CN112462464B - 可级联滤波系统及其光子滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光子的频率滤波技术领域，其公开了可级联滤波系统及其光子滤波方法，解决了目前由于种种技术困难还没有频率滤波器可以兼顾：窄带宽和高消光比的技术问题，级联滤波组件的安装结构为：将所述辅助光路器件置于所述滤波腔和所述光隔离器之间，安装时依次安装滤波腔、辅助光路器件、光隔离器和辅助光路器件，所述滤波腔、辅助光路器件、光隔离器和辅助光路器件四者按照该安装顺序构成一个滤波单元，并可依次级联配置多个该单元进行滤波。根据以上技术方案，本发明设计一种窄带宽、高消光比的光子滤波器，以适应量子技术的发展和市场需求。

Description

可级联滤波系统及其光子滤波方法

技术领域

本发明涉及光子的频率滤波技术领域，更具体地说，它涉及可级联滤波系统及其光子滤波方法。

背景技术

在现代量子光学领域中，例如量子通信、量子精密测量、单光子成像、生物弱光探测，常常需要将极弱的光信号甚至是单光子信号从大量的噪音光子中提取出来。然而许多噪音光子的频率和信号光子的频率非常相近，其频率差值往往只有几个GHz，甚至只有几百MHz。现有熟知的光栅和带通滤波片，虽然技术成熟且使用方便，但其带宽不够窄，导致与信号光频率相近的噪音光不能被滤除。

马赫曾德干涉仪基于的原理是两臂干涉，其消光比受制于光束分束比和光路的相位稳定性，仅适合应用于一些特殊场景，比如高频电光调制器。另外，随着量子技术的发展，我们对光子频率滤波器的要求越来越高，消光比往往要高于几百万比一，但是一直以来由于种种技术困难还没有频率滤波器可以兼顾：窄带宽和高消光比。因此有必要设计一种窄带宽、高消光比的光子滤波器，以适应量子技术的发展和市场需求。

发明内容

针对背景技术中提出的目前由于种种技术困难还没有频率滤波器可以兼顾：窄带宽和高消光比的技术问题，本发明设计一种窄带宽、高消光比的光子滤波器，以适应量子技术的发展和市场需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

可级联滤波系统，包括箱体，所述箱体内部设有级联滤波组件，所述级联滤波组件的各部分依次安装在箱体的内部，所述级联滤波组件包括：

滤波腔，所述滤波腔为实心圆柱体结构，所述滤波腔前表面为球面，所述滤波腔的后表面为平面，且前后表面均镀有高反射率的增反膜；

辅助光路器件，所述辅助光路器件为凸透镜，起到光束横向模式匹配的作用；

光隔离器，所述光隔离器限制光束保持单向通过，起到干涉消除的作用；

温度控制模块，所述温度控制模块对所述滤波腔的温度进行主动调节和锁定；

所述级联滤波组件的安装结构为：将所述辅助光路器件置于所述滤波腔和所述光隔离器之间，安装时依次安装滤波腔、辅助光路器件、光隔离器和辅助光路器件，所述滤波腔、辅助光路器件、光隔离器和辅助光路器件四者按照该安装顺序构成一个滤波单元，并可依次级联配置多个该单元进行滤波。

通过上述技术方案，本发明设计制作的滤波腔属于法布里玻罗腔的一种，外形像是一块平凸玻璃透镜，前后表面镀有高反射率的增反膜。相对于前后表面平行的法布里玻罗腔，本发明制作的这种平凸式的滤波腔不仅具有频率滤波功能，还具有空间模式滤波功能。另外，相对于由两面独立反射镜构成的滤波腔，本发明的这种一体式的块状腔不需要额外的光束和锁相器进行相位锁定以锁定两面反射镜的空间距离，因此本发明的光路调试难度大大降低。本发明的滤波腔的腔长(不同腔长对应不同共振频率)由温度控制模块即可进行调节和锁定。本发明通过级联多个这样的平凸式滤波腔，可以实现超高消光比的光子频率滤波。

