性不好，不利于该器件实用化。在连续变量量子密钥分发系统中，测量部分主要使用该类探测器，利用现有的光纤器件完成测量装置的搭建很不方便而且难度较大，不利于该系统的实用化。

现在商用的保偏光纤耦合器尾纤(臂)长度误差大(约几厘米)，而且将衰减器，延迟器等装置引入后，长度误差会进一步加大，要保证探测器的性能还需要保偏光纤融接机等设备，难度较大。现有的无论何种类型的衰减器和延迟器是一个独立的元件，当其加入光路系统后还会引入插入损耗，且导致偏振光的偏振度下降，加大了耦合器两输出臂的功率和长度误差。

发明内容

本发明专利的目的在于提供一种全光纤化、结构紧凑、输出脉宽窄、电子学噪声低、量子效率高、并可以长时间可靠运转的基于低噪声电荷灵敏前置放大器的全光纤脉冲平衡零拍探测装置。其可用于对弱相干态光场的正交分量进行精密测量。

本发明专利提供的一种全光纤脉冲平衡零拍探测装置，其特征在于包括50/50保偏光纤耦合器(1)、衰减器(2)、传感器(3)、电荷放大器(4)和整形放大器(5)；所述的光纤耦合器(1)两输入臂的端口选用整块结构的光纤连接器，光纤耦合器(1)两输出臂光纤长度相等，两输出臂中输出效率高的一臂与传感器(3)中量子效率低的光电二级管相连；输出臂中输出效率低的一臂与传感器(3)中量子效率高的光电二级管相连；分别计算每一臂的总效率，将总效率高的一臂的光纤绕在衰减器(2)中的弹性圆筒(7)上，弹性圆筒(7)位于固定装置(9)和滑动装置(10)之间，上下调整滑动装置(10)可使弹性圆筒(7)的曲率半径发生变化，进而使绕于其上的光纤曲率半径变化，实现光的衰减，固定杆8可防止曲率半径过小造成光纤损伤；所述的传感器(3)通过耦合电容(11)与电荷放大器(4)相连，电荷放大器(4)通过高通滤波器(12)和整形放大器(5)连接；传感器(3)、电荷放大器(4)和整形放大器(5)置于金属屏蔽罩(6)中。

所述的固定装置(9)和滑动装置(10)选用热胀系数小的材料制作。

所述的传感器(3)由两个光电二级管串联构成，其量子效率接近，以不超过百分之一为宜；其由电池供电，偏置电压可调，光电二极管的结电容约为几nf，远小于与电荷放大器的耦合电容。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：

本发明通过自制的衰减装置巧妙地与耦合器的尾纤相接合，避免了插入损耗，偏振度下降，额外的光纤长度以及由此引入的误差等不利因素，还可实现光强的连续精确衰减，稳定性较好。

采用定制的输出臂相等的保偏光纤耦合器，光电二极管两端采用电池进行供电，有效地降低电子学噪声，偏置电压精确可调，通过调节两端的偏置电压，可以调节光电二极管的响应时间，等效于调节光纤的输出臂长，无需光纤延迟器或采用高精度的保偏光纤融接机等。可有效提高探测器的量子效率和降低探测器的电子噪声，经测试探测器量子效率可达到0.73，散粒噪声比电子噪声高出15dB以上。

探测器的速率也是探测器的至关重要的性能，我们通过在电荷放大器与整形放大器之间引入了一个高通滤波器，有效地将探测器的速率提高到了5MHz。

附图说明

图1全光纤脉冲平衡零拍探测装置的示意图

图2探测装置中衰减器2的示意图

图3真空场散粒噪声的轨迹图

图4散粒噪声和电子噪声的功率谱

图5探测装置的线性响应测试结果

具体实施方式

图1所示的是一种全光纤脉冲平衡零拍探测装置，包括50/50保偏光纤耦合器1、衰减器2、传感器3、电荷放大器4和整形放大器5；所述的50/50保偏光纤耦合器是基于熔接方式制作的单模保偏耦合器，适用于1.5μm/1.3μm及其它波段的光场。耦合器1两输出臂长度误差小于两毫米，输出功率误差小于±0.5％；耦合器1的所有尾纤均为单模保偏光纤，光纤连接口为FC/APC；两输入臂的端口选用整块结构的光纤连接器(Thorlabs公司的ADAFC2-PMN)，该连接器精度高，无插入损耗，稳定性好。将光纤耦合器1两输出臂中输出效率高的一臂与传感器3中量子效率低的光电二级管相连；输出臂中输出效率低的一臂与传感器3中量子效率高的光电二级管相连；分别计算每一臂的总效率，将总效率高的一臂的光纤绕在衰减器2中的弹性圆筒7上；该弹性圆筒7由弹性较好的材料卷制而成。弹性圆筒7位于固定装置9和滑动装置10之间，上下调整滑动装置10可使弹性圆筒7的曲率半径发生变化，进而使绕于其上的光纤曲率半径变化，实现光的衰减，固定杆8可防止曲率半径过小造成光纤损伤；基于光纤弯曲衰减原理的衰减器，无插入损耗，衰减精度高，可连续调节，稳定性好，通过调节衰减器可使两输出臂的总效率相等。传感器3采用两个量子效率接近的高速铟砷化镓光电二极管，在1550nm波段探测器量子效率可达80％，响应时间快，光信号输入端为FC/APC耦合方式。

