CN110492933B - 不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置和测量方法，包括主控模块、激光器、光环形器、不等臂干涉仪、光学反射器、衰减器和探测器，所述主控模块分别与激光器和不等臂干涉仪电连接，所述激光器与探测器电连接，所述激光器与环形器的端口1通过光纤连接，所述环形器的端口2与不等臂干涉仪通过光纤连接，所述不等臂干涉仪与光学反射器通过光纤连接，所述环形器的端口3与衰减器通过光纤连接，所述衰减器与探测器通过光纤连接。本发明可以抵消光纤双折射造成的偏振影响和消除干涉仪本身造成的相位漂移影响。

Description

不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置的测量方法
技术领域
本发明涉及光纤通信和量子通信相关技术领域，特别涉及采用不等臂干涉仪编码系统进行信息的调制和解调，典型的系统为基于BB84协议相位编码的量子密钥分发系统，使用不等臂干涉仪进行四相位量子态的调制，具体是一种不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置和测量方法。
背景技术
在光纤通信和量子通信领域，常会用到不等臂干涉仪进行信号的调制和解调。在调制和解调的过程中，需要进行相位调制的精确加载控制。
不等臂干涉仪中对信号调制和解调的关键器件为相位调制器，常规的测量方法是搭建光纤干涉仪测量相位调制器的四相位电压，然而一般的光纤干涉仪会存在光纤双折射的影响，导致偏振态的变化而影响最终四相位电压的测量精度；特殊的光纤干涉仪会消除光纤双折射的影响，但是不具有普适性。其次，光纤干涉仪本身会存在相位漂移等影响测量的精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置和测量方法，本不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置和测量方法可以抵消光纤双折射造成的偏振影响和消除干涉仪本身造成的相位漂移影响。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置，包括主控模块、激光器、光环形器、不等臂干涉仪、光学反射器、衰减器和探测器，所述主控模块分别与激光器和不等臂干涉仪电连接，所述激光器与探测器电连接，所述激光器与环形器的端口1通过光纤连接，所述环形器的端口2与不等臂干涉仪通过光纤连接，所述不等臂干涉仪与光学反射器通过光纤连接，所述环形器的端口3与衰减器通过光纤连接，所述衰减器与探测器通过光纤连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述不等臂干涉仪包括长臂和短臂，所述不等臂干涉仪的长臂上有相位调制器，所述主控模块与不等臂干涉仪的相位调制器电连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述光学反射器为法拉第旋转反射镜。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述不等臂干涉仪为法拉第迈克学干涉仪。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述不等臂干涉仪为单模马赫曾德干涉仪，所述光学反射器为法拉第旋转反射镜。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述不等臂干涉仪为保偏马赫曾德干涉仪，所述光学反射器为保偏反射器件。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置的测量方法，包括以下步骤：
主控模块控制激光器发出脉冲光，脉冲光经过环形器的端口1和端口2，第一次经过不等臂干涉仪输出短臂脉冲s和长臂脉冲l，不等臂干涉仪的长臂上有相位调制器，在光信号到达的时刻，主控模块在相位调制器上加载电信号V1，控制输出光的相位，默认电信号V1 作为相位0π的电信号加载值；
输出的短臂脉冲s和长臂脉冲l到达光学反射器，返回至不等臂干涉仪，第二次经过不等臂干涉仪输出的脉冲为四个脉冲，分别为光脉冲ss、光脉冲sl、光脉冲ls以及光脉冲ll，光脉冲第二次经过不等臂干涉仪的长臂时，主控模块加载电信号V2至相位调制器，控制输出光的相位；
