CN104848880B - 一种基于光量子技术的准分布式光学传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光量子技术的准分布式光学传感装置，包括宽带能量‑时间纠缠双光子源、准分布式光学传感单元、信号解调单元和物理信息获取单元；所述的宽带能量‑时间纠缠双光子源输出的具有纠缠特性的两个光子分别输入到准分布式光学传感单元和信号解调单元中，准分布式光学传感单元和信号解调单元的输出端与物理信息获取单元连接。本发明具有传感信号解调简单可靠、分布式传感器空间定位精确高、传感物理信息准确等特点，能够实现更准确的空间位置定位，可以在一条传感链路上串联更多的传感单元，在准分布式温度/应力光学传感技术方面有着重要的应用。

Description

一种基于光量子技术的准分布式光学传感装置

技术领域

本发明涉及信息科学技术领域，特别涉及一种基于光量子技术的新型准分布式光学传感方法和装置。

背景技术

准分布式光学传感是通过光学方法获取敏感区域内对应的温度/应力信息的物理方法，在区域周界防护、火灾预警、输油管道监测、建筑物健康监测、地质灾害预警等方面有着重要的应用。已有的准分布式光学传感技术，基于光纤光栅的反射中心波长与其所在环境的温度/应力相对应的物理基础实现。进一步的，在宽带光源的波长范围内，可以通过串联数个中心波长不同的光纤光栅，实现准分布式的温度/应力传感。尽管已有成熟的技术可以实现准分布式的温度/应力传感，但是受限于宽带光源的波长范围及光纤光栅的反射带宽，现有技术难以在同一条传感链路上的传感器数量有限，需要使用时分复用和光学开关的技术拓展传感器的数量，增加了系统的复杂性。更为重要的是，已有准分布式温度/应力传感技术难以实现对传感器位置信息及对应的传感信息的高精度解调，两者分别对应高精度的时间及光波长测量方法。上述两个方面限制了已有的准分布式光学传感方法的应用范围。因此，人们需要功能更为全面的准分布式光学传感方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有传感信号解调简单可靠、能够实现更准确的空间位置定位，可以在一条传感链路上串联更多的传感单元的基于光量子技术的准分布式光学传感装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光量子技术的准分布式光学传感装置，包括宽带能量-时间纠缠双光子源、准分布式光学传感单元、信号解调单元和物理信息获取单元；所述的宽带能量-时间纠缠双光子源输出的具有纠缠特性的两个光子分别输入到准分布式光学传感单元和信号解调单元中，准分布式光学传感单元和信号解调单元的输出端与物理信息获取单元连接；

宽带能量-时间纠缠双光子源用于产生带宽在设定范围内的纠缠双光子；

准分布式光学传感单元用于将不同空间位置处的温度/应力信息转换为光纤光栅的反射波长；

信号解调单元用于将光纤光栅的反射波长，通过量子光源特有的量子关联作用，转换为与波长相关的光子探测和两个单光子探测器输出的符合计数；信号解调单元将另一个光子进行分束，分束后，其中一路光子直接输入到单光子探测器中；另一路光子通过一个波长相关的光学衰减器，使得不同波长的光子具有不同的透过率，然后入射到单光子探测器中。进一步地，结合能量-时间纠缠光子对的量子关联特性，来自光纤光栅的单光子通过环形器入射到另一单光子探测器中。不同位置处的光纤光栅反射回来的具有不同的波长和传播时间，其被单光子探测器探测后将在不同时刻输出对应的电信号，该电信号的输出时刻在物理信号获取单元中可以恢复为光纤光栅的空间位置。另一方面，利用符合计数装置对三个单光子探测器的输出进行符合计数，通过分析符合计数值的大小，可以得到对应光子通过波长相关的光学衰减器的透过率，进一步可以得到对应的光子波长，根据能量-时间纠缠光子与泵浦光子之间的能量守恒关系，可以得到光纤光栅的反射波长，进而实现信号的解调。

