CN116609984B - 一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，包括主光路、泵浦光反馈收集光路及反馈控制调节电路，主光路包括依次直线耦合的脉冲光源、泵浦滤波器、起偏器、分束器、KDP非线性晶体及两路光子探测器，泵浦光反馈收集光路包括依次耦合的第一固定反射镜、第二固定反射镜、压电陶瓷伺服控制反射镜及半波片，反馈控制调节电路与压电陶瓷伺服控制反射镜线缆连接。本发明提供的光源提高了单位时间内生成纠缠双光子对的效率，从而提高了其工程应用性，更加适宜应用于光纤陀螺等高精技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源。
背景技术
随着近年量子信息技术的发展，量子光纤陀螺的概念被提出，即在传统光纤陀螺的基础上将光源转变为纠缠双光子光源，干涉路径仍为光纤环圈。常见的双光子间的纠缠形式包括，动量和位置，时间和能量，偏振态，频率，光场的正交振幅和位相信息等。实际应用中，由于光子的偏振态易于控制和转换，使得偏振纠缠双光子被广泛应用。现有制备量子光源的方法主要有以下几种：（1）非线性晶体自发参量下转换过程SPDC；（2）原子系综或硅基材料自发四波混频过程；（3）量子点、NV色心等半导体材料光激子过程。在诸多量子光源中，自发参量下转换量子光源发展历史最悠久、技术最为成熟，被广泛应用于量子信息的各个领域，如量子密钥分配、量子隐形传态、量子计算、量子模拟等。
自发参量下转换是一种非线性效应，自发参量下转换是利用高频泵浦光子与非线性介质作用，在满足能量守恒和动量守恒的前提下，同时生成一对低频的信号光子与闲置光子。下转换光子具有时间、偏振、频率、自旋纠缠等特性，具有从泵浦波频率到晶格共振频率的宽光谱分布。
但是，由于实际应用时光源的光强极弱，探测器的分辨能力也有限，且参量下转换过程散发热量，泵浦光强也不可能无限增大，因此实际应用中捕捉到自发参量下转化的光子很困难，纠缠光子对的生成效率很低，所以将量子光源应用于光纤陀螺需克服一定的技术困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，通过循环光路，使泵浦光循环多次通过KDP非线性晶体，并通过反馈控制调节电路反馈光路光程伺服精密控制的方法，使多级泵浦光相干增强，提高单位时间内生成纠缠双光子对的效率。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，其包括主光路、泵浦光反馈收集光路及反馈控制调节电路，所述主光路包括依次直线耦合的脉冲光源、泵浦滤波器、起偏器、分束器、KDP非线性晶体及分别耦合于KDP非线性晶体两侧的两路光子探测器，两路所述光子探测器与KDP非线性晶体之间的连线分别与主光路之间的夹角为3°，所述泵浦光反馈收集光路包括依次耦合的第一固定反射镜、第二固定反射镜、压电陶瓷伺服控制反射镜及半波片，所述第一固定反射镜位于主光路所在直线上且与主光路呈 45°倾斜设置，所述第二固定反射镜位于第一固定反射镜的下方且与主光路所在直线呈45°倾斜设置，所述压电陶瓷伺服控制反射镜与第二固定反射镜所在直线与主光路平行，所述半波片耦合于压电陶瓷伺服控制反射镜与分束器之间，所述反馈控制调节电路与压电陶瓷伺服控制反射镜之间通过线缆连接。
进一步，反馈控制调节电路包括依次通过线缆连接的光功率计、微控制器、数模转换器及伺服驱动器，所述光功率计与分束器耦合，所述伺服驱动器与压电陶瓷伺服控制反射镜之间通过线缆连接。
优选的，脉冲光源为被动锁模激光器或主动锁模激光器。
优选的，光子探测器为硅单光子探测器。
发明的有益效果：
