CN116299870A - 光纤干涉装置和量子通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供光纤干涉装置和量子通信设备，所述光纤干涉装置包括：长臂和短臂；分束器，设置在所述长臂和所述短臂的输入端；合束器，设置在所述长臂和所述短臂的输出端；以及形状记忆金属构件，其中，所述短臂的光纤的部分或全部在第一温度下以预定张力缠绕在所述形状记忆金属构件上，当所述光纤干涉装置的周围温度从第一温度变化到第二温度时，所述形状记忆金属构件从第一形状转变成第二形状，以补偿在所述周围温度变化影响下的所述长臂中的光程变化相对于所述短臂中的光程变化的超出量。本发明能够提升光纤干涉仪对周围环境的适应性，以确保其干涉效果的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及光纤干涉装置和量子通信设备。
背景技术
光纤干涉仪是基于光的干涉原理而制作的仪器，并且其长臂与短臂之差的精度决定了量子通信系统的测量灵敏度和系统成码率。
然而，在实际使用中，光纤干涉仪的长臂与短臂容易受到环境因素变化（例如，温度变热或变冷）的影响，这会导致光纤干涉仪的长臂与短臂发生变化。由于光纤干涉仪的长臂与短臂的变化往往不一致，因此光纤干涉仪的长臂与短臂之差的精度难于控制，这会影响光纤干涉仪的性能，进而降低量子通信系统的测量灵敏度和系统成码率。
发明内容
本发明的目的在于提供光纤干涉装置和量子通信设备。
根据本发明的一方面，提供了一种光纤干涉装置，所述光纤干涉装置包括：长臂和短臂；分束器，设置在所述长臂和所述短臂的输入端；合束器，设置在所述长臂和所述短臂的输出端；以及形状记忆金属构件，其中，所述短臂的光纤的部分或全部在第一温度下以预定张力缠绕在所述形状记忆金属构件上，当所述光纤干涉装置的周围温度从第一温度变化到第二温度时，所述形状记忆金属构件从第一形状转变成第二形状，以补偿在所述周围温度变化影响下的所述长臂中的光程变化相对于所述短臂中的光程变化的超出量。
根据本发明的一个实施例，当所述光纤干涉装置的周围温度从第一温度上升到第二温度时，所述形状记忆金属构件从第一形状膨胀成第二形状，以通过所述膨胀在所述短臂中产生的光程变化补偿在所述周围温度上升影响下的所述长臂中的光程变化相对于所述短臂中的光程变化的超出量。
根据本发明的一个实施例，当所述光纤干涉装置的周围温度从第一温度下降到第二温度时，所述形状记忆金属构件从第一形状收缩成第二形状，以通过所述收缩在所述短臂中产生的光程变化补偿在所述周围温度下降影响下的所述长臂中的光程变化相对于所述短臂中的光程变化的超出量。
根据本发明的一个实施例，当所述光纤干涉装置的周围温度从第二温度变化到第一温度时，所述形状记忆金属构件从第二形状还原回第一形状。
根据本发明的一个实施例，所述形状记忆金属构件为柱体。
根据本发明的一个实施例，所述形状记忆金属构件由镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金和铁基形状记忆合金中的一种制成。
根据本发明的一个实施例，所述第一温度为常温。
根据本发明的一个实施例，所述光纤干涉装置包括在量子通信系统的发射端和/或接收端中。
根据本发明的一个实施例，所述量子通信系统的编码方式基于相位编码和时间相位编码中的一者。
根据本发明的一个实施例，当所述短臂的光纤的部分或全部在第一温度下以预定张力缠绕在所述形状记忆金属构件上时，所述光纤干涉装置在量子通信系统中处于最佳干涉状态。
根据本发明的另一方面，还提供了一种量子通信设备，包括如前所述的光纤干涉装置。
