CN113048969A - 光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源及调节方法，包括泵浦激光器、第一双凸透镜、第一激光反射镜、第二激光反射镜、PPKTP晶体、晶体温控炉、第二双凸透镜、第一二向色镜、第二二向色镜和带保偏光纤的光纤耦合器。本发明具有小型化、光纤输出、输出纯净度高、相位匹配点可调等特点，具有搭建光子纠缠光纤陀螺的应用潜力，用以提升光纤陀螺精度，使其精度突破标准量子极限。

Description

光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源及调节方法

技术领域

本发明属于光子纠缠光纤陀螺技术领域，涉及小型光子纠缠源系统，尤 其是一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源及调节方法。

背景技术

目前，对导航信息的需求，特别是深远海条件下的高精度高可靠导航信 息需求进一步提高，因而对惯性导航系统的性能提出了在卫星拒止条件下独 立精确导航、智能化导航等更高要求。其中，陀螺仪作为满足上述应用要求 的惯性导航系统的核心元件，其精度直接决定着惯性导航系统的性能。光纤 陀螺仪具有纯固态无运动部件、信息实时性高、精度潜力大、体积结构灵活、 寿命长等优点，使其在诸多领域中获得应用，表现出极佳的性能优势，并不 断向超高精度方向发展。由于采用传统自发辐射光源保偏干涉式主流方案， 上述光纤陀螺固有的热噪声、散粒噪声、相对强度噪声等限制了其精度的提 升并逐渐遇到技术瓶颈。因此，设法突破传统陀螺经典噪声极限，达到“量 子导航”水平至关重要。

量子技术在导航与定位中已经有超过二十年时间的应用，将传统自发辐 射光源改为纠缠“孪生光束”光源的光子纠缠光纤陀螺，在提升光纤陀螺灵 敏度方面拥有巨大的潜力。且这一方案目前在实验已经得到了验证，而利用 纠缠光子提升干涉仪测量精度在理论上也早已得到了验证。如图1所示，为 基于光纤环的Sagnac干涉仪的原理图，入射光经一个半透半反镜被分为两束， 之后耦合到光纤还之中，并分别沿顺逆时针方向进行传输，在半透半反镜处 合束后输出到1、2两个探测器。沿顺、逆时针方向传输的两部分光在光纤环中传输的时间为t₁和t₂，因而相位差也可写为φ＝ω(t₁-t₂)，ω为输入光 的角频率。此外，由旋转所带来的相位差也可表示为式(1)，其中Ω为旋转 角速度。由于半透半反镜的分光比为1：1，所以其透射和反射率可分别表示 为

因而干涉系统到端口1、2的输出可表示为 式(2)及式(3)。

两端口测得的光强为：

若输入的光中的平均光子数为N，由式(4)和(5)可以看出，两端口 处测得的光子数正比于sin²(φ/2)和cos²(φ/2)。因此，通过输出端口处的 光强，便可以得到相位差φ。由统计学原理可知，此时相位差的测量误差与 光子数N有关，且正比于

这是由经典光场中光子间相互独立没有任何 干扰的特性决定的。

当用N个分离的单光子代替平均光子数为N的经典态光作为光源时，也 有类似的结果。此时，sin²(φ/2)和cos²(φ/2)为单光子到达端口1和2的 概率。而精度上

的限制是由于使用了经典态光源，存在散粒噪声极限或 者标准量子极限所造成的。

相比之下，在干涉测量中引入量子技术可突破这一精度限制。例如，可 以在图1所示的方案中的无用端口2处输入真空压缩态，此时测量精度可以 提升至1/N3/4。也可以在1、2端口输入式(6)所示的非经典的纠缠态。

其中，N_±＝(N±1)/2，下标1、2表示输入端口。此时局部统计模型 不再适用于两端口输入相关性的描述。但相位信息同样可以通过测量到达两 端口处的光子数的差得到。例如，通过计算式(7)中M操作符的期望值就可 以计算相位差的大小。