本发明提供的一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，通过循环光路，使泵浦光循环多次通过KDP非线性晶体，并通过反馈控制调节电路反馈光路光程并伺服精密控制的方法，使多级泵浦光相干增强，产生的下转换光子数为原来的四倍多，提高了单位时间内生成纠缠双光子对的效率，从而提高其工程应用性，更加适宜应用于光纤陀螺等高精技术领域。
附图说明
图1是本发明反馈调节式量子光源示意图。
图2是本发明主光路示意图。
图3是本发明反馈控制调节电路示意图。
图中：1.泵浦光源，2.分束器，3.压电陶瓷伺服控制反射镜，4.半波片，5.KDP非线性晶体，6.第二固定反射镜，7.第一固定反射镜，8.光子探测器，9.反馈控制调节电路，10.脉冲光源，11.泵浦滤波器，12.起偏器，13.光功率计，14.微控制器，15.数模转换器，16.伺服驱动器。
具体实施方式
一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，其示意图如图1所示，包括主光路、泵浦光反馈收集光路及反馈控制调节电路，所述主光路包括依次直线耦合的脉冲光源10、泵浦滤波器11、起偏器12、分束器2、KDP非线性晶体5及分别耦合于KDP非线性晶体两侧的两路光子探测器8，两路所述光子探测器与KDP非线性晶体之间的连线分别与主光路之间的夹角为3°，主光路示意图如图2所示，其中脉冲光源、泵浦滤波器及起偏器构成泵浦光源1，所述泵浦光反馈收集光路包括依次耦合的第一固定反射镜7、第二固定反射镜6、压电陶瓷伺服控制反射镜3及半波片4，所述第一固定反射镜位于主光路所在直线上且与主光路呈45°倾斜设置，所述第二固定反射镜位于第一固定反射镜的下方，且与主光路所在直线上呈45°倾斜设置，所述压电陶瓷伺服控制反射镜与第二固定反射镜所在直线与主光路平行，所述压电陶瓷伺服控制反射镜位于分束器下方，所述半波片耦合于压电陶瓷伺服控制反射镜与分束器之间，所述反馈控制调节电路9与压电陶瓷伺服控制反射镜之间通过线缆连接，两路光子探测器、两个固定反射镜及压电陶瓷伺服控制反射镜的设置既方便调节，又能缩短光程且使整个光源的体积最小化。
由于自发参量下转换是一种非线性效应，自发参量下转换是利用高频泵浦光子与非线性介质作用，在满足能量守恒和动量守恒的前提下，同时生成一对低频的信号光子与闲置光子。下转换光子具有时间、偏振、频率、自旋纠缠等特性，具有从泵浦波频率到晶格共振频率的宽光谱分布。
而自发参量下转化（SPDC）光场的产生原理类似于上述的参量混频过程，都是强光泵浦的非线性光学现象，但又有本质区别。一般的参量混频需要有两束光入射非线性晶体，而SPDC过程中只有一束泵浦光作用在非线性晶体上。SPDC过程可以通过温度或角度调谐产生下转换光，且满足能量和动量守恒条件，即相位匹配条件，如式（1）及式（2）所示：
（1）；
（2）；
其中：表示泵浦光频率，/>表示信号光频率，/>为闲置光频率，/>为泵浦光波矢，/>表示信号光波矢，/>为闲置光波矢；
因为自发参量下转化过程只有一束泵浦光作用在非线性晶体上，下转换光的起始光子数均为零，所以只有用量子理论才能解释它的产生机理。SPDC过程中泵浦光为强光，可以对泵浦场作经典处理，而对下转换场作量子化处理，则有式（3）、（4）、（5）：
（3）；
（4）；
（5）；
其中：为泵浦场的振幅，/>为普朗克常数，/>为信号光的介电常数，/>为闲置光的介电常数，/>为/>时段信号光的光子产生算符，/>为/>时段闲置光的光子产生算符，/>为/>时段信号光的光子湮灭算符，/>为/>时段闲置光的光子湮灭算符，、/>、/>为与波矢和偏振相关的量，/>为泵浦光的平面波模展开量，为信号光的平面波模展开量，/>为闲置光的平面波模展开量，/>为泵浦光光场经典表达式，/>信号光的光场半经典表达式，/>为闲置光的光场半经典表达式，/>为时段，/>为虚数。
