CN110266393A - 一种用于确定amzi偏振无关温控条件的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定AMZI偏振无关温控条件的装置及方法，包括激光器(1)、光斩波器(2)、扰偏器(3)、可调光衰减器(4)、待测AMZI(5)、偏振分束器(6)、门控式单光子探测器(7)、信号发生器(8)、温度控制器(9)、计算机(10)以及光功率计(11)。利用该方法可以分别确定在偏振分束器(6)的TE模分量和TM模分量下温度与单光子探测计数的关系曲线，比较两个关系曲线相位相同点对应的温度区域即得AMZI单光子干涉偏振无关的温控条件。

Description

一种用于确定AMZI偏振无关温控条件的装置及方法
技术领域
本发明涉及光波导器件在单光子量级下干涉特性研究的技术领域，尤其涉及一种用于确定AMZI偏振无关温控条件的装置及方法。
背景技术
近年来，量子通信技术得到飞速发展，尤其是基于量子密钥分发(QKD)的量子保密通信系统已经步入商业化。但目前商用设备具有器件分立、集成度低、体积大、长期稳定性差等缺点，量子集成波导芯片可以有效解决以上问题，干涉仪在量子信息调制、量子信息编码等应用中具有十分重要的地位，尤其是基于非对称马赫泽德干涉仪(AMZI)波导芯片在QKD量子态编码中应用十分普遍，因此对AMZI波导芯片单光子干涉性能的研究具有重大意义，针对AMZI波导芯片干涉的温漂现象，目前普遍采用加温控的方法，但是在量子信道中量子态受信道偏振干扰影响严重，因此确定波导型AMZI芯片单光子干涉偏振无关的温控条件，成为了亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本发明提供了一种用于确定AMZI偏振无关的温控条件的装置及方法，以确定波导型AMZI芯片单光子干涉偏振无关的温度条件，以避免量子信道中量子态受信道偏振干扰的影响。
(二)技术方案
第一方面，本发明提供了一种用于确定AMZI偏振无关温控条件的装置，具体用于确定波导型AMZI单光子干涉偏振无关的温控条件，包括：第一装置，用于获取光波的平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值，包括依次连接的激光器1、光斩波器2、光功率计11以及与光斩波器2连接的信号发生器8，其中，激光器1用于产生连续光波，信号发送器8用于产生调制方波信号，光斩波器2根据调制方波将连续光波调制成光脉冲序列，光功率计11用于测量光脉冲序列的平均功率；第二装置，用于基于目标衰减值获得AMZI偏振无关的温控条件，包括依次连接的激光器1、光斩波器2、扰偏器3、可调光衰减器4、待测AMZI5、偏振分束器6、门控式单光子探测器7，以及计算机10、温度控制器9与信号发生器8，其中，信号发生器8用于产生调制方波信号以及同步信号，信号发生器8与光斩波器2以及门控式单光子探测器7连接，以将调制方波信号发送至光斩波器2，并将同步信号发送至门控式单光子探测器7，计算机10与温度控制器9通信连接，通过其控制待测AMZI5的温度，此外，计算机10与门控式单光子探测器7通信连接。
优选地，第一装置中激光器1、光斩波器2、光功率计11之间采用光纤进行连接，光斩波器2与信号发生器8之间采用射频电缆进行连接；以及第二装置中激光器1、光斩波器2、扰偏器3、可调光衰减器4、待测AMZI5、偏振分束器6、门控式单光子探测器7之间采用光纤进行连接，信号发生器8与光斩波器2以及门控式单光子探测器7之间采用射频电缆进行连接。
优选地，偏振分束器6包括TE模输出端和TM模输出端，偏振分束器6的TE模输出端或TM模输出端与门控式单光子探测器7连接。
优选地，信号发生器8输出的调制方波信号的周期T、占空比r，其与门控式单光子探测器7的门宽G以及待测AMZI5的延时时间D的关系为：T-D＞T×r＞2D+G，其中，0＜r＜1。
优选地，光斩波器2调制3dB带宽H满足：H＞10/(T×r)。
优选地，可调光衰减器4的衰减范围为0～90dB。
优选地，待测AMZI5的材料为二氧化硅、硅或氮氧化硅中的一种。
优选地，待测AMZI5包括长臂延时线5-2以及短臂5-3，其中，长臂延时线5-2和短臂5-3的长度不相等。
优选地，扰偏器3的扰偏周期Tpol与长臂延时线5-2所产生的延时时间D满足如下关系：