辅助光路器件主要实现光束横向模式匹配。横向模式匹配采用的方法是选取合适的透镜对输入的光束进行变换，以实现信号光的横模与滤波腔的共振模式匹配。与滤波腔共振模式匹配的信号光可以透过，与滤波腔共振模式不匹配的噪音光子将被反射。

光隔离器主要实现干涉消除。干涉消除指的是消除光束在两个滤波腔之间来回反射形成的干涉，否则这种干涉会严重影响整个滤波系统的透过率和消光比。本发明设计制作的光隔离器只允许光束单向通过，而且透过率在98％左右，因此不仅可以消除光束在腔与腔之间的干涉，还保证了整个系统的高透过率。

温度控制模块：本发明通过对滤波腔的温度进行主动调节和锁定，以调节和锁定滤波腔的腔长，从而调节和锁定滤波腔与信号光的纵模匹配(即频率相等)，实现信号光可以透过滤波腔而噪音光子被滤波腔反射的目的。温度控制模块基于的是PID自动反馈原理，温度控制的波动典型值为±1mK。

本发明进一步设置为：所述箱体包括光学面板、防护外壳和减震底座，所述光学面板上固定有中空的铝合金安装座，所述滤波腔安装于铝合金安装座中，通过控制铝合金安装座的温度可以控制滤波腔的温度，实现对滤波腔透过窗口的调节和保持，且所述铝合金安装座通过光学支架固定在所述光学面板上。

通过上述技术方案，机箱包括：光学面板、防护外壳、减震底座。本滤波系统的光路搭建在光学面板上。防护外壳用于保护光路不受碰撞，同时可以提高整个系统的温度稳定性。减震底座可以有效隔离50Hz以上的震动，保证了光路稳定性。

本发明进一步设置为：所述光隔离器设有两组以上。

通过上述技术方案，可以实现几十万比一甚至几千万比一的消光比(这与级联的滤波腔数量有关)。

本发明进一步设置为：所述滤波腔设有三组以上。

通过上述技术方案，可以实现几十万比一甚至几千万比一的消光比(这与级联的滤波腔数量有关)。

本发明进一步设置为：所述辅助光路器件设有四组以上。

通过上述技术方案，可以实现几十万比一甚至几千万比一的消光比(这与级联的滤波腔数量有关)。

基于上述的可级联滤波系统，提出一种光子滤波方法，包括以下步骤：

步骤一：箱体的设计、制作和安装；

步骤二：滤波腔的设计、加工和安装；

步骤三：滤波腔和辅助光路在箱体内部搭建；

步骤四：利用温度控制模块对滤波腔的温度进行主动调节和锁定；

步骤五：优化滤波腔的透过率和消光比；

步骤六：校正滤波腔的温度；

步骤七：将信号光收集到可级联滤波系统的输入光纤，从可级联滤波系统的输出光纤得到纯净的信号光。

通过上述技术方案，首先，以三个滤波腔(法布里玻罗腔)级联为例。一个总带宽为380MHz的三级滤波系统，在距离其透过窗口只有9.2GHz的频率处实现了10⁷:1的消光比，三个滤波腔级联的总透过率可以超过70％。考虑到腔与腔之间的辅助光路会引入大约3％的损耗，这70％的总透过率意味着单个腔的平均透过率需要超过90％。目前，本发明带宽为600MHz附近的单个滤波腔的透过率可以达到95％。本发明设计制作的光隔离器的透过率约为98％。实际效果说明：本发明已经接近滤波腔的最优模式匹配；光隔离器在具有极高透过率的前提下有效地抑制了光束在腔与腔之间的干涉。滤波腔的温度波动典型值为±1mK，保证了多级滤波系统透过窗口的稳定性。

本发明进一步设置为：依次在箱体内安装滤波腔、辅助光路器件、光隔离器、辅助光路器件、滤波腔、辅助光路器件、光隔离器、辅助光路器件形成二级级联滤波组件。

本发明进一步设置为：搭建时依据实际使用情况，增加或减少光隔离器、辅助光路器件和滤波腔的数量，形成若干级级联滤波组件。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)设计和制作一种窄带宽、高消光比的光子滤波器，以适应量子技术的发展和市场需求；

