CN114361922A - 一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，激光器用于线偏振地输出单频激光光束；隔离器用于防止后续光路中的器件反射的激光光束返回到激光器中；比例分束器用于将从隔离器输出的单频激光分为两路，一路光进入倍频介质，用于产生泵浦光，一路光进入光学参量下转换谐振腔，作为产生明亮压缩态光源的种子信号光；波分复用器，用于将基频光和泵浦光进行分束；相位调制器一，用于调控被波分复用器分束出来的泵浦光的相位，控制泵浦光与种子信号光的相对位相差；合束器，用于将相位调制器一调制后输出的泵浦光与经比例分束器分束的种子信号光合束；光学参量下转换谐振腔，用于产生明亮压缩态的激光输出。
Description
技术领域
本申请涉及量子光学和量子信息技术领域，尤其涉及一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源。
背景技术
随着科学技术的发展，无论是日常生产还是科学研究中，人们对于测量精度的要求越来越高。但是在经典光场中，即使是理想的相干态光源，也至少包含量子噪声，所以无论器件的工艺水平如何优化，测量系统都存在一个散粒噪声极限问题。而压缩态光源，可以在不违背海森堡不确定原理的基础上，重新分配正交分量的噪声功率，使其中一个正交分量的噪声功率远低于散粒噪声极限。当使用这个正交分量进行测量时，就可以突破量子噪声极限，获得更高的探测灵敏度。例如，在2010年德国将9dB的真空压缩态光源注入到GEO600引力波探测器的暗端，将探测器的灵敏度提高了约6dB。压缩态光源分为真空压缩态和明亮压缩态两种，真空压缩态是作用于真空上，而明亮压缩态则是作用于有一定光子数的相干态上，因此明亮压缩态光源相对于真空压缩态功率更高，应用更加广泛，如量子雷达、量子成像、量子信息和量子计算等领域。
目前，制备明亮压缩态光源最为成熟有效的方法是，在自由空间中利用二阶非线性介质的光学参量下转换过程获得。2017年，山西大学利用周期性极化磷酸钛氧钾(PPKTP)获得了12.6dB的1064nm明亮压缩态输出。但这类压缩态光场产生系统结构复杂、抗干扰能力差，导致其对外界的温度、震动以及气流等环境因素十分敏感，使其难以在实验室之外的环境中开展应用。为了解决自由空间压缩光源，复杂的系统和对外界环境的敏感性，2019年，华南理工大学提出了一种基于四波混频的全光纤的连续压缩态光场产生装置。但是四波混频过程利用的是非线性介质的三阶非线性系数，目前非线性介质的三阶非线性系数一般远低于二阶非线性系数，因此利用四波混频的方式获得压缩光源的输出，非线性转换效率和压缩度都比较低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，包括：
激光器，用于线偏振地输出单频激光光束；
隔离器，连接在所述激光器的输出端，用于防止后续光路中的器件反射的激光光束返回到激光器中；
比例分束器，连接在所述隔离器的输出端，用于将从隔离器输出的单频激光分为两路，功率较大的一路光进入倍频介质，用于产生泵浦光，功率较小的一路光，进入光学参量下转换谐振腔，作为产生明亮压缩态光源的种子信号光；
波分复用器，连接在倍频介质的输出端，用于将基频光和泵浦光进行分束；
相位调制器一，用于调控被波分复用器分束出来的泵浦光的相位，控制泵浦光与种子信号光的相对位相差；
合束器，用于将相位调制器一调制后输出的泵浦光与经比例分束器分束的种子信号光合束；
光学参量下转换谐振腔，用于产生明亮压缩态的激光输出，包括：入射光栅一、出射光栅二、相位调制器二以及光学参量下转换介质；所述入射光栅一对泵浦光具有高透过率，对种子信号光具有高反射率，所述出射光栅二对泵浦光具有高反射率，对种子信号光具有低透过率，通过检测被入射光栅一反射的种子信号光的功率，获取误差信号，实时控制相位调制器二，控制种子信号光的相位；光学参量下转换介质用于发生光学参量下转换过程，实现压缩光的输出。
进一步地，所述相位调制器一用于控制泵浦光与种子信号光的相对位相差，位相差为0时，获得正交位相压缩光，相位差为π时，获得正交振幅压缩光。