传感器3中光电二极管的偏置电压由电池供电，并且偏置电压精确可调。通过调整光电二极管的偏置电压可以改变光电二极管的响应时间，进而用来补偿耦合器两输出臂长度的误差。

前置电荷放大器要求为低噪声电荷放大器。为了降低放大器的噪声，采用了外接N沟道结型场效应管的方法。我们在低噪声放大器后接了一个充放电时间为三十纳秒的高通滤波器，可以使电荷放大器输出脉宽约为三十纳秒的脉冲，可有效的提高探测器的探测速率。整形电路的核心器件为高速低噪声运算放大器，其外围电路采用性能优良的电子元器件，结合有源RLC滤波原理，可将高通滤滤器输出的脉宽几十纳秒信号整形为脉宽全宽为二百纳秒的标准的高斯形脉冲。同时为了使电路板封装紧凑，小型化，相关元器件主要采用贴片封装。

为了提高本装置的紧凑性，我们将传感器光电二极管，电荷放大器和整形放大器组装在一个PCB电路板内，并用金属屏蔽罩将其封闭，以隔离外界的电磁干扰，降低器件的电子学噪声。

从图1可看出，经长距离传输后的信号光和本地光在耦合器1内部相互干涉，干涉输出后用传感器3进行接收，将光信号转换为电流信号。通过调节衰减器可使两光电二极管产生的电流信号相等。相减的电流信号经低噪声前置电荷放大器转换为电压信号，经高通滤波器后变为窄脉冲，整形放大器可将此电压信号进行放大并整形为高斯形电脉冲信号进行输出。电脉冲信号的峰值与光场正交分量成正比，如式(1)所示：

${\hat{V}}_{\mathrm{peak}}=g\·\left|L\right|{\hat{X}}_{\mathrm{\Φ}}$

式中g是放大器的增益，L是本地光场的振幅。

以下是对探测器性能的测试结果。

(1)在耦合器1输入端分别输入信号光场和本地光场，将信号光场置为真空光场，本地光场的功率为10⁸光子/脉冲，将探测器的输出接入示波器，测试结果如图3所示，可以清晰地观察到真空噪声起伏，脉冲呈高斯型。

(2)我们用示波器对输出信号进行数据采集，将脉冲的峰值提取出来并进行快速傅立叶变换可得到真空散粒噪声的功率谱。分析结果如图4所示，从图中可以看出噪声功率谱平坦，比相应的电子学噪声高出15dB以上，可以满足连续变量量子密钥分发等量子信息领域的要求。金属屏蔽罩有效地隔离了外界的电磁干扰，高通滤滤器有效地滤除了低频段的噪声，因此图3中电子学噪声功率谱比较平坦，特别是低频段噪声性能优越。

(3)为了验证探测器是否符合公式(1)，我们采用以下方法进行了测试：首先对公式(1)进行等效变换：

$<{\mathrm{\&Delta;}}^2{\hat{V}}_{\mathrm{peak}}>=G\&CenterDot;<\hat{N}>---\left(2\right)$

其中G是与探测器增益有关的一个常数，从公式(2)中可以看出探测器输出峰值电压的起伏方差与输入光功率呈线性关系。将输入场置为真空场，改变本地光场的功率，然后对不同功率下峰值电压的起伏方差进行测试，其结果如图5所示，从图中可以看出两者呈良好的线性关系，表明探测装置具有好的线性响应特性。通过以上测量结果可计算出探测装置的量子效率可达到0.73。

Claims (3)

1.一种全光纤脉冲平衡零拍探测装置，其特征在于包括50/50保偏光纤耦合器(1)、衰减器(2)、传感器(3)、电荷放大器(4)和整形放大器(5)；所述的光纤耦合器(1)两输入臂的端口选用整块结构的光纤连接器，光纤耦合器(1)两输出臂光纤长度相等，两输出臂中输出效率高的一臂与传感器(3)中量子效率低的光电二级管相连；输出臂中输出效率低的一臂与传感器(3)中量子效率高的光电二级管相连；分别计算每一臂的总效率，将总效率高的一臂的光纤绕在衰减器(2)中的弹性圆筒(7)上，弹性圆筒(7)位于固定装置(9)和滑动装置(10)之间，上下调整滑动装置(10)可使弹性圆筒(7)的曲率半径发生变化，进而使绕于其上的光纤曲率半径变化，实现光的衰减，固定杆8可防止曲率半径过小造成光纤损伤；所述的传感器(3)通过耦合电容(11)与电荷放大器(4)相连，电荷放大器(4)通过高通滤波器(12)和整形放大器(5)连接；传感器(3)、电荷放大器(4)和整形放大器(5)置于金属盒(6)中。

2.根据权利要求书1所述的全光纤脉冲平衡零拍探测装置，其特征在于所述的固定装置(9)和滑动装置(10)选用热胀系数小的材料制作而成。

3.根据权利要求书1所述的全光纤脉冲平衡零拍探测装置，其特征在于所述的传感器(3)由量子效率接近的两个光电二级管串联构成，其由电池供电，偏置电压可调。

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