(2)滤波腔(法布里玻罗腔)的级联数量可调整，搭建起来快捷，维护起来简便。

附图说明

图1为箱体立体结构示意图；

图2为箱体侧面结构示意图；

图3为滤波腔原理示意图；

图4为级联滤波组件原理示意图；

图5为三级滤波系统的透过率曲线图，其中，相对频率指的是光子频率与滤波腔共振频率的相对值；灰色小正方形是实验测试数据；绿色实线是理论拟合；

图6为光子滤波方法流程框图。

附图标记：100、箱体；101、光学面板；102、防护外壳；103、减震底座；200、滤波腔；300、辅助光路器件；400、光隔离器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例

可级联滤波系统，结合图3和图4可知，包括箱体100，箱体100内部设有级联滤波组件，级联滤波组件的各部分依次安装在箱体100的内部，级联滤波组件包括：滤波腔200，滤波腔200为实心圆柱体结构，滤波腔200的前表面为球面，滤波腔200的后表面为平面，且前后表面均镀有高反射率的增反膜；辅助光路器件300，辅助光路器件300为凸透镜，起到光束横向模式匹配；光隔离器400，光隔离器400限制光束保持单向通过，起到干涉消除的作用；温度控制模块，温度控制模块对滤波腔200的温度进行主动调节和锁定。级联滤波组件的安装结构为：将辅助光路器件300置于滤波腔200和光隔离器400之间，安装时依次安装滤波腔200、辅助光路器件300、光隔离器400和辅助光路器件300，四者按照该安装顺序构成一个滤波单元，并可依次级联配置多个该单元进行滤波。

结合图1和图2可知，本发明设计制作的箱体100包括光学面板101、防护外壳102和减震底座103，光学面板101上通过支杆套筒固定有中空的铝合金安装座，滤波腔200安装于铝合金安装座中，通过控制铝合金安装座的温度可以控制滤波腔200的温度，实现对滤波腔200透过窗口的调节和保持。

本发明设计制作的滤波腔200属于法布里玻罗腔的一种，外形像是一块平凸玻璃透镜，前后表面镀有高反射率的增反膜。相对于前后表面平行的法布里玻罗腔，本发明制作的这种平凸式的滤波腔200不仅具有频率滤波功能，还具有空间模式滤波功能。另外，相对于由两面独立反射镜构成的滤波腔200，本发明的这种一体式的块状腔不需要额外的光束和锁相器进行相位锁定以锁定两面反射镜的空间距离，因此本发明的光路调试难度大大降低。本发明的滤波腔200的腔长(不同腔长对应不同共振频率)由温度控制模块即可进行调节和锁定。本发明通过级联多个这样的平凸式滤波腔200，以实现超高消光比的光子频率滤波。

辅助光路器件300主要实现光束横向模式匹配。横向模式匹配采用的方法是选取合适的透镜对输入的光束进行变换，以实现信号光的横模与滤波腔200的共振模式匹配。与滤波腔200共振模式匹配的信号光可以透过，与滤波腔200共振模式不匹配的噪音光子将被反射。

光隔离器400主要实现干涉消除。干涉消除指的是消除光束在两个滤波腔200之间来回反射形成的干涉，否则这种干涉会严重影响整个滤波系统的透过率和消光比。本发明设计制作的光隔离器400只允许光束单向通过，而且透过率在98％左右，因此不仅可以消除光束在腔与腔之间的干涉，还保证了整个系统的高透过率。

温度控制模块：本发明通过对滤波腔200的温度进行主动调节和锁定，以调节和锁定滤波腔200的腔长，从而调节和锁定滤波腔200与信号光的纵模匹配(即频率相等)，实现信号光可以透过滤波腔200而噪音光子被滤波腔200反射的目的。温度控制模块基于的是PID自动反馈原理，温度控制的波动典型值为±1mK。