Tpol＞100×D。
第二方面，本发明提供了一种基于上述的用于确定AMZI偏振无关的温控条件的装置的确定温控条件的方法，包括：S1，采用第一装置获取平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值；S2，将第二装置中的可调光衰减器3中的衰减值设为目标衰减值，并将偏振分束器6的TE模输出端与门控式单光子探测器7连接；S3，通过计算机10控制门控式单光子探测器7的扫描触发延时，得到每一触发延时点与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，进而得出干涉区域中间处对应的目标触发延时点；S4，将门控式单光子探测器7的触发延时设置为目标触发延时点，通过温度控制器9调节待测AMZI5的温度以调节所述待测AMZI5的相位，并获得每一温度下对应的1秒内探测的单光子个数的累加值，得到TE模分量下温度与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，即第一关系曲线；S5，将步骤S2中的偏振分束器6的TM模输出端与门控式单光子探测器7连接，重复步骤S3～S4，以得到TM模分量下温度与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，即第二关系曲线；S6，比较第一关系曲线与第二关系曲线，以得到第一关系曲线与第二关系曲线相位相同点对应的温度区域即为AMZI偏振无关的温控条件。
(三)有益效果
本发明提供了一种用于确定AMZI偏振无关的温控条件的装置及方法，基于该装置，利用该方法可以确定偏振分束器6分别在TE模分量和TM模分量下温度与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，比较两个关系曲线相位相同点对应的温度区域即为所述AMZI偏振无关的温控条件。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的待测AMZI5芯片的结构示意图；
图2示意性示出了本公开实施例的第一装置的结构示意图；
图3示意性示出了本公开实施例的第二装置的结构示意图；
图4示意性示出了本公开实施例的用于确定AMZI偏振无关的温控条件的方法步骤图；
图5示意性示出了本公开实施例的1s累加计数值与触发延时的关系曲线；
图6示意性示出了本公开实施例的第一关系曲线与第二关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
第一方面，本发明提供了一种用于确定AMZI偏振无关的温控条件的装置，具体用于确定波导型AMZI单光子干涉偏振无关的温控条件，装置包括：第一装置，用于获取连续光波的平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值，包括依次连接的激光器1、光斩波器2、光功率计11以及与光斩波器2连接的信号发生器8，其中，激光器1用于产生连续光波，信号发送器8用于产生调制方波信号，光斩波器2根据调制方波将连续光波调制成光脉冲序列，光功率计11用于测量光脉冲序列的平均功率；第二装置，用于基于目标衰减值获得AMZI偏振无关的温控条件，包括依次连接的激光器1、光斩波器2、扰偏器3、可调光衰减器4、待测AMZI5、偏振分束器6、门控式单光子探测器7，以及计算机10、温度控制器9与信号发生器8，其中，信号发生器8用于产生调制方波信号以及同步信号，信号发生器8与光斩波器2以及门控式单光子探测器7连接，以将调制方波信号发送至光斩波器2，并将同步信号发送至门控式单光子探测器7，计算机10与温度控制器9通信连接，通过其控制待测AMZI5的温度，此外，计算机10与门控式单光子探测器7通信连接。该待测AMZI5的材料不限，可以为二氧化硅、硅或氮氧化硅等，参见图1，该待测AMZI5芯片包括输入端定向耦合器5-1、长臂延时线5-2、短臂5-3、输出端定向耦合器5-4以及由光纤阵列5-5耦合的两端面，其中，长臂延时线5-2和短臂5-3的长度不相等。具体的以下将以具体实施例对该装置进行详细介绍。
第一装置，用于获取光波的平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值，包括依次连接的激光器1、光斩波器2、光功率计11以及与光斩波器2连接的信号发生器8；