本发明所提供的光纤干涉装置能够提升光纤干涉仪对周围环境的适应性，以确保其干涉效果的稳定性。在此基础上，本发明所提供的量子通信设备能够进一步提升量子通信系统的测量灵敏度和系统成码率。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的光纤干涉装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的应用图1所示光纤干涉装置的迈克尔逊干涉仪的结构示意图。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的应用图1所示光纤干涉装置的迈克尔逊干涉仪的光路示意图。
具体实施方式
在光纤干涉仪中，当周围环境温度发生变化（例如，温度变热或变冷）时，长臂中的光程变化总是比短臂中的光程变化大，这会使得光纤干涉仪的长臂与短臂之间的光程差发生变化，导致光纤干涉仪的干涉效果不稳定。例如，当周围温度上升时，长臂中的光程和短臂中的光程均会增加，由于长臂的光纤比短臂的光纤长，因此长臂中的光程的增加量会比短臂中的光程的增加量多，因此，当周围温度上升时，光纤干涉仪的长臂与短臂之间的光程差会增大，光程差增大会导致光纤干涉仪的干涉效果变差。当周围温度下降时，长臂中的光程和短臂中的光程均会减少，由于长臂的光纤比短臂的光纤长，因此长臂中的光程的减少量会比短臂中的光程的减少量多，因此，当周围温度下降时，光纤干涉仪的长臂与短臂之间的光程差会减小，光程差减小也会导致光纤干涉仪的干涉效果变差。因此，当周围温度发生变化时，光纤干涉仪的长臂与短臂之间的光程差的精度将难于控制，这会影响光纤干涉仪干涉效果的稳定性。对于使用光纤干涉仪进行编解码的量子通信系统而言，这会降低量子通信系统的测量灵敏度和系统成码率。例如，在基于相位编码和时间相位编码的量子通信系统中，发射端的光学编码模块和接收端的光学解码模块中均包括光纤干涉仪，为了确保上述量子通信系统获得持续且稳定的最佳干涉效果以保证系统成码率的稳定性，必须使得包括在发射端的光学编码模块中的光纤干涉仪的长臂和短臂之间的光程差和包括在接收端的光学解码模块中的光纤干涉仪的长臂和短臂间的光程差在系统运行期间保持恒定，才能防止上述量子通信系统因光纤干涉仪的干涉效果变差而导致系统误码率的增加。
本发明的构思在于，将光纤干涉仪的短臂的光纤在第一温度下以预定张力缠绕在形状记忆金属构件上，以利用形状记忆金属构件的形状可随温度变化而变化的特性改变光纤干涉仪的短臂的光纤所受到的张力，这种张力在光纤干涉仪的短臂中的产生的光程变化趋势与周围温度变化在光纤干涉仪的短臂中的产生的光程变化趋势一致，例如，当周围温度上升时，形状记忆金属构件的形状变大，相应地，缠绕在形状记忆金属构件上的光纤的张力也随之增大，对于光纤干涉仪的短臂而言，张力的增大会使得光纤干涉仪的短臂中的光程在周围温度上升的影响下进一步增大，这种针对短臂中的光程的进一步的增大可有效地补偿或抵消在周围温度上升影响下的长臂中的光程变化相对于短臂中的光程变化的超出量。当周围温度下降时，形状记忆金属构件的形状变小，相应地，缠绕在形状记忆金属构件上的光纤的张力也随之减小，对于光纤干涉仪的短臂而言，张力的减小会使得光纤干涉仪的短臂中的光程在周围温度下降的影响下进一步减少，这种针对短臂中的光程的进一步的减少可有效地补偿或抵消在周围温度下降影响下的长臂中的光程变化相对于短臂中的光程变化的超出量。由此可见，将光纤干涉仪的短臂的光纤在第一温度下以预定张力缠绕在形状记忆金属构件上有助于使得光纤干涉仪的长臂中的光程变化和光纤干涉仪的短臂中的光程变化随着周围温度变化而保持一致，这样可确保光纤干涉仪的长臂和短臂之间的光程差随着周围温度变化而保持恒定，进而确保光纤干涉仪的干涉效果的稳定性。
下面，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的光纤干涉装置的结构示意图。