由麦克斯韦方程推出的场的能量关系可知：单位时间从单位体积流出的能量加上电场用于单位体积媒质电极化的功率等于真空中贮能密度的减少速率，也就是媒质能量密度的增加速率，我们可以引入一个能量函数，即非线性偶矩的哈密顿密度U(E)，有式（6）：
（6）；
其中：为电极化强度，/>为电场，/>为对/>求导；
求出二阶非线性电极化强度，代入式（6），即可求出对应的非线性场的哈密顿量密度：
(7)；
其中：为二阶非线性系数，/>为电场在/>轴方向的分量，/>为电场在/>轴方向的分量，/>为电场在/>轴方向的分量；
将式（3）、（4）（5）式代入式（7）对体积积分，如式（8）所示，即可求得三波相互作用的哈密顿量；
（8）；
其中：为与泵浦光电场强度的振幅成正比的参数，/>可以通过式（9）计算得出，为信号光的光子产生算符，/>为信号光的光子湮灭算符，/>为闲置光的光子产生算符，为闲置光的光子湮灭算符；
（9）；
其中：为有效非线性系数，V为体积；
由于海森堡表象中任意时刻的波函数等于初始时刻的波函数，利用产生算符和湮灭算符的性质和正交性条件可得出任意时刻下转换光子数如式（10）和式（11）所示：
（10）；
（11）；
其中：为频率为/>的辐射场的光子数，/>为频率为/>的辐射场的光子数，为偏振方向；/>为/>时段频率为/>的光子数，/>为/>时段频率为/>的光子数，/>为光速，/>和/>中的“1”，是由于产生和湮灭算符之间的非对易性引起的，“1”这一项的出现是量子力学固有规律所决定的，正是如此，使得在没有输入的情况下(即=0，/>=0)，通过参量过程，下转换光子的输出也可以建立起来，为噪声光子数，如式（12）所示：
（12）；
由式（12）可以看出，下转换光子数与泵浦光强成正比。
但是由于实际应用时光源的光强极弱，探测器的分辨能力也有限，且参量下转换过程散发热量，泵浦光强也不可能无限增大，因此实际应用中捕捉到自发参量下转化的光子很困难，纠缠光子对的生成效率很低。
而本发明提供的一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，通过设置两个固定反射镜、一个压电陶瓷伺服控制反射镜及一个半波片，与分束器及KDP非线性晶体形成循环光路，使泵浦光循环多次通过KDP非线性晶体，并通过反馈控制调节电路反馈光路光程并伺服精密控制的方法，使多级泵浦光相干增强，产生的下转换光子数增加，克服了上述技术难题，可以提高单位时间内生成纠缠双光子对的效率，从而提高其工程应用性，更加适宜应用于光纤陀螺等高精技术领域。
以分束器反射透射比为9:1为例，每个反射镜的效率为96%左右，则本发明提供的用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源单次反馈泵浦光效率为原泵浦光的79.6%，假设原泵浦光光强为1，则多次反馈累加光强为：1+0.796+0.7962+0.7963+……+0.796n≈4.9；
由此可见，当反馈泵浦光多次通过KDP非线性晶体后，产生的下转换光子数为原来的四倍多，而无需增加光源本身的强度，并且无需改变原探测器的分辨能力也能进行精准探测。
而通过设置反馈控制调节电路与压电陶瓷伺服控制反射镜，可以精密控制泵浦光反馈回路的光程，使得反馈回路的光程可调节，达到反馈泵浦光与原泵浦光相干增强的目的。
在脉冲光源与起偏器之间设置泵浦滤波器，可以将脉冲光源输出的脉冲泵浦光波长以外的杂散光滤除，并消除回波反射，提高泵浦光的稳定性。
进一步，反馈控制调节电路包括依次通过线缆连接的光功率计13、微控制器14、数模转换器15及伺服驱动器16，反馈控制调节电路示意图如图3所示，所述光功率计与分束器耦合，所述伺服驱动器与压电陶瓷伺服控制反射镜之间通过线缆连接，泵浦光经分束器反馈给光功率计，光功率计将光信号进行光电转换后将电信号传输给微控制器，微控制器将电信号反馈给数模转换器，经数模转换器转换后传输给伺服驱动器，伺服驱动器驱动压电陶瓷伺服控制反射镜旋转一定角度，从而控制调节泵浦光反馈回路的光程，使得反馈回路的光程可调节，达到反馈泵浦光与原泵浦光相干增强的目的。
