CN117724242A - 一种基于移相器的hom干涉稳定设备和测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于移相器的HOM干涉稳定设备和测试系统，HOM干涉稳定设备包括：激光器(1)、第一分束器(2)、第一可调光衰减器(3)、第二可调光衰减器(4)、驱动器(5)、移相器(6)、可调光延时线(7)、第一偏振控制器(8)、第二偏振控制器(9)、第一偏振分束器(10)、第二偏振分束器(11)、第二分束器(12)。将移相器加入HOM干涉实验装置，通过电信号驱动移相器进行随机相位调制，能够抑制实验中的一阶干涉的产生，进而抑制一阶干涉对HOM干涉的影响，实现HOM干涉的稳定测试。
Description
技术领域
本发明属于量子信息科学技术领域，具体涉及一种基于移相器的HOM干涉稳定设备和测试系统。
背景技术
量子干涉是量子力学理论所预言的一个重要现象。其中，HOM干涉作为最著名的双光子干涉效应之一，在量子光学和量子信息科学中具有多种应用。HOM干涉是验证光子全同性和非经典聚束效应的关键实验。同时，HOM干涉实验在量子精密测量、量子通信和量子计算领域中具有广泛应用。例如，它可以用于测量自发参量下转换过程产生的双光子之间的到达时间差；可以用于量子隐形传态、量子密钥分发，构建光学量子网络和量子通信系统；可以用于实现线性光学量子计算等。
然而，在HOM干涉实验中，两个单光子在干涉仪中相遇后会相干叠加，发生一阶干涉现象。为了解决上述问题，探索相应的措施来消除或抑制一阶干涉对于HOM干涉实验的影响显得十分重要。
发明内容
本发明提供一种基于移相器的HOM干涉稳定设备和测试系统，将移相器加入HOM干涉实验装置，通过电信号驱动移相器进行随机相位调制，能够抑制实验中的一阶干涉的产生，进而抑制一阶干涉对HOM干涉的影响，实现HOM干涉的稳定测试。
本发明第一方面提供一种基于移相器的HOM干涉稳定设备，包括：激光器1、第一分束器2、第一可调光衰减器3、第二可调光衰减器4、驱动器5、移相器6、可调光延时线7、第一偏振控制器8、第二偏振控制器9、第一偏振分束器10、第二偏振分束器11、第二分束器12；
激光器1、第一分束器2依次连接；第一分束器2的两个输出端分别连接第一可调光衰减器3和第二可调光衰减器4；
第一可调光衰减器3、移相器6、第一偏振控制器8和第一偏振分束器10依次连接；将驱动器5和移相器6连接；
第二可调光衰减器4、可调光延时线7、第二偏振控制器9和第二偏振分束器11依次连接；
将第一偏振分束器10和第二偏振分束器11分别连接到第二分束器12的输入端；
所述第一分束器2将所述激光器1输出的光分为两部分，分别入射到所述HOM干涉仪对称的第一臂和第二臂中，第一臂包括依次连接的第一可调光衰减器3、移相器6、第一偏振控制器8和第一偏振分束器10，第二臂包括依次连接的第二可调光衰减器4、可调光延时线7、第二偏振控制器9和第二偏振分束器11；
所述驱动器5用于产生随机电信号驱动移相器6；
所述移相器6用于改变入射光的相位，实现随机相位调制；
所述可调光延时线7用于调节入射光的时延；
所述第一偏振控制器8和第二偏振控制器9用于调整干涉仪两臂的偏振状态，使两臂偏振状态保持一致；
所述第一偏振分束器10和第二偏振分束器11用于调整光子的偏振方向，使得两臂的光子偏振方向相同；
所述第一可调光衰减器3和第二可调光衰减器4用于将所述激光器1产生的激光衰减至单光子水平。
可选的，所述激光器1为主动锁模激光器、被动锁模激光器、固体激光器、气体激光器、半导体激光器、染料激光器或光频梳中的任一种。
可选的，所述第一可调光衰减器3、第二可调光衰减器4为数显式光衰减器、机械式光衰减器中的任一种。
可选的，所述驱动器5为任意函数发生器或任意波形发生器。
可选的，所述可调光延时线7为手动延时线或电动延时线。
可选的，所述移相器6包括声光调制器、光纤拉伸器、PZT相位调制器中任一种。
可选的，所述第一偏振控制器8、第二偏振控制器9包括手动光纤偏振控制器以及电动光纤偏振控制器中的任一种。
可选的，所述第一偏振分束器10、第二偏振分束器11包括平板偏振分束器、立方体偏振分束器以及光纤偏振分束器中的任一种。
本发明第二方面提供一种如上述第一方面中任一项所述的基于移相器的HOM干涉稳定设备的测试系统，包括：第一单光子探测器13、第二单光子探测器14、时间数字转换器15和数据处理设备16；