物理信息获取单元用于实现时间相关的单光子探测和符合计数测量，并根据测量结果计算分析获得准分布式光学传感单元的物理信息。

进一步地，所述的宽带能量-时间纠缠双光子源包括激光泵浦源、泵浦滤波器、非线性光学媒质和宽带分光滤波器，激光泵浦源、泵浦滤波器、非线性光学媒质和宽带分光滤波器依次连接。

激光泵浦源包括半导体激光器、气体激光器、染料激光器和固体激光器中的任一种脉冲或者直流激光光源。

泵浦滤波器为环形器加光纤光栅组成的滤波器件、多层镀膜光学滤波器、微机电系统(MEMS)光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一种或任意几种的组合；泵浦滤波器的透射波长与激光泵浦源的中心波长保持一致。

非线性光学媒质为二阶非线性光学晶体、二阶非线性光学晶体波导、三阶非线性石英光纤基波导、三阶非线性硅基波导或三阶非线性硫系玻璃基波导中的任意一种。

宽带分光滤波器为环形器加光纤光栅组成的滤波器件、多层镀膜光学滤波器、微机电系统(MEMS)光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一种或任意几种的组合。

进一步地，所述的准分布式光学传感单元包括三端口光学环形器和布拉格光纤光栅，三端口光学环形器的第二个端口通过光纤线缆级联布拉格光纤光栅，三端口光学环形器的第一个端口与宽带分光滤波器的一个输出端相连；所述准分布式光学传感单元内的器件的工作波长与宽带能量-时间纠缠双光子中的一个光子的波长范围相匹配。

进一步地，所述的信号解调单元包括光学分束器及与光波长相关的光学衰减器，光学分束器的输入端与宽带分光滤波器的另一个输出端相连，光学分束器的一个输出端与光学衰减器的输入端连接；其中，光学分束器和光学衰减器的工作波长与宽带能量-时间纠缠双光子中的另一个光子的波长范围相匹配。光波长相关的光学衰减器对不同波长的光子衰减不一样，配合单光子探测器的计数，达到区分光波长的作用，光学分束器的另一路输出用来标定没有光学衰减器时的单光子计数。

进一步地，所述的物理信息获取单元具体包括多个单光子探测器、时间数字转换器和计算机，第一单光子探测器的输入端与三端口光学环形器的第三个端口相连，第二单光子探测器的输入端与光学衰减器的输出端连接，第三单光子探测器的输入端与光学分束器的另一个输出端连接，第一单光子探测器、第二单光子探测器和第三单光子探测器的输出端分别与计算机相连，计算机还与时间数字转换器连接。单光子探测器采用基于雪崩光电二极管或者超导波导器件，所述的时间数字转换器采用基于单片机、可编程逻辑器件、数字信号处理芯片、嵌入式芯片和专用的延时取与器件中的一种或多种器件实现。

本发明的有益效果是：提供了一种基于光量子技术的准分布式光学传感装置，利用能量-时间纠缠双光子的宽频带以及量子关联特性，配合布拉格光纤光栅所处环境的温度/应力与其反射波长之间的相关性等物理基础，充分利用光量子学中成熟的单光子探测和时间数字转换等技术，实现了一种新型的准分布式光学传感装置。该装置具有传感信号解调简单可靠、分布式传感器空间定位精确高、传感物理信息准确等特点。相比于传统准分布式光学传感装置，该装置能够实现更准确的空间位置定位，比如可给出光纤光栅长度方向上温度/应力的分布情况；另一方面，可以在一条传感链路上串联更多的传感单元。上述特点保证该装置在准分布式温度/应力光学传感技术方面有着重要的应用。