如图6所示，基于上述的可级联滤波系统，其光子滤波方法如以下步骤：

步骤一：箱体100的设计、制作和安装；

步骤二：滤波腔200的设计、加工和安装；

步骤三：滤波腔200和辅助光路在箱体100内部搭建，依次在箱体100内安装滤波腔200、辅助光路器件300、光隔离器400、辅助光路器件300、滤波腔200、辅助光路器件300、光隔离器400、辅助光路器件300、滤波腔200形成级联滤波组件，搭建时依据实际使用情况，增加或减少光隔离器400、辅助光路器件300和滤波腔200的数量；

步骤四：利用温度控制模块对滤波腔200的温度进行主动调节和锁定；

步骤五：优化滤波腔200的透过率和消光比；

步骤六：校正滤波腔200的温度；

步骤七：将信号光收集到可级联滤波系统的输入光纤，从可级联滤波系统的输出光纤得到纯净的信号光。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.可级联滤波系统，其特征在于，包括箱体(100)，所述箱体(100)内部设有级联滤波组件，所述级联滤波组件的各部分依次安装在箱体(100)的内部，所述级联滤波组件包括：

滤波腔(200)，所述滤波腔(200)为实心圆柱体结构，所述滤波腔(200)前表面为球面，所述滤波腔(200)的后表面为平面，且前后表面均镀有高反射率的增反膜；

辅助光路器件(300)，所述辅助光路器件(300)为凸透镜，起到光束横向模式匹配作用；

光隔离器(400)，所述光隔离器(400)限制光束保持单向通过，起到干涉消除的作用；

温度控制模块，所述温度控制模块对所述滤波腔(200)的温度进行主动调节和锁定，以调节和锁定滤波腔的腔长，从而调节和锁定滤波腔与信号光的纵模匹配，实现信号光可以透过滤波腔而噪音光子被滤波腔反射的目的；

所述级联滤波组件的安装结构为：将所述辅助光路器件(300)置于所述滤波腔(200)和所述光隔离器(400)之间，安装时依次安装滤波腔(200)、辅助光路器件(300)、光隔离器(400)和辅助光路器件(300)，四者按照该安装顺序构成一个滤波单元，并可依次级联配置多个该单元进行滤波。

2.根据权利要求1所述的可级联滤波系统，其特征在于：所述箱体(100)包括光学面板(101)、防护外壳(102)和减震底座(103)，所述光学面板(101)上固定有中空的铝合金安装座，所述滤波腔(200)安装于该铝合金安装座中，通过控制铝合金安装座的温度可以控制滤波腔(200)的温度，实现对滤波腔(200)透过窗口的调节和保持，且所述铝合金安装座通过光学支架固定在所述光学面板(101)上。

3.根据权利要求1所述的可级联滤波系统，其特征在于：所述光隔离器(400)设有两组及以上。

4.根据权利要求1所述的可级联滤波系统，其特征在于：所述滤波腔(200)设有三组及以上。

5.根据权利要求1所述的可级联滤波系统，其特征在于：所述辅助光路器件(300)设有四组及以上。

6.一种光子滤波方法，基于上述权利要求1-5任一项可级联滤波系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：箱体(100)的设计、制作和安装；

步骤二：滤波腔(200)的设计、加工和安装；

步骤三：滤波腔(200)和辅助光路器件(300)在箱体(100)内部搭建；

步骤四：利用温度控制模块对滤波腔(200)的温度进行主动调节和锁定；

步骤五：优化滤波腔(200)的透过率和消光比；

步骤六：校正滤波腔(200)的温度；

步骤七：将信号光收集到可级联滤波系统的输入光纤，从可级联滤波系统的输出光纤得到纯净的信号光。

7.根据权利要求6所述的一种光子滤波方法，其特征在于，依次在箱体(100)内安装滤波腔(200)、辅助光路器件(300)、光隔离器(400)、辅助光路器件(300)、滤波腔(200)、辅助光路器件(300)、光隔离器(400)、辅助光路器件(300)形成二级级联滤波组件。

8.根据权利要求6所述的一种光子滤波方法，其特征在于，搭建时依据实际使用情况，增加或减少光隔离器(400)、辅助光路器件(300)和滤波腔(200)的数量，形成若干级的级联滤波组件。

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