第二分束器12的输出端分别连接到第一单光子探测器13和第二单光子探测器14的输入端；
第一单光子探测器13和第二单光子探测器14的输出端连接时间数字转换器15；
时间数字转换器15和数据处理设备16依次连接；
所述时间数字转换器15用于记录第一单光子探测器13和第二单光子探测器14输出的电信号到达时间数字转换器15的时间序列，该时间序列以数字形式传输至数据处理设备16中，
所述数据处理设备16进行数据处理获得HOM干涉的符合计数。
可选的，所述第一单光子探测器13和第二单光子探测器14为雪崩二极管单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。
本发明的有益效果：
本发明的一种HOM干涉稳定测试方法，将移相器加入两臂对称的HOM干涉仪的其中一臂，通过进行随机相位调制以抑制一阶干涉对HOM干涉测试的影响，通过可调光延时线改变干涉仪一臂的时延来进行HOM干涉的符合测量，实现HOM干涉稳定测试。该稳定测试方法使用的所有器件，均来自成熟的商用化器件，可用于量子通信、量子计算和量子精密测量等领域，有利于光量子信息科技向着实用化、商业化发展。
附图说明
图1为本发明实施例的一种HOM干涉稳定设备的结构示意图；
图2为本发明实施例未加移相器的原始HOM干涉单边计数测量结果；
图3为本发明实施例的一种HOM干涉稳定测试方法的HOM干涉单边计数测量结果；
图4为本发明实施例未加移相器的原始HOM干涉获得的干涉条纹的实验结果；
图5为本发明实施例获得的HOM干涉条纹的实验和理论拟合结果；
附图标记说明：
1、激光器，2、第一分束器，3、第一可调光衰减器，4、第二可调光衰减器，5、驱动器，6、移相器，7、可调光延时线，8、第一偏振控制器，9、第二偏振控制器，10、第一偏振分束器，11、第二偏振分束器，12、第二分束器，13、第一单光子探测器，14、第二单光子探测器，15、时间数字转换器，16、数据处理设备。
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，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示意性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域的技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体设置和方法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了结构、方法、器件的任何改进、替换和修改。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以互相结合，各个实施例可以相互参考和引用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明实施例提供一种HOM干涉稳定设备，包括：激光器1、第一分束器2、第一可调光衰减器3、第二可调光衰减器4、驱动器5、移相器6、可调光延时线7、第一偏振控制器8、第二偏振控制器9、第一偏振分束器10、第二偏振分束器11、第二分束器12、第一单光子探测器13、第二单光子探测器14、时间数字转换器15和数据处理设备16；
激光器1、第一分束器2依次连接；第一分束器2的两个输出端分别连接第一可调光衰减器3和第二可调光衰减器4；第一可调光衰减器3、移相器6第一偏振控制器8和第一偏振分束器10依次连接；将驱动器5和移相器6连接；第二可调光衰减器4、可调光延时线7、第二偏振控制器9和第二偏振分束器11依次连接；将第一偏振分束器10和第二偏振分束器11分别连接到第二分束器12的输入端；将第二分束器12的输出端分别连接到第一单光子探测器13和第二单光子探测器14的输入端；将第一单光子探测器13和第二单光子探测器14的输出端连接时间数字转换器15；时间数字转换器15和数据处理设备16依次连接。
所述第一分束器2将所述激光器1输出的光分为两部分，分别入射到所述HOM干涉仪对称的第一臂和第二臂中，第一臂包括依次连接的第一可调光衰减器3、移相器6、第一偏振控制器8和第一偏振分束器10，第二臂包括依次连接的第二可调光衰减器4、可调光延时线7、第二偏振控制器9和第二偏振分束器11；