附图说明

图1为本发明的准分布式光学传感装置结构示意图；

图2为本发明的实施例中宽带能量-时间纠缠双光子的量子关联特性测试结果示意图；

图3为本发明的实施例中时间相关单光子探测和符合计数的典型结果示意图；

附图标记说明：1-激光泵浦源，2-泵浦滤波器，3-非线性光学媒质，4-宽带分光滤波器，5-三端口光学环形器，6、7、8、9-布拉格光纤光栅，10-光学分束器，11-光学衰减器，12-第一单光子探测器，13-第二单光子探测器，14-第三单光子探测器，15-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于光量子技术的准分布式光学传感方法和装置。与已有准分布式光学传感相同的是，该传感方法和装置仍然使用光纤光栅作为温度/应力信号的传感单元。但本发明涉及的传感方法在传感用光源选取、传感器位置信息获取和传感信息解调等方面与已有方法截然不同。其核心思想在于：利用宽带能量-时间纠缠双光子源中输出两个光子间的量子关联特性，以及光纤光栅反射波长与环境的温度/应力相关的特点，实现高精度的准分布式光学温度/应力信息的传感。

如图1所示，本发明的一种基于光量子技术的准分布式光学传感装置，包括宽带能量-时间纠缠双光子源、准分布式光学传感单元、信号解调单元和物理信息获取单元；所述的宽带能量-时间纠缠双光子源输出的具有纠缠特性的两个光子分别输入到准分布式光学传感单元和信号解调单元中，准分布式光学传感单元和信号解调单元的输出端与物理信息获取单元连接；

宽带能量-时间纠缠双光子源用于产生带宽在设定范围内的纠缠双光子；

准分布式光学传感单元用于将不同空间位置处的温度/应力信息转换为光纤光栅的反射波长；

信号解调单元用于将光纤光栅的反射波长，通过量子光源特有的量子关联作用，转换为与波长相关的光子探测和两个单光子探测器输出的符合计数；信号解调单元将另一个光子进行分束，分束后，其中一路光子直接输入到单光子探测器中；另一路光子通过一个波长相关的光学衰减器，使得不同波长的光子具有不同的透过率，然后入射到单光子探测器中。进一步地，结合能量-时间纠缠光子对的量子关联特性，来自光纤光栅的单光子通过环形器入射到另一单光子探测器中。不同位置处的光纤光栅反射回来的具有不同的波长和传播时间，其被单光子探测器探测后将在不同时刻输出对应的电信号，该电信号的输出时刻在物理信号获取单元中可以恢复为光纤光栅的空间位置。另一方面，利用符合计数装置对三个单光子探测器的输出进行符合计数，通过分析符合计数值的大小，可以得到对应光子通过波长相关的光学衰减器的透过率，进一步可以得到对应的光子波长，根据能量-时间纠缠光子与泵浦光子之间的能量守恒关系，可以得到光纤光栅的反射波长，进而实现信号的解调。

物理信息获取单元用于实现时间相关的单光子探测和符合计数测量，并根据测量结果计算分析获得准分布式光学传感单元的物理信息。

进一步地，所述的宽带能量-时间纠缠双光子源包括激光泵浦源1、泵浦滤波器2、非线性光学媒质3和宽带分光滤波器4，激光泵浦源1、泵浦滤波器2、非线性光学媒质3和宽带分光滤波器4依次连接。宽带能量-时间纠缠双光子源通过自发非线性光学过程产生，该非线性光学过程由激光泵浦源1激励非线性光学媒质3发生，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，产生宽带的能量-时间纠缠双光子。

激光泵浦源1包括半导体激光器、气体激光器、染料激光器和固体激光器中的任一种脉冲或者直流激光光源。激光泵浦源1的波长由拟制备的宽带能量-时间纠缠双光子的频率范围决定；进一步配合上述非线性光学过程的相位匹配条件，可产生频率范围位于紫外到远红外的任一或两个波段中的宽带能量-时间纠缠双光子。

