CN112304444B - 一种用于单光子干涉可见度的测量装置及方法 - Google Patents

一种用于单光子干涉可见度的测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于单光子干涉可见度的测量装置及方法，装置包括：激光器(1)、光斩波器(2)、可调光衰减器(3)、待测AMZI(4)、门控式单光子探测器(5)、计算机(9)、信号发生器(6)、光功率计(8)，以及相位调节系统(7)。利用该方法可以确定单光子探测计数随待测AMZI(4)相位变化的曲线，根据曲线中单光子探测计数的最大值和最小值计算单光子干涉可见度。可以直接对任意延时AMZI干涉仪单光子干涉可见度进行测量，并且可测量单个AMZI干涉仪单光子干涉的可见度。

Description

一种用于单光子干涉可见度的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光学器件测试技术领域，尤其涉及一种用于单光子干涉可见度的测量装置及方法。
背景技术
近年来，光子技术与量子信息技术取得飞速发展，光子由于其多维的自由度，成为量子态编码载体的优质选择，此外由于光子传播速度快，即为光速，因此成为量子通信中信息传递的物质载体。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，尤其非对称马赫泽德干涉仪(AMZI)在量子通信编码中的应用十分普遍，因此对AMZI量子干涉性能的研究具有重大意义，传统方法测量AMZI单光子干涉可见度存在两个问题，一是需要级联两个延时量相等的AMZI，无法对单一AMZI的单个乃至干涉可见度进行直接测量；二是当AMZI延时量小于单光子探测器(SPD)门宽时，单光子探测器(SPD)将无法清晰分辨干涉峰，因而无法准确测量单光子干涉可见度。因此，急需一种直接测量任意延时AMZI的单光子干涉可见度的技术。
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单光子干涉可见度的测量装置及方法，可以直接对任意延时AMZI干涉仪单光子干涉可见度进行测量，并且可测量单个AMZI干涉仪单光子干涉的可见度。
(二)技术方案
第一方面，本发明提供了一种用于单光子干涉可见度的测量装置，包括：第一装置，包括：依次连接的激光器1、光斩波器2和可调光衰减器3，可切换并列连接于可调光衰减器3的光功率计8和门控式单光子探测器5，以及与光斩波器2和门控式单光子探测器5连接的信号发生器6，其中，激光器1用于发射光波，信号发生器6用于产生调制方波信号以及同步信号，并将调制方波信号发送至光斩波器2以实现光波的调制，将同步信号发送至门控式单光子探测器5以触发门控式单光子探测器5探测光子；第二装置，包括：依次连接的激光器1、光斩波器2、可调光衰减器3、待测AMZI4、门控式单光子探测器5和计算机9，与光斩波器2和门控式单光子探测器5连接的信号发生器6，以及与待测AMZI4和计算机9连接的相位调节系统7，其中，相位调节系统7用于调节待测AMZI4的相位，并将相位调节结果发送至计算机9，门控式单光子探测器5用于测量1秒累加光子数，根据1秒累加光子数的最大值和最小值计算单光子干涉可见度。
可选地，第一装置中的激光器1、光斩波器2和可调光衰减器3通过光纤依次连接，信号发生器6通过射频电缆与所述光斩波器2和门控式单光子探测器5连接；以及第二装置中激光器1、光斩波器2、可调光衰减器3、待测AMZI4、门控式单光子探测器5通过光纤依次连接，计算机9与门控式单光子探测器5以及相位调节系统7通信连接，信号发生器6通过射频电缆与光斩波器2和门控式单光子探测器5连接。
第二方面，本发明提供了一种用于单光子干涉可见度的测量方法，包括：S1，根据第一装置，将光功率计8与可调光衰减器3连接，并将可调光衰减器3设置为0dB，根据光功率计8读数估算平均光子数为0.1/脉冲时的衰减值，得到目标估算衰减值；S2，将光功率计8切换为门控式单光子探测器5，可调光衰减器3设置为S1中所述目标估算衰减值，微调可调光衰减器3，根据门控式单光子探测器5探测计数确定平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值；S3，根据第二装置，将可调光衰减器3的衰减值设为S2中目标衰减值，通过计算机9控制门控式单光子探测器5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5的触发延时点设为S3中目标触发延时点，通过相位调节系统7对待测AMZI4进行连续调相，每隔预设时间测量一次1秒累加光子数的计数值，从而获得1秒累加光子数计数值随相位变化的曲线，根据曲线中计数值的最大值和最小值计算单光子干涉可见度。