优选的，脉冲光源为被动锁模激光器或主动锁模激光器，主动锁模激光器需要在激光腔中增加调制器，射频信号驱动调制器对腔内光场实现周期性的幅度或者相位调制，当调制频率与纵模间隔相等时，可实现锁模，获得光脉冲，主动锁模激光器可选用振幅调制型，使得光在损耗较低处输出功率大，损耗较高处输出功率小甚至为零，这样周期循环，光脉冲峰值强度不断加强，而两翼强度不断衰减，从而使脉宽不断压缩，最后得到窄脉冲，主动锁模激光器也可以选用相位调制型，其调制频率可以是腔基频的N倍，可实现N次谐波锁模产生高重复频率锁模脉冲，在数据处理以及光通信领域具有显著优势。被动锁模激光器是指在谐振腔中插入可饱和吸收体构成锁模激光器，当光脉冲通过可饱和吸收体时，脉冲中心部分的强度较大，透射率高，靠近边沿的部分强度越小，透射率低，即脉冲边沿部分损耗大于中心部分，通过可饱和吸收体后被窄化，在激光腔中多次循环之后，实现短脉冲输出。
优选的，光子探测器为硅单光子探测器，其平均探测可达，效率0.81，暗计数可达30，通过采用本发明提供的一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，经光子探测器探测，其双光子符合产生数量由原来的5.0×104/s提高到20.1×104/s，提高了四倍多，上述理论计算基本吻合。
综上所述，本发明提供的一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，通过循环光路，使泵浦光循环多次通过KDP非线性晶体，并通过反馈控制调节电路反馈光路光程并伺服精密控制的方法，使多级泵浦光相干增强，产生的下转换光子数为原来的四倍多，提高了单位时间内生成纠缠双光子对的效率，从而提高其工程应用性，更加适宜应用于光纤陀螺等高精技术领域。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，其特征在于，包括主光路、泵浦光反馈收集光路及反馈控制调节电路，所述主光路包括依次直线耦合的脉冲光源、泵浦滤波器、起偏器、分束器、KDP非线性晶体及分别耦合于KDP非线性晶体两侧的两路光子探测器，两路所述光子探测器与KDP非线性晶体之间的连线分别与主光路之间的夹角为3°，所述泵浦光反馈收集光路包括依次耦合的第一固定反射镜、第二固定反射镜、压电陶瓷伺服控制反射镜及半波片，所述第一固定反射镜位于主光路所在直线上且与主光路呈 45°倾斜设置，所述第二固定反射镜位于第一固定反射镜的下方，且与主光路所在直线呈45°倾斜设置，所述压电陶瓷伺服控制反射镜与第二固定反射镜所在直线与主光路平行，所述半波片耦合于压电陶瓷伺服控制反射镜与分束器之间，所述反馈控制调节电路与压电陶瓷伺服控制反射镜之间通过线缆连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，其特征在于，所述反馈控制调节电路包括依次通过线缆连接的光功率计、微控制器、数模转换器及伺服驱动器，所述光功率计与分束器耦合，所述伺服驱动器与压电陶瓷伺服控制反射镜之间通过线缆连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，其特征在于，所述脉冲光源为被动锁模激光器或主动锁模激光器。
4.根据权利要求1所述的一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源，其特征在于，所述光子探测器为硅单光子探测器。
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