泵浦滤波器2为环形器加光纤光栅组成的滤波器件、多层镀膜光学滤波器、微机电系统(MEMS)光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一种或任意几种的组合；泵浦滤波器2的透射波长与激光泵浦源1的中心波长保持一致。相应滤波器的透射波长与激光泵浦源1的中心波长保持一致；同时，为实现宽带能量-时间纠缠双光子的高质量输出，泵浦滤波器2对边带的抑制需达到>120dB。

非线性光学媒质3为二阶非线性光学晶体、二阶非线性光学晶体波导、三阶非线性石英光纤基波导、三阶非线性硅基波导或三阶非线性硫系玻璃基波导中的任意一种。

宽带分光滤波器4为环形器加光纤光栅组成的滤波器件、多层镀膜光学滤波器、微机电系统(MEMS)光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一种或任意几种的组合。其中输出的两个光子的中心波长与泵浦光波长要满足能量守恒关系，两个输出端口的中心波长分别与后级的准分布式光学传感单元和信号解调单元中器件的工作波长保持一致，相应的带宽满足准分布式光学传感单元数目的要求；典型的，宽带分光滤波器4选取出带宽范围大于10纳米的纠缠双光子，并对残余泵浦光进行抑制；为消除泵浦光子对传感器性能的影响，宽带分光滤波器4对泵浦光波长的抑制需达到>120dB。

进一步地，所述的准分布式光学传感单元包括三端口光学环形器5和布拉格光纤光栅，三端口光学环形器5的第二个端口通过光纤线缆级联布拉格光纤光栅，三端口光学环形器5的第一个端口与宽带分光滤波器4的一个输出端相连；所述准分布式光学传感单元内的器件的工作波长与宽带能量-时间纠缠双光子中的一个光子的波长范围相匹配。

进一步地，所述的信号解调单元包括光学分束器10及与光波长相关的光学衰减器11，光学分束器10的输入端与宽带分光滤波器4的另一个输出端相连，光学分束器10的一个输出端与光学衰减器11的输入端连接；其中，光学分束器10的分光比可在(0,1)之间任意取值，光学分束器10和光学衰减器11的工作波长与宽带能量-时间纠缠双光子中的另一个光子的波长范围相匹配。光波长相关的光学衰减器11对不同波长的光子衰减不一样，配合单光子探测器的计数，达到区分光波长的作用，光学分束器10的另一路输出用来标定没有光学衰减器11时的单光子计数。

进一步地，所述的物理信息获取单元用于进行时间相关单光子探测和符合计数测量，所述单光子探测和符合计数测量的结果中含有准分布式光传感的空间位置和温度/应力等物理信息，对其进行定量分析和计算，如光子传输时间和传感器空间位置之间的相互计算、符合计数值大小与光纤光栅反射波长之间的相互计算、光纤光栅反射波长与对应位置处温度/应力信息的相互计算，最终即可获得对应的物理信息。物理信息获取单元具体包括多个单光子探测器、时间数字转换器和计算机15，第一单光子探测器12的输入端与三端口光学环形器5的第三个端口相连，第二单光子探测器13的输入端与光学衰减器11的输出端连接，第三单光子探测器14的输入端与光学分束器10的另一个输出端连接，第一单光子探测器12、第二单光子探测器13和第三单光子探测器14的输出端分别与计算机15相连，计算机15还与时间数字转换器连接。单光子探测器采用基于雪崩光电二极管或者超导波导器件，所述的时间数字转换器采用基于单片机、可编程逻辑器件、数字信号处理芯片、嵌入式芯片和专用的延时取与器件中的一种或多种器件实现；每个单光子探测器的工作波长需与该单光子探测器的输入光子的波长相匹配。