可选地，信号发生器6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5的门宽G以及待测AMZI4的延时时间D的关系为：
T-D＞T×r＞2D+G
其中，0＜r＜1。
可选地，光斩波器2调制3dB带宽H满足：H＞10/(T×r)。
可选地，根据计数值的最大值和最小值计算单光子干涉可见度V，具体为：
Figure GDA0003615119820000031
其中，Cmax为计数值的最大值，Cmin为计数值的最小值。
可选地，待测AMZI(4)的形式为光纤器件、分立器件或波导器件中的一种。
可选地，若待测AMZI4的形式为波导器件，相位调节系统7为温度控制器，温度控制器通过控制待测AMZI4的温度以控制其相位；
若待测AMZI4的形式为波导器件，并且具备热光相位调制器，相位调节系统7为直流电源，直流电源通过改变热光相位调制器电压/电流以控制AMZI4的相位；
若待测AMZI4的形式为光纤器件或分立器件中的一种，并且具备电光相位调制器，相位调节系统7为直流电源，直流电源通过改变电光相位调制器电压/电流以控制待测AMZI4的相位。
可选地，待测AMZI4包括：长臂延时线4-1-2和短臂4-1-3，其中，长臂延时线4-1-2和短臂4-1-3的长度不相等。
可选地，调节可调光衰减器3获取平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值，具体为：调节可调光衰减器3使得门控式单光子探测器5的1秒内触发计数值Ntrg、1秒内探测光子计数值Ndet以及探测效率η满足：Ntrg×η×0.1＝Ndet，此时，可调光衰减器3对应的衰减值即为目标衰减值。
(三)有益效果
本发明提供了一种用于单光子干涉可见度的测量装置及方法，至少达到如下有益效果：
相比于传统测量方法，本方法无需级联两个AMZI，可以直接测量单一AMZI的单光子干涉可见度；
传统测量方法中，当待测AMZI延时量小于单光子探测器门宽时，将无法准确测量干涉可见度，本方法克服了这个限制，使得对于具有任意延时量的AMZI都可以准确测量其干涉可见度。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的待测AMZI4芯片以及相位调制系统的结构示意图；
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单光子干涉可见度的测量方法步骤图；
图5示意性示出了本公开实施例的1s累加计数值与AMZI调相温度的关系曲线；
图6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。
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单光子干涉可见度的测量装置，包括：第一装置，包括：依次连接的激光器1、光斩波器2和可调光衰减器3，可切换并列连接于可调光衰减器3的光功率计8和门控式单光子探测器5，以及与光斩波器2和门控式单光子探测器5连接的信号发生器6，其中，激光器1用于发射光波，信号发生器6用于产生调制方波信号以及同步信号，并将调制方波信号发送至光斩波器2以实现光波的调制，将同步信号发送至所述门控式单光子探测器5以触发门控式单光子探测器5探测光子；第二装置，包括：依次连接的激光器1、光斩波器2、可调光衰减器3、待测AMZI4、门控式单光子探测器5和计算机9，与光斩波器2和门控式单光子探测器5连接的信号发生器6，以及与待测AMZI4和计算机9连接的相位调节系统7，其中，相位调节系统7用于调节待测AMZI4的相位，并将相位调节结果发送至计算机9，门控式单光子探测器5用于测量1秒累加光子数，根据1秒累加光子数的最大值和最小值计算单光子干涉可见度。