输出的光脉冲sl和光脉冲ls满足光的干涉条件，两个光脉冲会进行干涉形成一个脉冲信号；
干涉形成的脉冲信号经过环形器的端口2和端口3，再经过衰减器后到达探测器，探测器根据激光器提供的同步信号从而在干涉信号到达的时刻进行开门探测，探测器统计1s内的探测计数值，根据探测器探测的计数值判断第二次经过不等臂干涉仪的长臂时对相位调制器加载的四相位电压。
本发明的有益效果为：本发明可以抵消光纤双折射造成的影响，消除偏振态变化对测量的影响；采用往返式结构，抵消干涉仪本身漂移造成的影响；本发明适用于任何形式的不等臂干涉仪四相位电压的精确测量。
附图说明
图1为本实施例结构示意图。
图2为本实施例光信号输出示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图2对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
本实施例提供一种不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置，如图1所示，包括主控模块、激光器、光环形器、不等臂干涉仪、光学反射器、衰减器和探测器，主控模块分别与激光器和不等臂干涉仪电连接，激光器与探测器电连接，所述激光器与环形器的端口1通过光纤连接，所述环形器的端口2与不等臂干涉仪通过光纤连接，所述不等臂干涉仪与光学反射器通过光纤连接，所述环形器的端口3与衰减器通过光纤连接，所述衰减器与探测器通过光纤连接。
不等臂干涉仪包括长臂和短臂，所述不等臂干涉仪的长臂上有相位调制器，主控模块与不等臂干涉仪的相位调制器电连接。
本实施例的环形器也可以为隔离器加光分束器组成。
本实施例的光学反射器最优为法拉第旋转反射镜。针对不同的干涉仪也可以为反射镜、反射式光纤布拉格光栅等具有反射作用的器件；例如：当不等臂干涉仪为法拉第迈克学干涉仪时，则具有反射作用的器件均可；当不等臂干涉仪为单模马赫曾德干涉仪时，为抵消光纤偏振变化对测量的影响，选择法拉第旋转反射镜；当不等臂干涉仪为保偏马赫曾德干涉仪时，选择保偏反射器件也可。
本实施例的衰减器也可以放置在其它任意光纤连接处。
本实施例各个部件的作用：
主控模块：驱动激光器发光、加载调制信号至不等臂干涉仪的相位调制器，控制相位调制器输出相位；
激光器：发出脉冲光信号、提供同步信号至探测器，作为探测器开门信号的触发源；
环形器：三端口单向导通器件；1口进2口出，2口进3口出；
不等臂干涉仪：待测试部件；
光学反射器：将光信号反射至原路径传输，特殊的为法拉第旋转反射镜，将光的偏振旋转90度反射至原路径传输；
衰减器：控制光信号到达探测器的强度；
探测器：对干涉的信号进行提取计数。
本实施例还提供一种不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置的测量方法，包括以下步骤：
主控模块控制激光器发出脉冲光，脉冲光经过环形器的端口1和端口2，第一次经过不等臂干涉仪输出短臂脉冲s和长臂脉冲l(如图2所示)，不等臂干涉仪的长臂上有相位调制器，在光信号到达的时刻，主控模块在相位调制器上加载电信号V1，控制输出光的相位；由于相位是相对量，所以可以设置默认的参考电信号V1作为相位0π的电信号加载值，即从不等臂干涉仪第一次输出的脉冲信号，长臂脉冲l上加载相位0π；
输出的短臂脉冲s和长臂脉冲l到达光学反射器，返回至不等臂干涉仪，第二次经过不等臂干涉仪输出的脉冲为四个脉冲，分别为光脉冲ss、光脉冲sl、光脉冲ls以及光脉冲ll(如图2所示)，光脉冲第二次经过不等臂干涉仪的长臂时，主控模块加载电信号V2至相位调制器，控制输出光的相位，相位为ψ2；
输出的光脉冲sl和光脉冲ls满足光的干涉条件，两个光脉冲会进行干涉形成一个脉冲信号；
干涉形成的脉冲信号经过环形器的端口2和端口3，再经过衰减器后到达探测器，探测器根据激光器提供的同步信号从而在干涉信号到达的时刻进行开门探测，探测器统计1s内的探测计数值，根据探测器探测的计数值和干涉公式判断第二次经过不等臂干涉仪的长臂时对相位调制器加载的四相位电压。