其中，I₁、I₂、D₁、D₂分别表示端口1、2输入及输出的光学模式的湮没 算符。对于较小的相位差，此时的测量灵敏度可达1/N。输出光子数差的期 望值及方差可分别由式(8)和(9)表示：

相位差的测量误差可通过误差传播得到：

对于较小的相位差，相位差的测量误差同样为1/N量级。可以看出，利 用纠缠光作为光源，可以提升干涉仪的灵敏度和精度，较利用经典态的光源 提高了

倍。此时，测量装置的精度已经突破了标准量子极限，达到了海森 堡极限，而海森堡极限是无法被突破的。

可以看出，光子纠缠光源作为传统ASE光源的替代，是光子纠缠光纤陀 螺相比于传统干涉式光纤陀螺精度提升的来源，因此是光子纠缠光纤陀螺的 核心、关键元件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光纤陀螺用偏振纠缠 光子对输出的小型纠缠源及调节方法，具有小型化、光纤输出、输出纯净度 高、相位匹配点可调等特点，具有搭建光子纠缠光纤陀螺的应用潜力，用以 提升光纤陀螺精度，使其精度突破标准量子极限。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源，包括泵浦激光器、 第一双凸透镜、第一激光反射镜、第二激光反射镜、PPKTP晶体、晶体温控 炉、第二双凸透镜、第一二向色镜、第二二向色镜和带保偏光纤的光纤耦合 器；所述泵浦激光器用于为系统提供泵浦源，该泵浦激光器与第一双凸透镜 相连接，用于准直泵浦激光；所述第一双凸透镜依次通过第一激光反射镜和 第二激光反射镜与PPKTP晶体相连接，用于折叠光路并使泵浦光转化成偏振 纠缠的信号光与闲散光；在该PPKTP晶体下方设置有晶体温控炉，通过调节 温度实现相位匹配条件；所述PPKTP晶体与第二双凸透镜相连接，用于准直 自发参量下转换产生的信号光及闲散光；所述第二双凸透镜与第一二向色镜 和第二二向色镜相连接，用于折叠光路并滤除未完全转换的泵浦光；所述第 二二向色镜还与光纤耦合器相连接，用于收集纠缠光子，并通过保偏光纤进 行输出。

而且，所述光纤耦合器为带保偏光纤的光纤耦合器。

一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源的调节方法，包括以 下步骤：

步骤1、调节泵浦激光器与第一个双凸透镜间的距离，使泵浦光经过透 镜后变为准直光；

步骤2、调节两个激光反射镜角度，使泵浦光的传播方向改变180°，调 节时要保证泵浦光的方向水平，激光光斑经过一段距离的传输之后光斑高度 不变。

步骤3、将PPKTP晶体置于温控炉中并放置到光路中，调节泵浦激光器， 第一个双凸透镜以及两个激光反射镜的高度，保证泵浦光入射到晶体中心以 使泵浦光得到最大的利用率，转动晶体使晶体几何轴向与泵浦光方向平行， 此时信号光、闲散光以及未转化的泵浦光从晶体中心出射；

步骤4、调节第二个双凸透镜与晶体之间的距离，准直经晶体自发参量 下转换产生的信号光和闲散光，保证信号光和闲散光不产生发散，以保证其 耦合到光纤中的效率；

步骤5、调节两个二向色镜的角度，残余的泵浦光经过两次二向色镜后 大部分被滤除，保证了信号光和闲散光的纯净度，同时光的传播方向改变 180°，调节时同样要保证出射光的方向水平，即光经过一段距离的传输之后 光斑高度不变；

步骤6、调节光纤耦合器的高度，提高信号光和闲散光到光纤的耦合效 率；

步骤7、在37.4±0.1℃附近仔细调节温控炉的温度，并调节泵浦激光器 的功率，使泵浦光在晶体实现II型相位匹配，经自发参量下转换效应产生相 互纠缠的信号光和闲散光。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明采用了高功率稳定性窄线宽泵浦激光器，提高了自发参量下转 换的效率，并保证了光源输出的稳定性。