具体的，参见图2，第一装置，包括激光器1、光斩波器2、光功率计11以及信号发生器8，其中，激光器1、光斩波器2以及光功率计11通过光纤依次连接，信号发生器8通过射频电缆与光斩波器2连接，激光器用于产生连续光波，并将连续光波发生至光斩波器2，信号发生器8产生调制方波信号，并通过射频电缆发生至光斩波器2，光斩波器2在调制方波的作用下将连续光波调制成光脉冲序列，光功率计11用于测量光脉冲序列的平均功率，根据该功率及调制方波的重复频率即可得到光波的平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值以备后续使用，具体计算公式如下：
其中，Att.为目标衰减值，为光波的功率，f为调制方波信号的频率，λ为光源波长，h为普朗克常量，c为真空中光速。
另外，光斩波器2可以为任意原理光斩波器，如液晶光斩波器、马赫泽德式光斩波器或机械斩波器等，其调制3dB带宽H需满足：H＞10/(T×r)，其中，T为信号发生器8输出的调制方波信号的周期，r为占空比，0＜r＜1。
第二装置，用于基于目标衰减值获得AMZI偏振无关的温控条件，包括依次连接的激光器1、光斩波器2、扰偏器3、可调光衰减器4、待测AMZI5、偏振分束器6、门控式单光子探测器7，以及计算机10、温度控制器9与信号发生器8，其中，信号发生器8用于产生调制方波信号以及同步信号，信号发生器8与光斩波器2以及门控式单光子探测器7连接，以将调制方波信号发送至光斩波器2，并将同步信号发送至门控式单光子探测器7，计算机10与温度控制器9通信连接，通过其控制待测AMZI5的温度，此外，计算机10与门控式单光子探测器7通信连接。
具体的，参见图3，第二装置，包括激光器1、光斩波器2、扰偏器3、可调光衰减器4、待测AMZI5、偏振分束器6、门控式单光子探测器7、计算机10、温度控制器9以及信号发生器8，其中，激光器1、光斩波器2、扰偏器3、可调光衰减器4、待测AMZI5、偏振分束器6以及门控式单光子探测器7通过光纤依次连接，计算机10与门控式单光子探测器7通信连接，温度控制器9设于待测AMZI5芯片下(如图1所示)，用于控制待测AMZI5芯片的温度，该温度控制器9的温度调节范围应尽量宽，其控制精度应大于0.01摄氏度，并与计算机通信连接。信号发生器8通过射频电缆与光斩波器2以及门控式单光子探测器7连接，信号发生器8除了能产生调制方波信号外还产生同步信号，本装置中，信号发生器8通过射频电缆将调制方波信号发送至光斩波器2，将同步信号发送至门控式单光子探测器7。
激光器1、光斩波器2以及信号发生器8与第一装置中的激光器1、光斩波器2以及信号发生器8型号相同。
扰偏器3用于扰乱输入光脉冲序列的偏振态，使得输入光脉冲序列偏振态随机化，扰偏周期Tpol与长臂延时线5-2所产生的延时时间D满足如下关系：
Tpol＞100×D。
信号发生器8输出的调制方波信号的周期T、占空比r(0＜r＜1)保持一致，且与门控式单光子探测器5门宽G和待测AMZI5延时时间D的关系满足：T-D＞T×r＞2×D+G。
可调光衰减器3用于对光功率进行衰减，其可为任意原理光衰减器，如法兰式光衰减器、马赫泽德式光衰减器、基于载流子吸收原来的光衰减器等，其衰减数值范围为0～90dB。
本发明实施例中，偏振分束器6包括TE模输出端和TM模输出端，这两个输出端可相互切换，偏振分束器6用于将接收的光波分成TE模与TM模两种偏振光波，偏振分束器6的TE模输出端或TM模输出端与门控式单光子探测器7连接。
门控式单光子探测器7为门控式探测器，其具备触发延时可调、计数累加以及与计算机通信的功能。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于上述确定AMZI偏振无关的温控条件的装置的方法，参见图4，包括：
S1，采用第一装置获取平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值；
具体的，激光器1产生连续光波，并将连续光波发生至光斩波器2，信号发生器8产生调制方波信号，并通过射频电缆发生至光斩波器2，光斩波器2在调制方波的作用下将连续光波调制成光脉冲序列，光功率计11测量光脉冲序列的平均功率，根据该功率及调制方波的重复频率即可得到光波的平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值以备后续使用，具体计算公式如下：