注：干涉公式：P＝2I2*[1+cos(ψ2-ψ1)]；其中ψ2为第二次经过不等臂干涉仪加载的相位，ψ1为第一次经过不等臂干涉仪加载的相位，I为干涉前脉冲的幅度，P为干涉输出光强。
具体地，在一个脉冲周期内，将脉冲连续两次通过不等臂干涉仪加载不同的相位，以其中一次加载相位值为参考，另一相位值作为待测量值。例如：需要分别加载0π、π/2、π、3π/2四相位态，当光信号第一次经过不等臂干涉仪加载初始参考相位设置为0π，则需要在光信号第二次经过不等臂干涉仪时加载待测量的相位。
例如：当光信号第一次和第二次均加载0π电压时，得到探测计数Nmax，改变光信号第二次加载的电压，当探测计数为Nmax/2时，此时的电压点即为π/2电压；当探测计数达到最小 Nmin时，此时的电压点即为π电压；当探测计数再次为Nmax/2时，此时的电压点即为3π/2 电压。由此方法可以精确测量不等臂光纤干涉仪的四相位电压值。
然而单光子探测器本身会存在暗计数等噪声的影响，探测计数最大值为默认参考值，探测计数最小值取值也不会受到暗计数等噪声的影响，但是实际Nmax/2计数的取值需要考虑暗计数等噪声的影响。单光子探测器主要的噪声包括暗计数和后脉冲影响，探测计数Nmax需减去暗计数和后脉冲计数；探测计数为Nmax/2时，也需减去对应的暗计数和后脉冲计数；减去噪声计数后的比值为2:1。此时得到的电压值为精确测量结果。
本实施例提出的不等臂干涉仪四相位电压的测量装置和方法，可以消除偏振扰动和干涉仪本身漂移造成的影响，达到精确测量的效果。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置的测量方法，其特征在于，其中不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置包括主控模块、激光器、光环形器、不等臂干涉仪、光学反射器、衰减器和探测器，所述主控模块分别与激光器和不等臂干涉仪电连接，所述激光器与探测器电连接，所述激光器与环形器的端口1通过光纤连接，所述环形器的端口2与不等臂干涉仪通过光纤连接，所述不等臂干涉仪与光学反射器通过光纤连接，所述环形器的端口3与衰减器通过光纤连接，所述衰减器与探测器通过光纤连接；
测量方法包括以下步骤：
主控模块控制激光器发出脉冲光，脉冲光经过环形器的端口1和端口2，第一次经过不等臂干涉仪输出短臂脉冲s和长臂脉冲l，不等臂干涉仪的长臂上有相位调制器，在光信号到达的时刻，主控模块在相位调制器上加载电信号V1，控制输出光的相位，默认电信号V1作为相位0π的电信号加载值；
输出的短臂脉冲s和长臂脉冲l到达光学反射器，返回至不等臂干涉仪，第二次经过不等臂干涉仪输出的脉冲为四个脉冲，分别为光脉冲ss、光脉冲sl、光脉冲ls以及光脉冲ll，光脉冲第二次经过不等臂干涉仪的长臂时，主控模块加载电信号V2至相位调制器，控制输出光的相位；
输出的光脉冲sl和光脉冲ls满足光的干涉条件，两个光脉冲会进行干涉形成一个脉冲信号；
干涉形成的脉冲信号经过环形器的端口2和端口3，再经过衰减器后到达探测器，探测器根据激光器提供的同步信号从而在干涉信号到达的时刻进行开门探测，探测器统计1s内的探测计数值，根据探测器探测的计数值判断第二次经过不等臂干涉仪的长臂时对相位调制器加载的四相位电压。
2.根据权利要求1所述的不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置的测量方法，其特征在于，所述光学反射器为法拉第旋转反射镜。
3.根据权利要求1所述的不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置的测量方法，其特征在于，所述不等臂干涉仪为法拉第迈克学干涉仪。
4.根据权利要求1所述的不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置的测量方法，其特征在于，所述不等臂干涉仪为单模马赫曾德干涉仪，所述光学反射器为法拉第旋转反射镜。
5.根据权利要求1所述的不等臂干涉仪的四相位电压精确测量装置的测量方法，其特征在于，所述不等臂干涉仪为保偏马赫曾德干涉仪，所述光学反射器为保偏反射器件。
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