所述驱动器5用于产生随机电信号驱动移相器6；
所述移相器6用于改变入射光的相位，实现随机相位调制；
所述可调光延时线7用于调节入射光的时延；
所述第一偏振控制器8和第二偏振控制器9用于调整干涉仪两臂的偏振状态，使两臂偏振状态保持一致；
所述第一偏振分束器10和第二偏振分束器11用于调整光子的偏振方向，使得两臂的光子偏振方向相同；
所述第一可调光衰减器3和第二可调光衰减器4用于将所述激光器1产生的激光衰减至单光子水平；
所述时间数字转换器15用于记录第一单光子探测器13和第二单光子探测器14输出的电信号到达时间数字转换器15的时间序列，该时间序列以数字形式传输至数据处理设备16中，
所述数据处理设备16进行数据处理获得HOM干涉的符合计数。
上述实施例，将移相器加入两臂对称的HOM干涉仪的其中一臂，通过电信号驱动移相器来实现随机相位调制，通过可调光延时线改变干涉仪一臂的时延来进行HOM干涉的符合测量，实现HOM干涉稳定测试。该稳定测试方法使用的所有器件，均来自成熟的商用化器件，可用于量子通信、量子计算和量子精密测量等领域，有利于光量子信息科技向着实用化、商业化发展。
其中，激光器1用于提供高时间分辨率、高空间分辨率、宽谱带、高稳定的激光输出。本实施例使用Alnair Labs公司的PFL-200M激光器，重复频率为40MHz，脉宽为1.12ps。
第一分束器2为C波段的分束器，回波损耗大于50dB，具有一个输入端口和两个输出端口；第一分束器2的输入端口与锁模激光器相连，两个输出端口分别接入第一可调光衰减器3和第二可调光衰减器，输出端分束比为50：50。
所述第一可调光衰减器3和第二可调光衰减器4通过调节旋钮的方式精准控制激光器的输出功率，用于调整光输出功率到单光子水平。本实施例使用EXFO LTK-1衰减器，波长范围1250-1650nm，最大衰减65dB，插入损耗1.5dB，分辨率0.002dB。
所述驱动器5用于产生电信号驱动移相器6。本实施例使用泰克公司的任意函数发生器31252，输出电压范围为4～6V的三角波信号，重复频率为16kHz。
所述移相器6用于改变入射光的相位，实现随机相位调制。本实施例使用GeneralPhotonics公司的移相器FPS3，半波电压为12V。
所述可调光延时线7用于调节入射光的时延，实现微米精度级的干涉仪臂程差的改变。本实施例使用General Photonics的电动可调光延时线MDL002，延时范围为0-560ps，分辨率为1fs，回波损耗大于50dB。
所述第一偏振控制器8和第二偏振控制器9用于控制HOM干涉仪两臂的偏振一致，满足HOM干涉效应对偏振自由度的全同性要求。本实施例使用FPC561，波长范围1260-1625nm，插入损耗0.1dB。
所述第二分束器12用于实现HOM干涉，干涉仪两臂产生的全同光子分别从偏振分束器的两个输入端口入射，当两臂长度差大于光束的相干长度时，两个光子以相同的概率从第二分束器12的两个输出端口输出。当两个全同光子到达第二分束器12的时间相同时，此时两光子不可区分，由于光子聚束效应，两个光子便都从第二分束器12的某一个输出端口出射，而不会发生每个端口各有一个光子的情况。本实施例使用带保偏尾纤的四端口耦合器，工作模式为慢轴对准，具有两个输入端口，两个输出端口，输出端分束比为50：50，两个输入端口分别接HOM干涉仪两臂，两个输出端口分别接入第一单光子探测器13和第二单光子探测器14。
所述第一单光子探测器13和第二单光子探测器14用于探测发生HOM干涉后两光路的光子，并将光信号转化成电信号，输入到时间数字转换器中。本实施例使用超导纳米线单光子探测器，对1550nm波段的光的探测效率可以达到75％，暗计数小于100Hz，时间抖动68ps。
时间数字转换器15用于记录单光子探测器两个独立通道的入射光子数，记录它们的准确时间信号和通道号，并将数据传输至计算机，通过计算机获得符合计数。本实施例使用ID900时间数字转换器，每个通道的快速计数率高达100Mcps，分辨率为100ps。
可选地，所述激光器1为主动锁模激光器、被动锁模激光器、固体激光器、气体激光器、半导体激光器、染料激光器或光频梳中的任一种；
可选地，第一可调光衰减器3和第二可调光衰减器4为数显式光衰减器或机械式光衰减器；
可选的，驱动器5任意函数发生器或任意波形发生器等；
可选的，移相器6可包括声光调制器、光纤拉伸器、PZT相位调制器等任一种；