其中，Att.为目标衰减值，为光波的功率，f为调制方波信号的频率，λ为光源波长，h为普朗克常量，c为真空中光速。
S2，将第二装置中的可调光衰减器3中的衰减值设为目标衰减值，并将偏振分束器6的TE模输出端与门控式单光子探测器7连接；
具体的，将第二装置中的可调光衰减器3的衰减值设为步骤S1中的目标衰减值，并将偏振分束器6的TE模输出端与门控式单光子探测器7连接。
S3，通过计算机10控制门控式单光子探测器7的扫描触发延时，得到每一触发延时点与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，进而得出干涉区域中间处对应的目标触发延时点；
具体的，步骤S3之前还包括：将信号发生器8的调制方波信号发送至光斩波器2，将信号发生器8的同步信号发送至门控式单光子探测器7，以触发门控式单光子探测器7开门探测光子。信号发生器8的调制方波信号通过射频电缆发送至光斩波器2，用于将激光器1发送的连续光波调制为光脉冲序列，同时信号发生器8通过射频电缆将同步信号发生至门控式单光子探测器7，以触发门控式单光子探测器7开门探测光子，并通过计算机10控制门控式单光子探测器7的扫描触发延时，得到每一触发延时点与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值(1s累加计数值)的关系曲线，从该关系曲线中1s累加计数值大于零的区域即为干涉区域(如图5所示)，干涉区域中间处对应的触发延时点即为目标触发延时点。
S4，将门控式单光子探测器7的触发延时设置为目标触发延时点，通过温度控制器9调节待测AMZI5的温度以调节待测AMZI5的相位，并获得每一温度下对应的1秒内探测的单光子个数的累加值，得到TE模分量下温度与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，即第一关系曲线；
具体的，将门控式单光子探测器7的触发延时设置为目标触发延时点，通过温度控制器9调节待测AMZI5的温度以调节待测AMZI5的相位，每变化一次温度步进，待门控式单光子探测器7探测计数值平稳，得到多个温度下对应的1s累加计数值，并传输至计算机10，得到TE模分量下温度与对应的1s累加计数值的关系曲线，为表述方便，此处定义为第一关系曲线。
S5，将步骤S2中的偏振分束器6的TM模输出端与门控式单光子探测器7连接，重复步骤S3～S4，以得到TM模分量下温度与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，即第二关系曲线；
具体的，将步骤S2中的偏振分束器6的TM模输出端与门控式单光子探测器7连接，其他装置设置不变，重复步骤S3～S4，以得到TM模分量下温度与对应的1s累加计数值的关系曲线，即第二关系曲线。
S6，比较第一关系曲线与第二关系曲线，以得到第一关系曲线与第二关系曲线相位相同点对应的温度区域即为AMZI偏振无关的温控条件。
具体的，比较第一关系曲线与第二关系曲线，即可得到第一关系曲线与第二关系曲线中曲线相位相同点对应的温度区域，如图6中的虚线框区域，此温度区域即为AMZI偏振无关的温控区域。
综上所述，本发明提供了一种用于确定AMZI偏振无关的温控条件的装置及方法，基于该装置，利用该方法可以确定偏振分束器6在TE模分量和TM模分量下温度与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，比较两个关系曲线相位相同点对应的温度区域即为AMZI偏振无关的温控条件，操作简单，易于实现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于确定AMZI偏振无关温控条件的装置，具体用于确定波导型AMZI单光子干涉偏振无关的温控条件，所述装置包括：
第一装置，用于获取光波的平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值，包括依次连接的激光器(1)、光斩波器(2)、光功率计(11)，以及与所述光斩波器(2)连接的信号发生器(8)，其中，激光器(1)用于产生连续光波，信号发生器(8)用于产生调制方波信号，光斩波器(2)根据所述调制方波将所述连续光波调制成光脉冲序列，光功率计(11)用于测量所述光脉冲序列的平均功率；