进一步地，所述光学参量下转换介质为周期性极化磷酸钛氧钾波导器件。
进一步地，所述倍频介质采用周期性极化的铌酸锂波导器件。
进一步地，经过所述入射光栅一反射回来的种子信号光，通过环形器输出。
本发明还提出了一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，包括：
激光器，用于线偏振地输出单频激光光束；
隔离器，连接在所述激光器的输出端，用于防止后续光路中的器件反射的激光光束返回到激光器中；
比例分束器，连接在所述隔离器的输出端，用于将从隔离器输出的单频激光分为两路，功率较大的一路光进入倍频谐振腔，用于产生泵浦光，功率较小的一路光进入光学参量下转换谐振腔，作为产生明亮压缩态光源的种子信号光；
倍频谐振腔，包括：入射光栅一、出射光栅二、相位调制器一以及倍频介质；所述入射光栅一对入射的基频激光具有高透过率，透过的激光经过相位调制器一进入倍频介质产生泵浦光，所述出射光栅二对泵浦光具有高透过率，对基频激光具有高反射率；通过实时检测入射光栅一的反射光的功率并获取误差信号，实时控制相位调制器一，使得基频光在倍频腔内相干增强，提高倍频转换效率；
相位调制器二，接收所述泵浦光，并对所述泵浦光的相位进行调制；
合束器，用于将相位调制器二调制后输出的泵浦光与经比例分束器分束的基频激光合束；
光学参量下转换谐振腔，用于产生明亮压缩态的激光输出，包括：入射光栅三、出射光栅四、相位调制器三以及光学参量下转换介质；所述入射光栅三对泵浦光具有高透过率，对种子信号光具有高反射率，所述出射光栅四对泵浦光具有高反射率，对种子信号光具有低透过率，通过检测被入射光栅三反射的种子信号光的功率，获取误差信号，实时控制相位调制器三，控制种子信号光的相位；光学参量下转换介质用于发生光学参量下转换过程，实现压缩光的输出。
进一步地，所述激光器发射1550nm低噪声单频激光，所述隔离器采用1550nm隔离器，上述分束器采用95/5分束器。
进一步地，经过所述入射光栅一反射回来的基频激光，通过环形器一输出；经过所述入射光栅三反射回来的激光，通过环形器二输出。
进一步地，所述光学参量下转换介质为周期性极化磷酸钛氧钾波导器件。
进一步地，所述倍频介质采用周期性极化的铌酸锂波导器件。
本发明实现了如下的技术效果：
1、本一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，避免了传统自由空间装置复杂的模式匹配问题，无需复杂且专业的光路调节过程，系统搭建容易。
2、一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，系统整体更加紧凑，抗环境干扰能力强，易于与现有的光纤系统结合，可以更好的推进实用化进程。
3、一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，相对于基于四波混频的全光纤压缩光源方案，由于其原理是一个二阶非线性过程，利用了非线性介质中系数更大的二阶非线性系数，因此非线性转换效率更高，可获得的压缩度更高。
附图说明
附图1为本发明实施例一的基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源的结构示意图；
附图2为本发明实施例二的基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源的结构示意图；
附图3为光参量下转化过程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，为本发明实施一的基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源的结构示意图，包含激光器、隔离器、分束器、倍频介质、波分复用器、相位调制器一、相位调制器二、合束器、环形器、入射光栅一、出射光栅二和光参量下转换介质。