2、本发明使用了两个双凸透镜分别对泵浦光以及信号光和闲散光进行准 直，提升了泵浦光到晶体以及信号光和闲散光到光纤耦合器的耦合效率，确 保光源有较高的转化效率。

3、本发明采用了激光反射镜与二向色镜的方案，对光路进行两次折叠， 有利于光源的小型化，使用了两块二向色镜，两次滤除晶体出射光中残余的 泵浦光，保证光源出射光的纯净度。

4、本发明使用了带保偏光纤的光纤耦合器，使晶体自发参量下转化产生 的偏振纠缠的信号光与闲散光经保偏光纤输出，保证纠缠度的同时，方便光 源应用于光纤陀螺。

附图说明

图1是本发明的基于光纤的Sagnac干涉仪模型示意图；

图2是本发明的光子纠缠光源系统光路图。

附图标记说明：

1-泵浦激光器，2-1-第一双凸透镜，2-2-第二双凸透镜，3-1-第一激光 反射镜，3-2-第二激光反射镜，4-PPKTP晶体，5-晶体温控炉，6-1-第一二 向色镜，6-2-第二二向色镜，7-带保偏光纤的光纤耦合器

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源，包括泵浦激光器、 第一双凸透镜、第一激光反射镜、第二激光反射镜、PPKTP晶体、晶体温控 炉、第二双凸透镜、第一二向色镜、第二二向色镜和带保偏光纤的光纤耦合 器；所述泵浦激光器用于为系统提供泵浦源，该泵浦激光器与第一双凸透镜 相连接，用于准直泵浦激光；所述第一双凸透镜依次通过第一激光反射镜和 第二激光反射镜与PPKTP晶体相连接，用于折叠光路并使泵浦光转化成偏振 纠缠的信号光与闲散光；在该PPKTP晶体下方设置有晶体温控炉，通过调节 温度实现相位匹配条件；所述PPKTP晶体与第二双凸透镜相连接，用于准直 自发参量下转换产生的信号光及闲散光；所述第二双凸透镜与第一二向色镜 和第二二向色镜相连接，用于折叠光路并滤除未完全转换的泵浦光；所述第 二二向色镜还与光纤耦合器相连接，用于用于收集纠缠光子，并通过保偏光 纤进行输出。

在本实施例中，所述光纤耦合器为带保偏光纤的光纤耦合器。

下面对本发明的各个部件的组成和功能作进一步说明：

(1)高功率稳定性窄线宽泵浦激光器

泵浦激光器为系统提供泵浦源，泵浦光光子经过非线性晶体，在自发参 量下转换的作用及II型匹配情况下产生纠缠光子对。方案中选用波长为 405nm的功率可调谐激光器，其功率稳定性优于1％，光谱线宽低于0.03nm。 较高的功率稳定性可以使系统获得稳定的输出，较窄的光谱线宽可以提高自 发参量下转换的效率。

(2)双凸透镜

双凸透镜用于准直泵浦激光及自发参量下转换产生的信号光及闲散光， 以保证泵浦光到非线性晶体以及信号光、闲散光到光纤耦合器的耦合效率。 其焦距为100mm，以便于光路调节。此外透镜镀有MgF2增透膜，对405nm光 的透射率约为98％，以减小光路损耗提高系统的效率。

(3)激光反射镜和二向色镜

本发明采用激光反射镜和二向色镜搭配的方案，用于折叠光路实现系统 的小型化，激光反射镜对泵浦激光器的反射率接近100％。此外，所选用的短 波通二向色镜还用于滤除未完全转换的泵浦光。二向色镜对405nm光的透射 率接近100％，对810nm光的反射率接近100％，因而可以使未被转化的泵浦光 被损耗掉而保留信号光与闲散光。使用两个二向色镜的目的在于，充分滤除 405nm的泵浦光，保证输出的纠缠光子对的纯净度。

(4)PPKTP晶体和温控炉

PPKTP晶体为光子纠缠源试验系统的核心元件，通过其非线性效应，可 以使泵浦光转化成偏振纠缠的信号光与闲散光。由于PPKTP晶体属于周期极 化型晶体，因而需要将其置于温控条件下使用，一方面通过调节温度可以实 现相位匹配条件，另一方面稳定的温度可以提升自发参量下转换的效率。所 选用的温控炉温度调谐范围为室温至200℃，温控精度为0.01℃，可以保证 晶体的正常工作。