参照图1，根据本发明的示例性实施例的光纤干涉装置至少可包括长臂L1和短臂L2、分束器BS、合束器BC以及形状记忆金属构件SMA，其中，分束器BS可设置在长臂L1和短臂L2的输入端，合束器BC可设置在长臂L1和短臂L2的输出端，短臂L2的光纤的部分或全部可在第一温度下以预定张力缠绕在形状记忆金属构件SMA上，当光纤干涉装置的周围温度从第一温度变化到第二温度时，形状记忆金属构件SMA可从第一形状转变成第二形状，以补偿在周围温度变化影响下的长臂L1中的光程变化相对于短臂L2中的光程变化的超出量。
在一个示例中，当光纤干涉装置的周围温度从第一温度上升到第二温度时，形状记忆金属构件SMA可从第一形状膨胀成第二形状，以通过所述膨胀在短臂L2中产生的光程变化补偿在周围温度上升影响下的长臂L1中的光程变化相对于短臂L2中的光程变化的超出量，以确保光纤干涉仪的长臂中的光程变化和光纤干涉仪的短臂中的光程变化随着周围温度上升而保持一致。
在另一示例中，当光纤干涉装置的周围温度从第一温度下降到第二温度时，形状记忆金属构件SMA可从第一形状收缩成第二形状，以通过所述收缩在短臂L2中产生的光程变化补偿在周围温度下降影响下的长臂L1中的光程变化相对于短臂L2中的光程变化的超出量，以确保光纤干涉仪的长臂中的光程变化和光纤干涉仪的短臂中的光程变化随着周围温度下降而保持一致。
在图1示出的光纤干涉装置中，当光纤干涉装置的周围温度从第二温度变化到第一温度时，形状记忆金属构件SMA可从第二形状可还原回第一形状。
在图1示出的光纤干涉装置中，形状记忆金属构件可采用诸如，但不限于有助于缠绕光纤的柱体等形状来实现。
在图1示出的光纤干涉装置中，形状记忆金属构件可由诸如，但不限于，镍钛基形状记忆合金（Ni-Ti SMA）、铜基形状记忆合金（Cu SMA）和铁基形状记忆合金（Fe SMA）中的一种制成，其中，镍钛基形状记忆合金主要包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等记忆合金；铜基形状记忆合金主要包括Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等记忆合金；铁基形状记忆合金主要包括Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等记忆合金。这些记忆合金均能够随着温度的变化产生足够的形变以对缠绕在其上的光纤产生合适的张力。
可见，根据本发明的示例性实施例的光纤干涉装置能够确保其长臂和短臂之间的光程差随着周围温度的变化而保持恒定，以确保其干涉效果的稳定性。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的应用图1所示光纤干涉装置的迈克尔逊干涉仪的结构示意图。图3示出了根据本发明的示例性实施例的应用图1所示光纤干涉装置的迈克尔逊干涉仪的光路示意图。
参照图2和图3，根据本发明的示例性实施例的应用图1所示光纤干涉装置的迈克尔逊干涉仪可包括长臂L1和短臂L2的光纤、形状记忆金属构件SMA、法拉第反射镜101和102、以及既可用作分束器BS又可用作合束器BC的双入双出光纤耦合器103，其中，双入双出光纤耦合器103布置在迈克尔逊干涉仪的壳体内的一侧，法拉第反射镜101和102分别安装在设置于迈克尔逊干涉仪的壳体内的U型卡中，形状记忆金属构件SMA固定在迈克尔逊干涉仪的壳体内的底部，并且短臂L2的光纤在常温（诸如，25℃）下以预定张力缠绕在形状记忆金属构件SMA上。