激光器为单频光纤激光器或单频半导体激光器，用于线偏振地输出激光光束。优选地，采用噪声低的单频激光器，激光器的噪声越低，输出效果越好。本实施例中采用1064nm低噪声单频激光器。
隔离器为具有光束单方向通过的光纤隔离器件，连接在激光器的输出端，用于防止后续光路中的器件反射的激光光束返回到激光器中，引起激光器的不稳定。本实施例优选地采用1064nm隔离器。
分束器为对应于激光器波长的比例分束器，连接在隔离器的输出端，用于将从隔离器输出的单频激光分为两路，经比例分束器分束后，两路光束中功率较大的一路光进入倍频介质，用于倍频产生泵浦光，两路光束中功率较小的一路光用于产生明亮压缩态光源的种子信号光。本实施例中优选地采用1064nm 90/10分束器。
倍频介质为普通的倍频介质或周期性极化的倍频介质，可以采用光纤介质也可以采用光纤耦合的介质。选用的倍频介质的二阶非线性系数越高，倍频产生的泵浦光越高，即获得相同的泵浦光功率所需的基频光功率越低。
本实施例中采用周期性极化的铌酸锂(PPLN)波导器件，1064nm激光经PPLN波导器件后，发生倍频现象，光的频率变成原来的两倍，输出532nm的泵浦光。
倍频介质输出的激光光束进入波分复用器，用于将基频光和泵浦光进行分束，波分复用器为基频光和泵浦光的双波长波分复用器，本实施例采用1064nm/532nm波分复用器，波分复用器将PPLN波导器件输出的532nm泵浦光和剩余的1064nm基频光分开。
被波分复用器分束出来的泵浦光经相位调制器一调制后输出，同时经比例分束器分束的功率较小的一路光作为种子信号光，与经相位调制器一调制后输出的泵浦光进入合束器合束，合束器利用波分复用原理，为泵浦光和信号光的波分复用器，用于将种子信号光和泵浦光合束。相位调制器一用于调控泵浦光的相位，控制泵浦光与种子信号光的相对位相差。
为了实现压缩光的输出，本实施例中利用一对光栅设计了光学参量下转换谐振腔。入射光栅一对532nm泵浦光高透，透过率大于99％，对1064nm种子信号光高反，反射率大于98％，出射光栅二对532nm泵浦光高反，反射率大于99％，对于1064nm种子信号光透过率10％，则最后输出的压缩光即为透过的10％的1064nm激光。部分经过入射光栅一反射回来的种子信号光，通过环形器输出。被出射光栅二反射回来的532nm泵浦光，会再次通过光参量下转换介质、相位调制器二、入射光栅一、最后通过环形器输出。这样532nm泵浦光可以两次经过光参量下转换介质，利用效率更高。通过检测入射光栅一对1064nm种子信号光的反射功率，并获取误差信号，实时控制相位调制器二，控制1064nm光的相位，根据误差信号的变化，实时改变1064nm光的相位，使1064nm光在光参量下转换腔中达到相干增强的效果。
如图3所示为光参量下转化过程示意图。一束频率为ω1的泵浦光和频率为ω2的信号光，在非线性晶体内发生相互作用，产生频率为ω3＝ω1-ω2的闲频光的过程。当信号光是外部输入时，称为光参量放大过程；当信号光是介质本身产生时，称为光参量振荡过程。光参量下转换是一个二阶非线性转换过程，与介质的二阶非线性系数直接相关。图1的实施例中信号光是外部输入的，所以属于光参量放大过程，光参量下转换介质具体的作用是最后获得1064nm的频率光，在这个过程中频率为ω3的光，即1064nm光的噪声会被压缩，获得压缩光的输出。在其他的实施例中，光参量下转换介质可以选择普通的光参量下转换介质，也可以选择周期性极化的光参量下转换介质。
光学参量下转换介质是周期性极化磷酸钛氧钾(PPKTP)波导器件。
相位调制器一用来控制532nm泵浦光与1064nm信号光的相对位相差。位相差为0时，获得是正交位相压缩光，相位差为π时，获得是正交振幅压缩光。
本发明中“压缩态光源”，压缩指的是对相干态光源某一正交分量上的噪声的压缩。压缩态光源可以在不违背量子力学不确定性关系的基础上，将噪声进行了重新分配，使其一个分量小于散粒噪声极限，另一个分量大于散粒噪声极限。使用低于散粒噪声极限的正交分量去测量时，可以解决经典光源，也就是相干态光源，存在的散粒噪声极限问题，进一步提高探测的灵敏度。