可选地，可调光延时线7为手动延时线或电动延时线等；
可选地，第一偏振控制器8和第二偏振控制器9可包括手动光纤偏振控制器以及电动光纤偏振控制器中的任一种；
可选地，第一偏振分束器10和第二偏振分束器11可包括平板偏振分束器、立方体偏振分束器以及光纤偏振分束器中的任一种；
可选地，第一单光子探测器13和第二单光子探测器14单光子探测器为雪崩二极管单光子探测器或超导纳米线单光子探测器；和/或，所述第一分束器2和第二分束器12为50/50分束器。
本发明实施例提供的一种HOM干涉稳定测试方法，基于前述的一种HOM干涉稳定测试实现，包括以下步骤：
利用激光器1发射激光，通过第一分束器2将输出光束分为两部分，分别入射到所述HOM干涉仪对称的第一臂和第二臂中，第一臂通过第一可调光衰减器3调整光输出功率到单光子水平，通过驱动器5产生随机电信号驱动移相器6进行随机相位调制；第二臂通过第二可调光衰减器4调整光输出功率与第一臂单光子水平一致，用可调光延时线调节入射光的时延；通过第一偏振控制器8和第二偏振控制器9使得两臂光子的偏振状态一致；通过第一偏振分束器10和第二偏振分束器11使得两臂光子的偏振方向一致；再将两臂光子输入到第二分束器12进行二阶HOM干涉；第一单光子探测器13和第二单光子探测器14将探测到的光信号转换为电信号，输出的电信号到达时间数字转换器15的时间序列，在数据处理设备16上进行符合测量。通过设置可调延时线7的不同延时位置，记录测试过程中第一单光子探测器13和第二单光子探测器14的单光子计数率变化以及符合测量结果，得到不同延时情况下的HOM干涉曲线。在本实施例中，分别测试不加入移相器6以及加入移相器6时的HOM干涉结果。
图2示出的为未加移相器的原始HOM干涉单边计数测量结果；图2中横坐标为时间，纵坐标为第一单光子探测器13和第二单光子探测器14的计数率。
图3示出的为本发明实施例的一种HOM干涉稳定测试方法的HOM干涉单边计数测量结果。图3中横坐标为时间，纵坐标为第一单光子探测器13和第二单光子探测器14的计数率。
图4示出的为原始HOM干涉的干涉条纹实验结果。图4中，横坐标为相对时延差，将符合计数最小点的相对时延差定义为0，其余点的相对时延差为该点的延迟线时延量与符合计数最小点的延迟线时延量之差。
图5示出的为本发明实施例的HOM干涉条纹的实验和理论拟合结果，其中实线为模拟结果，携带误差棒的数据点为实验结果。图5中，横坐标为相对时延差，将符合计数最小点的相对时延差定义为0，其余点的相对时延差为该点的延迟线时延量与符合计数最小点的延迟线时延量之差。
本发明所公开的HOM干涉稳定测试方法，可用于量子通信、量子计算和量子精密测量等领域，有利于光量子信息科技向着实用化、商业化发展。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于移相器的HOM干涉稳定设备，其特征在于，包括：激光器(1)、第一分束器(2)、第一可调光衰减器(3)、第二可调光衰减器(4)、驱动器(5)、移相器(6)、可调光延时线(7)、第一偏振控制器(8)、第二偏振控制器(9)、第一偏振分束器(10)、第二偏振分束器(11)、第二分束器(12)；
激光器(1)、第一分束器(2)依次连接；第一分束器(2)的两个输出端分别连接第一可调光衰减器(3)和第二可调光衰减器(4)；
第一可调光衰减器(3)、移相器(6)、第一偏振控制器(8)和第一偏振分束器(10)依次连接；将驱动器(5)和移相器(6)连接；
第二可调光衰减器(4)、可调光延时线(7)、第二偏振控制器(9)和第二偏振分束器(11)依次连接；
将第一偏振分束器(10)和第二偏振分束器(11)分别连接到第二分束器(12)的输入端；
所述第一分束器(2)将所述激光器(1)输出的光分为两部分，分别入射到所述HOM干涉仪对称的第一臂和第二臂中，第一臂包括依次连接的第一可调光衰减器(3)、移相器(6)、第一偏振控制器(8)和第一偏振分束器(10)，第二臂包括依次连接的第二可调光衰减器(4)、可调光延时线(7)、第二偏振控制器(9)和第二偏振分束器(11)；
所述驱动器(5)用于产生随机电信号驱动移相器(6)；
所述移相器(6)用于改变入射光的相位，实现随机相位调制；
所述可调光延时线(7)用于调节入射光的时延；