第二装置，用于基于所述目标衰减值获得AMZI偏振无关的温控条件，包括依次连接的激光器(1)、光斩波器(2)、扰偏器(3)、可调光衰减器(4)、待测AMZI(5)、偏振分束器(6)、门控式单光子探测器(7)，以及计算机(10)、温度控制器(9)与信号发生器(8)，其中，信号发生器(8)产生同步信号与调制方波信号，所述信号发生器(8)与所述光斩波器(2)以及门控式单光子探测器(7)连接，以将所述调制方波信号发送至所述光斩波器(2)，并将所述同步信号发送至所述门控式单光子探测器(7)，所述计算机(10)与温度控制器(9)通信连接，通过其控制所述待测AMZI(5)的温度，此外，所述计算机(10)与门控式单光子探测器(7)通信连接。
2.根据权利要求1所述的装置，所述第一装置中所述激光器(1)、光斩波器(2)、光功率计(11)之间采用光纤进行连接，所述光斩波器(2)与所述信号发生器(8)之间采用射频电缆进行连接；以及
所述第二装置中所述激光器(1)、光斩波器(2)、扰偏器(3)、可调光衰减器(4)、待测AMZI(5)、偏振分束器(6)、门控式单光子探测器(7)之间采用光纤进行连接，所述信号发生器(8)与所述光斩波器(2)以及门控式单光子探测器(7)之间采用射频电缆进行连接。
3.根据权利要求1所述的装置，所述偏振分束器(6)包括TE模输出端和TM模输出端，所述偏振分束器(6)的TE模输出端或TM模输出端与所述门控式单光子探测器(7)连接。
4.根据权利要求1所述的装置，所述信号发生器(8)输出的调制方波信号的周期T、占空比r，其与所述门控式单光子探测器(7)的门宽G以及待测AMZI(5)的延时时间D的关系为：
T-D＞T×r＞2D+G
其中，0＜r＜1。
5.根据权利要求4所述的装置，所述光斩波器(2)调制3dB带宽H满足：H＞10/(T×r)。
6.根据权利要求1所述的装置，所述可调光衰减器(4)的衰减范围为0～90dB。
7.根据权利要求1所述的装置，所述待测AMZI(5)的材料为二氧化硅、硅或氮氧化硅中的一种。
8.根据权利要求1所述的装置，所述待测AMZI(5)包括长臂延时线(5-2)以及短臂(5-3)，其中，长臂延时线(5-2)和短臂(5-3)的长度不相等。
9.根据权利要求8所述的装置，所述扰偏器(3)的扰偏周期Tpol与所述长臂延时线(5-2)所产生的延时时间D满足如下关系：
Tpol＞100×D。
10.一种基于权利要求1～9中任意一项所述的用于确定AMZI偏振无关的温控条件的装置的确定温控条件的方法，包括：
S1，采用所述第一装置获取平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值；
S2，将所述第二装置中的可调光衰减器(4)中的衰减值设为所述目标衰减值，并将所述偏振分束器(6)的TE模输出端与所述门控式单光子探测器(7)连接；
S3，通过计算机(10)控制所述门控式单光子探测器(7)的扫描触发延时，得到每一触发延时点与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，进而得出干涉区域中间处对应的目标触发延时点；
S4，将门控式单光子探测器(7)的触发延时设置为所述目标触发延时点，通过所述温度控制器(9)调节所述待测AMZI(5)的温度以调节所述待测AMZI(5)的相位，并获得每一温度下对应的1秒内探测的单光子个数的累加值，得到TE模分量下温度与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，即第一关系曲线；
S5，将所述步骤S2中的偏振分束器(6)的TM模输出端与门控式单光子探测器(7)连接，重复步骤S3～S4，以得到TM模分量下温度与对应的1秒内探测的单光子个数的累加值的关系曲线，即第二关系曲线；
S6，比较所述第一关系曲线与第二关系曲线，以得到所述第一关系曲线与第二关系曲线相位相同点对应的温度区域即为所述AMZI偏振无关的温控条件。
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