压缩态光源的测量可以通过平衡零拍探测系统测量，平衡零拍探测系统主要包含50/50分束器和两个完全相同光电探测器，是用来探测信号的正交分量噪声的重要仪器。基本原理是用经典的强本底光干涉放大弱信号光场的两个分量，本底光与信号光的相对位相差，决定是测量弱信号光的哪个分量。
实施例二
如图2所示，为本发明实施二的基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源的结构示意图，包含激光器、隔离器、分束器、环形器一、倍频介质、相位调制器一、相位调制器二、相位调制器三、合束器、环形器二、入射光栅一、出射光栅二、入射光栅三、出射光栅四和光学参量下转换介质。
区别于实施案例一的技术方案，实施案例二中为倍频过程增设了同样的谐振腔结构，可以在激光器输出功率受限时，通过提高倍频效率，来获得更多的可用泵浦光。
在本实施例中，激光器发射1550nm低噪声单频激光，经隔离器后进入分束器，此处隔离器采用1550nm隔离器，分束器采用95/5分束器；经95/5分束器后，95％的1550nm激光进入到环形器一，此处的环形器一采用1550nm环形器。为了提高倍频转化效率，利用一对光栅设计了倍频谐振腔。入射光栅一对1550nm基频激光透过率90％，出射光栅二对1550nm基频激光高反，反射率大于99％，对775nm泵浦光高透，透过率大于99％。经入射光栅一反射回来的1550nm基频激光，通过1550nm环形器一输出。通过实时检测反射回来的1550nm基频激光的功率并获取误差信号，实时控制相位调制器一，使得1550nm基频激光在倍频腔内达到相干增强的效果。倍频介质为PPLN波导器件。经PPLN后产生775nm的泵浦光，然后通过出射光栅二进入到相位调制器二，并对所述泵浦光的相位进行调制，控制775nm泵浦光和1550nm信号光的相对位相差。经过合束器后，775nm泵浦光和1550nm信号光合束在一起，进入一个环形器二，此处的环形器二采用宽谱环形器。为了获得压缩态光源的输出，为光学参量下转换过程设计了谐振腔。入射光栅三对775nm泵浦光高透，透过率大于99％，对1550nm信号光高反，反射率大于98％，出射光栅四对775nm泵浦光高反，反射率大于99％，对于1550nm信号光透过率10％。同样的，通过反射光和相位调制器三的配合，使得1550nm信号光在光学参量下转换腔内实现相干增强。本实施例中的光学参量下转换介质是PPKTP波导器件。
本发明基于光学参量下转换原理，采用全光纤的结构，实现明亮压缩态的输出。相对于主流的自由空间光参量下转换方案，避免了传统自由空间结构复杂的模式匹配、模式锁定等问题，系统搭建与调试容易，同时结构紧凑、抗环境干扰能力强，且能更好的与后端应用系统兼容。相对于基于四波混频的全光纤压缩光源方案，利用了非线性介质中更高的二阶非线性系数，可获得更高的非线性转换效率和压缩度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于，包括：
激光器，用于线偏振地输出单频激光光束；
隔离器，连接在所述激光器的输出端，用于防止后续光路中的器件反射的激光光束返回到激光器中；
比例分束器，连接在所述隔离器的输出端，用于将从隔离器输出的单频激光分为两路，功率较大的一路光进入倍频介质，用于产生泵浦光，功率较小的一路光，进入光学参量下转换谐振腔，作为产生明亮压缩态光源的种子信号光；
波分复用器，连接在倍频介质的输出端，用于将基频光和泵浦光进行分束；
相位调制器一，用于调控被波分复用器分束出来的泵浦光的相位，控制泵浦光与种子信号光的相对位相差；
合束器，用于将相位调制器一调制后输出的泵浦光与经比例分束器分束的种子信号光合束；
光学参量下转换谐振腔，用于产生明亮压缩态的激光输出，包括：入射光栅一、出射光栅二、相位调制器二以及光学参量下转换介质；所述入射光栅一对泵浦光具有高透过率，对种子信号光具有高反射率，所述出射光栅二对泵浦光具有高反射率，对种子信号光具有低透过率，通过检测被入射光栅一反射的种子信号光的功率，获取误差信号，实时控制相位调制器二，控制种子信号光的相位；所述光学参量下转换介质用于发生光学参量下转换过程，实现压缩光的输出。