待测AMZI4的形式可以为光纤器件、分立器件、波导器件等，本发明实施例中，以该待测AMZI4为波导器件并且以该相位调节系统7为温度控制器为例对其进行详细介绍，如图1所示，该待测AMZI4包括：输入端定向耦合器4-1-1，长臂4-1-2、短臂4-1-3、输出端定向耦合器4-1-4，其中，长臂延时线4-1-2和短臂4-1-3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，如图2所示，包括：依次连接的激光器1、光斩波器2和可调光衰减器3，可切换并列连接于可调光衰减器3的光功率计8和门控式单光子探测器5，以及与光斩波器2和门控式单光子探测器5连接的信号发生器6，其中，激光器1用于发射光波，信号发生器6用于产生调制方波信号以及同步信号，并将调制方波信号发送至光斩波器2以实现光波的调制，将同步信号发送至所述门控式单光子探测器5以触发门控式单光子探测器5探测光子；
具体的，第一装置包括激光器1、光斩波器2、可调光衰减器3、门控式单光子探测器5、信号发生器6以及光功率计8，其中，激光器1、光斩波器2与可调光衰减器3通过光纤连接，光功率计8和门控式单光子探测器5可切换连接于可调光衰减器3后，信号发生器6通过射频电缆连接于光斩波器2和门控式单光子探测器5，激光器1用于产生连续光波，并将连续光波发送至光斩波器2，信号发生器6产生调制方波信号和同步信号，并将调制方波信号发送至光斩波器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，将同步信号发送至门控式单光子探测器5，以控制门控式单光子探测器5开门探测光子，光功率计8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/脉冲时的目标估算衰减值以备后续使用，具体计算公式如下：
Figure GDA0003615119820000061
其中，Att.为目标衰减值，
Figure GDA0003615119820000062
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6输出的调制方波信号的周期，r为占空比，0＜r＜1。
信号发生器6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5的门宽G以及待测AMZI4的延时时间D的关系为：
T-D＞T×r＞2D+G
其中，0＜r＜1。
可调光衰减器3可以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、基于载流子吸收原理的光衰减器等，其衰减数值范围为0～90dB。
门控式单光子探测器5具备触发延时可调、计数累加以及与计算机通信的功能。
第二装置，如图3所示，包括：依次连接的激光器1、光斩波器2、可调光衰减器3、待测AMZI4、门控式单光子探测器5和计算机9，与光斩波器2和门控式单光子探测器5连接的信号发生器6，以及与待测AMZI4和计算机9连接的相位调节系统7，其中，相位调节系统7用于调节待测AMZI4的相位，并将相位调节结果发送至计算机9，门控式单光子探测器5用于测量1秒累加光子数，根据1秒累加光子数的最大值和最小值计算单光子干涉可见度。
具体的，激光器1、光斩波器2、可调光衰减器3、待测AMZI4和门控式单光子探测器5通过光纤连接，门控式单光子探测器5与计算机9通信连接，信号发生器6通过射频电缆连接于光斩波器2和门控式单光子探测器5，还包括相位调节系统7其设于待测AMZI4芯片下，如图1所示，用于调节待测AMZI4的相位，相位调节系统7对待测AMZI4可以产生0～2π的相位调节。
另一方面，本发明提供了一种基于上述单光子干涉可见度的测量装置的测量方法，参见图4，包括：
S1，根据第一装置，将光功率计8与可调光衰减器3连接，并将可调光衰减器3设置为0dB，根据光功率计8读数估算平均光子数为0.1/脉冲时的衰减值，得到目标估算衰减值；
具体的，第一装置中首先将光功率计8连接于可调光衰减器3，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8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/脉冲时的目标估算衰减值Att.，具体计算公式如下：
Figure GDA0003615119820000071
其中，
Figure GDA0003615119820000072
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。