(5)光纤耦合器

光纤耦合器用于收集纠缠光子，并通过保偏光纤进行输出。从而可以便 于与光纤环圈相连接，此外有利于改变系统的输出方向，从而实现减小光子 纠缠光纤陀螺的体积，实现小型化。

本发明的一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源的调节方法， 的调节方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、调节泵浦激光器与第一个双凸透镜间的距离，使泵浦光经过透 镜后变为准直光，保证泵浦光经过一段距离后光斑不产生发散。

步骤2、调节两个激光反射镜角度，使泵浦光的传播方向改变180°，调 节时要保证泵浦光的方向水平，激光光斑经过一段距离的传输之后光斑高度 不变。

步骤3、将PPKTP晶体置于温控炉中并放置到光路中，调节泵浦激光器， 第一个双凸透镜以及两个激光反射镜的高度，保证泵浦光入射到晶体中心以 使泵浦光得到最大的利用率，转动晶体使晶体几何轴向与泵浦光方向平行， 此时信号光、闲散光以及未转化的泵浦光从晶体中心出射。

步骤4、调节第二个双凸透镜与晶体之间的距离，准直经晶体自发参量 下转换产生的信号光和闲散光，保证信号光和闲散光不产生发散，以保证其 耦合到光纤中的效率。

步骤5、调节两个二向色镜的角度，残余的泵浦光经过两次二向色镜后 大部分被滤除，保证了信号光和闲散光的纯净度，同时光的传播方向改变 180°，调节时同样要保证出射光的方向水平，即光经过一段距离的传输之后 光斑高度不变。

步骤6、调节光纤耦合器的高度，提高信号光和闲散光到光纤的耦合效 率。

步骤7、在37.4±0.1℃附近仔细调节温控炉的温度，并调节泵浦激光器 的功率，使泵浦光在晶体实现II型相位匹配，经自发参量下转换效应产生相 互纠缠的信号光和闲散光。

本发明的工作原理是：

实验上成功实现纠缠态产生的方法有三种，包括离子阱，腔量子电动力 学(CQED)和自发参量下转换(SPDC)法。其中，利用非线性晶体自发参量 下转换法所产生的纠缠光子对有最高的纠缠纯度，而且制备过程的可控性较 好。目前，SPDC是产生光量子纠缠态最常用的方法，它利用激光泵浦非线性 晶体，产生自发参量下转换过程，所生成的纠缠光子对是很好的双光子纠缠 源，还可以做到小型化、集成化，是搭建光子纠缠光纤陀螺的最佳选择。自 发参量下转换是光场与非线性晶体相互作用的过程，通过自发参量下转换产 生的双光子即为孪生光子。在这一过程中，频率为ω_p的泵浦光与非线性晶体 相互作用，有一定的概率产生下转换光子，其中一束为频率为ω_i的闲散光， 另一束为频率为ω_s的信号光。SPDC是信号光、闲散光和泵浦光在非线性晶 体中的三波混频过程，需要满足“相位匹配”条件，表示为：

ω_p＝ω_i+ω_s (11)

其中,

代表泵浦光、信号光和闲散光的波矢量。由于晶体存在 双折射效应，偏振方向不同的光在晶体内的折射率不同，使得泵浦光的相位 匹配在某些晶体中可以得到满足。因而，通过要选择合适的晶体作为下转换 晶体，才可实现自发参量下转换。为了更加方便地达到相位匹配条件，可以 使用周期极化性晶体，其周期性改变的非线性系数可以弥补晶体折射率色散 引起的波矢匹配，从而实现位相匹配，称为准相位匹配。准位相匹配与相位 匹配的最大差别在于，增加一个光栅向量周期(晶体极化周期)这个新的参数。周期的设计是通过对材料进行空间极化实现的。光栅向量周期可以延伸 准相位匹配的波长范围，还可以提高参量下转换的效率。准相位匹配技术下， 相位匹配点不仅与晶体的极化周期相关，还和晶体温度相关。因此，通过调 节晶体温度，便可以实现相位匹配以及下转换光子输出中心波长的调谐。