2.根据权利要求1所述的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于：所述相位调制器一用于控制泵浦光与种子信号光的相对位相差，位相差为0时，获得正交位相压缩光，相位差为π时，获得正交振幅压缩光。
3.根据权利要求1所述的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于：所述光学参量下转换介质为周期性极化磷酸钛氧钾波导器件。
4.根据权利要求1所述的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于：所述倍频介质采用周期性极化的铌酸锂波导器件。
5.根据权利要求1所述的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于：经过所述入射光栅一反射回来的种子信号光，通过环形器输出。
6.一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于，包括：
激光器，用于线偏振地输出单频激光光束；
隔离器，连接在所述激光器的输出端，用于防止后续光路中的器件反射的激光光束返回到激光器中；
比例分束器，连接在所述隔离器的输出端，用于将从隔离器输出的单频激光分为两路，功率较大的一路光进入倍频谐振腔，用于产生泵浦光，功率较小的一路光进入光学参量下转换谐振腔，作为产生明亮压缩态光源的种子信号光；
倍频谐振腔，包括：入射光栅一、出射光栅二、相位调制器一以及倍频介质；所述入射光栅一对入射的基频激光具有高透过率，透过的激光经过相位调制器一进入倍频介质产生泵浦光，所述出射光栅二对泵浦光具有高透过率，对基频激光具有高反射率；通过实时检测被反射的基频激光的功率并获取误差信号，实时控制相位调制器一，使得基频激光在倍频谐振腔内相干增强，提高倍频转换效率；
相位调制器二，接收所述泵浦光，并对所述泵浦光的相位进行调制；
合束器，用于将相位调制器二调制后输出的泵浦光与经比例分束器分束的基频激光合束；
光学参量下转换谐振腔，用于产生明亮压缩态的激光输出，包括：入射光栅三、出射光栅四、相位调制器三以及光学参量下转换介质；所述入射光栅三对泵浦光具有高透过率，对种子信号光具有高反射率，所述出射光栅四对泵浦光具有高反射率，对种子信号光具有低透过率，通过检测被入射光栅三反射的种子信号光的功率，获取误差信号，实时控制相位调制器三，控制种子信号光的相位；所述光学参量下转换介质用于发生光学参量下转换过程，实现压缩光的输出。
7.根据权利要求6所述的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于：所述激光器发射1550nm低噪声单频激光，所述隔离器采用1550nm隔离器，所述分束器采用95/5分束器。
8.根据权利要求6所述的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于：经过所述入射光栅一反射回来的基频激光，通过环形器一输出；经过所述入射光栅三反射回来的种子信号光，通过环形器二输出。
9.根据权利要求6所述的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于：所述光学参量下转换介质为周期性极化磷酸钛氧钾波导器件。
10.根据权利要求6所述的全光纤明亮压缩态光源，其特征在于：所述倍频介质采用周期性极化的铌酸锂波导器件。
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|---|---|---|---|---|
| CN116885557A (zh) * | 2023-09-05 | 2023-10-13 | 武汉中科锐择光电科技有限公司 | 基于波导结构的真空压缩态光子产生系统 |
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