信号发生器6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5的门宽G以及待测AMZI4的延时时间D的关系为：
T-D＞T×r＞2D+G
其中，0＜r＜1。
光斩波器2调制3dB带宽H满足：H＞10/(T×r)。
S2，将光功率计8切换为门控式单光子探测器5，可调光衰减器3设置为S1中目标估算衰减值，微调可调光衰减器3，根据门控式单光子探测器5探测计数确定平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值；
具体的，第一装置中将光功率计8切换为门控式单光子探测器5连接于可调光衰减器3，并将可调光衰减器3设置为S1中目标估算衰减值，此时，信号发生器6产生调制方波信号和同步信号，并将调制方波信号发送至光斩波器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，将同步信号发送至门控式单光子探测器5，以控制门控式单光子探测器5开门探测光子，微调可调光衰减器3，使得门控式单光子探测器5的1秒内触发计数值Ntrg、1秒内探测光子计数值Ndet以及探测效率η满足：Ntrg×η×0.1＝Ndet，此时，可调光衰减器3对应的衰减值即为目标衰减值。
S3，根据第二装置，将可调光衰减器3的衰减值设为S2中目标衰减值，通过计算机9控制门控式单光子探测器5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，如图6所示，进而得出干涉区域中间处对应的目标触发延时点；
其中，可调光衰减器3可以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、基于载流子吸收原理的光衰减器等，其衰减数值范围为0～90dB。
S4，将门控式单光子探测器5的触发延时点设为S3中目标触发延时点，通过相位调节系统7对待测AMZI4进行连续调相，每隔预设时间测量一次1秒累加光子数的计数值，从而获得1秒累加光子数计数值随相位变化的曲线，根据曲线中计数值的最大值和最小值计算单光子干涉可见度。
在第二装置中，本发明实施例中，待测AMZI4的形式可以为光纤器件、分立器件或波导器件。当为波导器件时，相位调节系统7可以为温度控制器，将待测AMZI4置于温度控制器上，缓慢连续改变温度以对待测AMZI4进行相位调节，即可得到如图5所示的1s累加光子数与AMZI调相温度的关系曲线；若待测AMZI4的形式为波导器件，并且具备热光相位调制器，相位调节系统7为直流电源，直流电源通过改变热光相位调制器电压/电流以控制AMZI4的相位；若待测AMZI4的形式为光纤器件或分立器件中的一种，并且具备电光相位调制器，相位调节系统7为直流电源，直流电源通过改变电光相位调制器电压/电流以控制待测AMZI4的相位。以相位调节系统7为温度控制器为例做具体说明，连续稳定改变温度，将门控式单光子探测器5设置为步骤S3中的目标触发延时点，并且每隔2s测量一次1s累加光子数的计数值并通信给计算机9，得到如图5所示的1s累加光子数计数值与温度变化的关系曲线。此关系曲线对应相位在一个周期的变化，其中最大值为Cmax，最小值为Cmin，最终计算出干涉可见度V为：
Figure GDA0003615119820000081
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)

1.一种用于单光子干涉可见度的测量装置，包括：
第一装置，包括：依次连接的激光器(1)、光斩波器(2)和可调光衰减器(3)，可切换并列连接于所述可调光衰减器(3)的光功率计(8)和门控式单光子探测器(5)，以及与所述光斩波器(2)和门控式单光子探测器(5)连接的信号发生器(6)，其中，所述激光器(1)用于发射光波，所述信号发生器(6)用于产生调制方波信号以及同步信号，并将调制方波信号发送至所述光斩波器(2)以实现光波的调制，将同步信号发送至所述门控式单光子探测器(5)以触发所述门控式单光子探测器(5)探测光子；