晶体相位匹配的类型可以分为I型匹配和II型匹配。负单轴晶体的I型 参量下转换，可以表示为e→o+o，即e光作为泵浦光，产生的下转换信号光 和闲散光为o光，它们的偏振关系相同。而对于II型匹配，用e光作为泵浦 光，产生的信号光和闲散光中，一个为o光，另一个为e光，它们偏振方向 相互垂直，这一过程为e→o+e。此时，在频率简并的情况下，产生的双光子 即为偏振纠缠态。

综合考虑光源效率、可调谐性以及光子纠缠光纤陀螺的需要，本设计将 采用基于周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体的准相位匹配技术，通过II型匹 配实现偏振纠缠双光子态输出的方案。

由于1550nm和810nm波段的光纤通信技术相当成熟，光纤通信波段的双光 子纠缠态可以较好地和现有的光纤陀螺技术相融合，因而本方案将采用405nm 激光器作为泵浦源，通过自发参量下转换实现810nm的纠缠光子的输出，如图 2为光子纠缠光源系统光路图，包括泵浦激光器1个，双透镜2个，激光反射镜 2个，短波通二向色镜2个，PPKTP晶体1片，晶体温控炉1个，光纤耦合器1个。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此 本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根 据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源，其特征在于：包括泵浦激光器、第一双凸透镜、第一激光反射镜、第二激光反射镜、PPKTP晶体、晶体温控炉、第二双凸透镜、第一二向色镜、第二二向色镜和带保偏光纤的光纤耦合器；所述泵浦激光器用于为系统提供泵浦源，该泵浦激光器与第一双凸透镜相连接，用于准直泵浦激光；所述第一双凸透镜依次通过第一激光反射镜和第二激光反射镜与PPKTP晶体相连接，用于折叠光路并使泵浦光转化成偏振纠缠的信号光与闲散光；在该PPKTP晶体下方设置有晶体温控炉，通过调节温度实现相位匹配条件；所述PPKTP晶体与第二双凸透镜相连接，用于准直自发参量下转换产生的信号光及闲散光；所述第二双凸透镜与第一二向色镜和第二二向色镜相连接，用于折叠光路并滤除未完全转换的泵浦光；所述第二二向色镜还与光纤耦合器相连接，用于收集纠缠光子，并通过保偏光纤进行输出。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源，其特征在于：所述光纤耦合器为带保偏光纤的光纤耦合器。

3.一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源的调节方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、调节泵浦激光器与第一个双凸透镜间的距离，使泵浦光经过透镜后变为准直光；

步骤2、调节两个激光反射镜角度，使泵浦光的传播方向改变180°，调节时要保证泵浦光的方向水平，激光光斑经过一段距离的传输之后光斑高度不变。

步骤3、将PPKTP晶体置于温控炉中并放置到光路中，调节泵浦激光器，第一个双凸透镜以及两个激光反射镜的高度，保证泵浦光入射到晶体中心以使泵浦光得到最大的利用率，转动晶体使晶体几何轴向与泵浦光方向平行，此时信号光、闲散光以及未转化的泵浦光从晶体中心出射；

步骤4、调节第二个双凸透镜与晶体之间的距离，准直经晶体自发参量下转换产生的信号光和闲散光，保证信号光和闲散光不产生发散，以保证其耦合到光纤中的效率；

步骤5、调节两个二向色镜的角度，残余的泵浦光经过两次二向色镜后大部分被滤除，保证了信号光和闲散光的纯净度，同时光的传播方向改变180°，调节时同样要保证出射光的方向水平，即光经过一段距离的传输之后光斑高度不变；

步骤6、调节光纤耦合器的高度，提高信号光和闲散光到光纤的耦合效率；

步骤7、在37.4±0.1℃附近仔细调节温控炉的温度，并调节泵浦激光器的功率，使泵浦光在晶体实现II型相位匹配，经自发参量下转换效应产生相互纠缠的信号光和闲散光。

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