CN209930266U - 一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，其中的测试装置的光源模块用于输出周期脉冲光，强度调制模块将经过待测不等臂干涉仪以及标准不等臂干涉仪的光脉冲中的非干涉光脉冲的强度调制到小于测量装置的灵敏度，最后通过功率计直接测量出光强值。因此本申请的装置光源采用普通的周期光源，测量装置中采用功率计进行测量，相对于现有采用宽谱光源以及光谱仪的测量装置而言成本大大减小。本申请的测量模块由于使用的是功率计，能够直观的准确的反应测量结果，而现有的测量装置采用的是光谱仪，需要根据测量的谱图利用经验估计法或测量计算法得出对比度。

Description

一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置

技术领域

本申请涉及光通信设备测试领域，具体涉及一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置。

背景技术

量子密钥分发系统通常采用相位编码、时间相位编码等方案，其中相位编码方案往往使用不等臂干涉仪实现。而不等臂干涉仪的干涉效果将显著影响量子密钥分发系统的错误率(信噪比)。为了保证量子光信号经过不等臂干涉仪仪后的干涉达到较高的对比度，使得量子密钥分发系统的错误率(信噪比)处于某一个可接受的范围内(例如，不大于3％)，因此通常将对比度作为评价不等臂干涉仪干涉效果的参数之一。

现有得到对比度的方案主要有两种方式。第一种方式为根据不等臂干涉仪的臂长差进行估算；第二种方式为根据不等臂干涉仪的臂长差建立不等臂干涉仪的相干度计算模型，根据相干度得到不等臂干涉仪的对比度。

上述两种方式的具体步骤如下：以白光干涉为例，首先搭建如图1所示不等臂干涉仪的测试装置，该测试装置包括宽谱光源、标准不等臂干涉仪以及光谱仪。当用于测量待测的不等臂干涉仪的臂长差时，将待测的不等臂干涉仪连接在所述光源以及标准不等臂干涉仪之间。具体方法为：根据光谱仪的测试结果(如图2所示)计算待测不等臂干涉仪的臂长差ΔL_DUT和标准不等臂干涉仪的臂长差ΔL_STD的差值，计算公式为：

其中λ₁与λ₂为图2中相邻两个波峰(或者波谷)的波长。由于标准不等臂干涉仪的臂长差ΔL_STD的值为已知值，因此根据|ΔL_DUT-ΔL_STD|的值即可得到待测不等臂干涉仪的臂长差ΔL_DUT的值。

当|ΔL_DUT-ΔL_STD|结果小于某一阈值(例如，100微米)时，判定待测不等臂干涉仪的臂长差合格，否则，判定待测不等臂干涉仪的臂长差不合格。完成待测不等臂干涉仪的臂长差ΔL_DUT和标准不等臂干涉仪的臂长差ΔL_STD的差值测量后，通常的做法是：

(1)经验估计法

根据经验，对于准单色光，假设中心频谱为方形，当待测不等臂干涉仪臂长差的误差小于100微米时，干涉仪的对比度大于100:1(典型经验值)。通过这种方法，只能够大致得到待测不等臂干涉仪的对比度超过某一值(如，100)，但具体为多少是无法确定的。

(2)测量计算法

首先，评估量子密钥分发系统的量子光源的光谱分布，所述光源为量子光源，测试结果为量子光源的光谱分布G(ω)，其中ω为频率。

对于量子光源中某一频率ω的光波，其电矢量为E(ω,r,t)

E(ω,r,t)＝E₀(r)exp[-i(ωt+φ₀)]

当这一光波经过待测不等臂干涉仪、标准不等臂干涉仪到达探测器时，其电矢量为

E₁(ω,r,t)＝E₀(r)exp[-i(ωt+φ₀+φ₁)]

E₂(ω,r,t)＝E₀(r)exp[-i(ωt+φ₀+φ₂)]