本实施例选取激光泵浦源1为直流激光器，其中心波长为1552.52nm；泵浦滤波器2由四个密集波分复用器件级联而成，在连接过程中，第一个密集波分复用器件的公共端与激光泵浦源1的输出相连，其透射端与下一级密集波分复用器件的公共端相连，余下两个密集波分复用器件，按照此方法连接，即下一级密集波分复用器件的公共端与上一级密集波分复用器件的透射端相连，泵浦光最终从最后一个密集波分复用器件的透射端输出，其输出中心波长为1552.52nm；非线性光学媒质3为300m长的色散位移光纤；值得一提的是，为了抑制光纤中拉曼散射过程带来的同频噪声光子，本实施例中利用液氮制冷光纤的技术进一步提升产生双光子态的量子关联特性；宽带分光滤波器4由八个粗波分复用器件组成，其中四个粗波分复用器件用来选取出中心波长为1531nm的光子，这四个器件，在连接过程中，第一个1531nm粗波分复器件的公共端与非线性光纤直接相连，其透射端与下一级粗波分复用器件的公共端相连，余下两个器件，按照此方法连接，即下一级器件的公共端与上一级器件的透射端相连，光子最终从最后一个器件的透射端输出；另外四个粗波分复用器件选取出中心波长为1571nm的光子，这四个器件中，第一个器件的公共端与第一个位于1531nm粗波分复用器件的反射端相连，其透射端与下一级器件的公共端相连，余下两个器件，按照此方法连接，即下一级器件的公共端与上一级器件的透射端相连，光子最终从最后一个器件的透射端输出。输出的中心波长分别为1531nm和1571nm，带宽为10nm；布拉格光纤光栅可以为多个，本实施例选用四个布拉格光纤光栅6、7、8、9，其反射波长位于1531±5nm内；光学分束器10的分光比选取为1:1；单光子探测器选取为基于氮化铌纳米线的超导单光子探测器；时间数字转换器采用商用时间数字转换设备。

图2中给出了本实施例中能量-时间纠缠双光子的量子关联特性测试结果示意图。其量子关联特性，由输出两个光子间的符合计数Coincidence和偶然符合计数Accidental的比值来确定，两者比值大于1表明输出的两个光子之间具有量子关联特性。图2所示结果给出了在不同泵浦功率下，符合计数和偶然符合计数的比值，均大于1，表明输出的两个光子之间具有量子关联特性，可应用于本发明提出的准分布式光学传感。

图3中给出了使用时间相关单光子探测和符合计数的典型结果。可以看到，只有当来自探测器的输出信号为单光子的探测信号时，时间数字转换装置上才会获得一个计数峰，而在其余时刻的计数值为单光子探测信号与噪声信号的随机符合输出。通过对图3中的测量结果进行分析，即可得到准分布式光学传感中相应的空间位置和传感器感知的物理信息。

本发明通过提供一种基于光量子技术的准分布式光学传感方法和装置，可以直接利用量子光源的量子关联特性实现准分布式光学传感信息的获取；该量子关联特性保证了本发明提出的准分布式传感技术可以提升已有分布式传感技术的性能，比如可以实现更准确的空间位置定位，可以在一条传感链路上串联更多的传感单元等。

所述传感系统中不同空间位置处的温度/应力信息可通过定量分析符合计数的时间轴和计数数值等信息来获得；该方法的物理基础是量子光源输出双光子间的量子关联特性，这是基于经典宽带光源实现准分布式光学传感技术无法做到的。

本发明通过提供一种基于光量子技术的准分布式光学传感方法和装置，其充分利用光量子学中成熟的单光子探测和时间数字转换等技术，具有传感信号解调简单可靠、分布式传感器空间位置定位精确高、传感物理信息解调方法简单准确等特点，能够满足准分布式光学传感技术日新月异的发展需求。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光量子技术的准分布式光学传感装置，其特征在于，包括宽带能量-时间纠缠双光子源、准分布式光学传感单元、信号解调单元和物理信息获取单元；所述的宽带能量-时间纠缠双光子源输出的具有纠缠特性的两个光子分别输入到准分布式光学传感单元和信号解调单元中，准分布式光学传感单元和信号解调单元的输出端与物理信息获取单元连接；