当周围温度从25℃上升至30℃时，形状记忆金属构件SMA的形状发生膨胀，缠绕在形状记忆金属构件SMA上的光纤受到的张力变大，在张力变大和周围温度上升的双重影响下，短臂L2中的光程的增加量与长臂L1中的光程的增加量保持一致，这使得迈克尔逊干涉仪的长臂与短臂之间的光程差能够随着周围温度的上升而保持恒定，以确保其干涉效果的稳定性。
当周围温度从25℃下降至20℃时，形状记忆金属构件SMA的形状发生收缩，缠绕在形状记忆金属构件SMA上的光纤受到的张力变小，在张力变小和周围温度下降的双重影响下，短臂L2中的光程的减少量与长臂L1中的光程的减少量保持一致，这使得迈克尔逊干涉仪的长臂与短臂之间的光程差能够随着周围温度的下降而保持恒定，以确保其干涉效果的稳定性。
因此，根据本发明的示例性实施例的光纤干涉装置能够为使用光纤干涉仪进行编解码的量子通信系统（诸如，基于相位编码或时间相位编码的量子密钥分发系统）提供稳定、可靠的工作性能，因此，可将本发明的示例性实施例的光纤干涉装置应用于量子通信系统的发送端和接收端的光纤干涉仪中，以进一步提升量子通信系统的测量灵敏度和系统成码率。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本申请，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。
Claims (11)
1.一种光纤干涉装置，其特征在于，包括：
长臂和短臂；
分束器，设置在所述长臂和所述短臂的输入端；
合束器，设置在所述长臂和所述短臂的输出端；以及
形状记忆金属构件，
其中，所述短臂的光纤的部分或全部在第一温度下以预定张力缠绕在所述形状记忆金属构件上，当所述光纤干涉装置的周围温度从第一温度变化到第二温度时，所述形状记忆金属构件从第一形状转变成第二形状，以补偿在所述周围温度变化影响下的所述长臂中的光程变化相对于所述短臂中的光程变化的超出量。
2.根据权利要求1所述的光纤干涉装置，其特征在于，当所述光纤干涉装置的周围温度从第一温度上升到第二温度时，所述形状记忆金属构件从第一形状膨胀成第二形状，以通过所述膨胀在所述短臂中产生的光程变化补偿在所述周围温度上升影响下的所述长臂中的光程变化相对于所述短臂中的光程变化的超出量。
3.根据权利要求1所述的光纤干涉装置，其特征在于，当所述光纤干涉装置的周围温度从第一温度下降到第二温度时，所述形状记忆金属构件从第一形状收缩成第二形状，以通过所述收缩在所述短臂中产生的光程变化补偿在所述周围温度下降影响下的所述长臂中的光程变化相对于所述短臂中的光程变化的超出量。
4.根据权利要求1所述的光纤干涉装置，其特征在于，当所述光纤干涉装置的周围温度从第二温度变化到第一温度时，所述形状记忆金属构件从第二形状还原回第一形状。
5.根据权利要求1所述的光纤干涉装置，其特征在于，所述形状记忆金属构件为柱体。
6.根据权利要求1所述的光纤干涉装置，其特征在于，所述形状记忆金属构件由镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金和铁基形状记忆合金中的一种制成。
7.根据权利要求1所述的光纤干涉装置，其特征在于，所述第一温度为常温。
8.根据权利要求1所述的光纤干涉装置，其特征在于，所述光纤干涉装置包括在量子通信系统的发射端和/或接收端中。
9.根据权利要求8所述的光纤干涉装置，其特征在于，所述量子通信系统的编码方式基于相位编码和时间相位编码中的一者。
10.根据权利要求8所述的光纤干涉装置，其特征在于，当所述短臂的光纤的部分或全部在第一温度下以预定张力缠绕在所述形状记忆金属构件上时，所述光纤干涉装置在量子通信系统中处于最佳干涉状态。
11.一种量子通信设备，其特征在于，包括：
权利要求1至10中的任意一项所述的光纤干涉装置。
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