所述第一偏振控制器(8)和第二偏振控制器(9)用于调整干涉仪两臂的偏振状态，使两臂偏振状态保持一致；
所述第一偏振分束器(10)和第二偏振分束器(11)用于调整光子的偏振方向，使得两臂的光子偏振方向相同；
所述第一可调光衰减器(3)和第二可调光衰减器(4)用于将所述激光器(1)产生的激光衰减至单光子水平。
2.根据权利要求1所述的基于移相器的HOM干涉稳定设备，其特征在于，所述激光器(1)为主动锁模激光器、被动锁模激光器、固体激光器、气体激光器、半导体激光器、染料激光器或光频梳中的任一种。
3.根据权利要求1所述的基于移相器的HOM干涉稳定设备，其特征在于，所述第一可调光衰减器(3)、第二可调光衰减器(4)为数显式光衰减器、机械式光衰减器中的任一种。
4.根据权利要求1所述的基于移相器的HOM干涉稳定设备，其特征在于，所述驱动器(5)为任意函数发生器或任意波形发生器。
5.根据权利要求1所述的基于移相器的HOM干涉稳定设备，其特征在于，所述可调光延时线(7)为手动延时线或电动延时线。
6.根据权利要求1所述的基于移相器的HOM干涉稳定设备，其特征在于，所述移相器(6)包括声光调制器、光纤拉伸器、PZT相位调制器中任一种。
7.根据权利要求1所述的基于移相器的HOM干涉稳定设备，其特征在于，所述第一偏振控制器(8)、第二偏振控制器(9)包括手动光纤偏振控制器以及电动光纤偏振控制器中的任一种。
8.根据权利要求1所述的基于移相器的HOM干涉稳定设备，其特征在于，所述第一偏振分束器(10)、第二偏振分束器(11)包括平板偏振分束器、立方体偏振分束器以及光纤偏振分束器中的任一种。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的基于移相器的HOM干涉稳定设备的测试系统，其特征在于，包括：第一单光子探测器(13)、第二单光子探测器(14)、时间数字转换器(15)和数据处理设备(16)；
第二分束器(12)的输出端分别连接到第一单光子探测器(13)和第二单光子探测器(14)的输入端；
第一单光子探测器(13)和第二单光子探测器(14)的输出端连接时间数字转换器(15)；
时间数字转换器(15)和数据处理设备(16)依次连接；
所述时间数字转换器(15)用于记录第一单光子探测器(13)和第二单光子探测器(14)输出的电信号到达时间数字转换器(15)的时间序列，该时间序列以数字形式传输至数据处理设备(16)中，
所述数据处理设备(16)进行数据处理获得HOM干涉的符合计数。
10.根据权利要求9所述的测试系统，其特征在于，所述第一单光子探测器(13)和第二单光子探测器(14)为雪崩二极管单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311652291.8A CN117724242A (zh) | 2023-12-04 | 2023-12-04 | 一种基于移相器的hom干涉稳定设备和测试系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311652291.8A CN117724242A (zh) | 2023-12-04 | 2023-12-04 | 一种基于移相器的hom干涉稳定设备和测试系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117724242A true CN117724242A (zh) | 2024-03-19 |
Family
ID=90207998
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311652291.8A Pending CN117724242A (zh) | 2023-12-04 | 2023-12-04 | 一种基于移相器的hom干涉稳定设备和测试系统 |
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| CN (1) | CN117724242A (zh) |
-
2023
- 2023-12-04 CN CN202311652291.8A patent/CN117724242A/zh active Pending
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