宽带能量-时间纠缠双光子源用于产生带宽在设定范围内的纠缠双光子；

准分布式光学传感单元用于将不同空间位置处的温度/应力信息转换为光纤光栅的反射波长；准分布式光学传感单元包括三端口光学环形器(5)和布拉格光纤光栅，三端口光学环形器(5)的第二个端口通过光纤线缆级联布拉格光纤光栅，三端口光学环形器(5)的第一个端口与宽带分光滤波器(4)的一个输出端相连；所述准分布式光学传感单元内的器件的工作波长与宽带能量-时间纠缠双光子中的一个光子的波长范围相匹配；

信号解调单元用于将光纤光栅的反射波长，通过量子光源特有的量子关联作用，转换为与波长相关的光子探测和两个单光子探测器输出的符合计数；信号解调单元包括光学分束器(10)及与光波长相关的光学衰减器(11)，光学分束器(10)的输入端与宽带分光滤波器(4)的另一个输出端相连，光学分束器(10)的一个输出端与光学衰减器(11)的输入端连接；其中，光学分束器(10)和光学衰减器(11)的工作波长与宽带能量-时间纠缠双光子中的另一个光子的波长范围相匹配；

物理信息获取单元用于实现时间相关的单光子探测和符合计数测量，并根据测量结果计算分析获得准分布式光学传感单元的物理信息。

2.根据权利要求1所述的准分布式光学传感装置，其特征在于，所述的宽带能量-时间纠缠双光子源包括激光泵浦源(1)、泵浦滤波器(2)、非线性光学媒质(3)和宽带分光滤波器(4)，激光泵浦源(1)、泵浦滤波器(2)、非线性光学媒质(3)和宽带分光滤波器(4)依次连接。

3.根据权利要求2所述的准分布式光学传感装置，其特征在于，所述的激光泵浦源(1)包括半导体激光器、气体激光器、染料激光器和固体激光器中的任一种脉冲或者直流激光光源。

4.根据权利要求2所述的准分布式光学传感装置，其特征在于，所述的泵浦滤波器(2)为环形器加光纤光栅组成的滤波器件、多层镀膜光学滤波器、微机电系统光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一种或任意几种的组合；泵浦滤波器(2)的透射波长与激光泵浦源(1)的中心波长保持一致。

5.根据权利要求2所述的准分布式光学传感装置，其特征在于，所述的非线性光学媒质(3)为二阶非线性光学晶体、二阶非线性光学晶体波导、三阶非线性石英光纤基波导、三阶非线性硅基波导或三阶非线性硫系玻璃基波导中的任意一种。

6.根据权利要求2所述的准分布式光学传感装置，其特征在于，所述的宽带分光滤波器(4)为环形器加光纤光栅组成的滤波器件、多层镀膜光学滤波器、微机电系统光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一种或任意几种的组合。

7.根据权利要求1所述的准分布式光学传感装置，其特征在于，所述的物理信息获取单元具体包括多个单光子探测器、时间数字转换器和计算机(15)，第一单光子探测器(12)的输入端与三端口光学环形器(5)的第三个端口相连，第二单光子探测器(13)的输入端与光学衰减器(11)的输出端连接，第三单光子探测器(14)的输入端与光学分束器(10)的另一个输出端连接，第一单光子探测器(12)、第二单光子探测器(13)和第三单光子探测器(14)的输出端分别与计算机(15)相连，计算机(15)还与时间数字转换器连接。

8.根据权利要求7所述的准分布式光学传感装置，其特征在于，所述的单光子探测器采用基于雪崩光电二极管或者超导波导器件，所述的时间数字转换器采用基于单片机、可编程逻辑器件、数字信号处理芯片、嵌入式芯片和专用的延时取与器件中的一种或多种器件实现。