第二装置，包括：依次连接的激光器(1)、光斩波器(2)、可调光衰减器(3)、待测AMZI(4)、门控式单光子探测器(5)和计算机(9)，与所述光斩波器(2)和门控式单光子探测器(5)连接的信号发生器(6)，以及与所述待测AMZI(4)和计算机(9)连接的相位调节系统(7)，其中，所述相位调节系统(7)用于调节所述待测AMZI(4)的相位，并将相位调节结果发送至所述计算机(9)，门控式单光子探测器(5)用于测量1秒累加光子数，根据所述1秒累加光子数的最大值和最小值计算单光子干涉可见度。
2.根据权利要求1所述的测量装置，所述第一装置中的激光器(1)、光斩波器(2)和可调光衰减器(3)通过光纤依次连接，所述信号发生器(6)通过射频电缆与所述光斩波器(2)和门控式单光子探测器(5)连接；以及
所述第二装置中激光器(1)、光斩波器(2)、可调光衰减器(3)、待测AMZI(4)、门控式单光子探测器(5)通过光纤依次连接，所述计算机(9)与所述门控式单光子探测器(5)以及相位调节系统(7)通信连接，所述信号发生器(6)通过射频电缆与所述光斩波器(2)和门控式单光子探测器(5)连接。
3.一种基于权利要求1或2所述的用于单光子干涉可见度的测量装置的测量方法，包括：
S1，根据所述第一装置，将光功率计(8)与所述可调光衰减器(3)连接，并将可调光衰减器(3)设置为0dB，根据光功率计(8)读数估算平均光子数为0.1/脉冲时的衰减值，得到目标估算衰减值；
S2，将所述光功率计(8)切换为所述门控式单光子探测器(5)，可调光衰减器(3)设置为S1中所述目标估算衰减值，微调所述可调光衰减器(3)，根据门控式单光子探测器(5)探测计数确定平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值；
S3，根据所述第二装置，将所述可调光衰减器(3)的衰减值设为S2中所述目标衰减值，通过所述计算机(9)控制所述门控式单光子探测器(5)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，将所述门控式单光子探测器(5)的触发延时点设为S3中所述目标触发延时点，通过所述相位调节系统(7)对所述待测AMZI(4)进行连续调相，每隔预设时间测量一次1秒累加光子数的计数值，从而获得1秒累加光子数计数值随相位变化的曲线，根据所述曲线中计数值的最大值和最小值计算单光子干涉可见度。
4.根据权利要求3所述的方法，所述信号发生器(6)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(5)的门宽G以及待测AMZI(4)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所述的方法，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3所述的方法，所述根据所述计数值的最大值和最小值计算单光子干涉可见度V，具体为：
Figure FDA0003615119810000021
其中，Cmax为所述计数值的最大值，Cmin为所述计数值的最小值。
7.根据权利要求3所述的方法，所述待测AMZI(4)的形式为光纤器件、分立器件或波导器件中的一种。
8.根据权利要求7所述的方法，若所述待测AMZI(4)的形式为波导器件，所述相位调节系统(7)为温度控制器，所述温度控制器通过控制所述待测AMZI(4)的温度以控制其相位；
若所述待测AMZI(4)的形式为波导器件，并且具备热光相位调制器，所述相位调节系统(7)为直流电源，所述直流电源通过改变热光相位调制器电压/电流以控制AMZI(4)的相位；
若所述待测AMZI(4)的形式为光纤器件或分立器件中的一种，并且具备电光相位调制器，所述相位调节系统(7)为直流电源，所述直流电源通过改变电光相位调制器电压/电流以控制待测AMZI(4)的相位。
9.根据权利要求7所述的方法，待测AMZI(4)的结构包括：长臂延时线(4-1-2)和短臂(4-1-3)，其中，长臂延时线(4-1-2)和短臂(4-1-3)的长度不相等。
10.根据权利要求3中S2所述的方法，调节所述可调光衰减器(3)获取平均光子数为0.1/脉冲时的目标衰减值，具体为：
调节所述可调光衰减器(3)使得所述门控式单光子探测器(5)的1秒内触发计数值Ntrg、1秒内探测光子计数值Ndet以及探测效率η满足：Ntrg×η×0.1＝Ndet，此时，所述可调光衰减器(3)对应的衰减值即为目标衰减值。
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