探测器上接收到的光强为

I(ω)＝[E₁+E₂]*[E₁+E₂]^*

定义

I₁(ω)＝[E₁]*[E₁]^*

I₂(ω)＝[E₂]*[E₂]^*

那么可以通过对频率积分的方式得到量子光源在探测器上产生的总光强

计算相干度(degree of coherence)γ₁₂如下

其中，(φ₁-φ₂)可以根据白光干涉的测量结果计算。

通过这种方法，可以大致计算得到待测不等臂干涉仪的相干度，但是这一结果与待测不等臂干涉仪的相干度的真实值仍然存在误差，误差的因素包括：

测量仪器所引入的误差：例如，受限于宽谱光源的工作波长范围、光谱平坦度，当|ΔL_DUT-ΔL_STD|较小时，光谱仪的测试结果为一个近似平坦的光谱分布，此时已经无法得到准确的λ₁、λ₂。该计算模型不能准确描述待测不等臂干涉仪的特性，例如，没有考虑待测不等臂干涉仪的插损不一致的问题，而待测不等臂干涉仪的插损不一致将降低不等臂干涉仪的相干度，所以计算得到的相干度将比真实相干度偏高。因此，根据相干度也无法得到准确的对比度。

综上所述，无论采用经验估计法还是测量计算法都需要使用宽谱光源以及光谱仪，因此主要有两个方面的缺点：(1)理想的宽谱光源以及光谱仪的价格非常昂贵，导致现有的不等臂干涉仪的测试装置的价格非常昂贵；(2)评价待测不等臂干涉仪性能的对比度通过光谱仪并不能够直接测量出，而需要根据光谱仪测量的谱图计算出不等臂的臂长差，然后根据臂长差进行经验估算或者测量计算出对比度，此外只有光源的频谱足够宽光谱仪测量的结果才准确，因此导致测量的结果不能直观的准确的反映出待测不等臂干涉仪的性能。

术语解释：

本申请所述的对比度定义为测试装置两个输出端口的光强的比值I₁/I₂，其中I₁取两个输出端口的光强中的大值。

发明内容

本申请提供一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，该测试装置包括光源模块、强度调制模块、标准不等臂干涉仪以及测量模块；

所述强度调制模块放置在所述标准不等臂干涉仪与所述测量模块之间；

所述光源模块用于输出周期脉冲光，该周期脉冲光经过放入该测试装置中的待测不等臂干涉仪以及该测试装置中的标准不等臂干涉仪和强度调制模块的处理后消除光脉冲中的非相干项，得到只含有干涉脉冲待测信号；

所述测量模块包括功率计，功率计用于根据接收的所述待测信号测量其光强值。

优选地，所述光源模块的输出端与所述标准不等臂干涉仪输入端之间用于放入所述待测不等臂干涉仪；

或者，所述标准不等臂干涉仪的输出端与所述强度调制模块输入端之间用于放入所述待测不等臂干涉仪。

优选地，所述消除光脉冲中的非相干项包括：

所述光源模块输出的每个光脉冲经过待测不等臂干涉仪仪以及标准不等臂干涉仪输出的三个光脉冲；

所述强度调制模块对于前一个脉冲以及后一个脉冲进行强度调制，使其强度小于光强测量装置的灵敏度，对于中间一个脉冲不调制。

优选地，所述待测不等臂干涉仪以及所述标准不等臂干涉仪中的BS均为50:50的分束器。

优选地，所述测量模块还用于根据光强值或者对比度值评价待测不等臂干涉仪的光量子相位态的编解码性能。

优选地，所述测试装置还包括移相器以及移相器控制单元；

所述移相器设置在所述标准不等臂干涉仪的其中一臂光路上，所述移相器控制单元根据所述测量模块测量的光强值调节所述移相器，用于补偿外界环境的影响。

由以上方案可知，本申请具有以下有益效果：

本申请提供一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，其中的测试装置，在用于不等臂干涉仪测试时，光源模块用于输出周期脉冲光，将经过待测不等臂干涉仪仪以及标准不等臂干涉仪输出的光脉冲中的非干涉光脉冲通过强度调制使其强度小于光强测量装置的灵敏度，得到只含有干涉项的待测信号，最后通过功率计直接测量出光强值。因此，本申请的测试装置与现有技术相比，有以下优点：

(1)本申请的装置光源采用普通的周期光源，测量装置中采用功率计进行测量，现有的测量装置采用宽谱光源以及光谱仪进行测量，而一台频谱比较宽的宽谱光源价格也要数万人民币，一台光谱仪需要数十万人民币，本申请测量装置的周期光源以及功率计的一般价格也就几百人民币，相对于现有采用宽谱光源以及光谱仪的测量装置而言成本大大减小。

(2)本申请的测量模块由于使用的是功率计，并且通过强度调制使待测信号中只含有干涉脉冲，消除影响测量结果准确性的非干涉项，不用考虑待测不等臂干涉仪的插损等问题，可以直接根据测量出的光强值得到准确的直观的用于评价待测不等臂干涉仪的参量值。而现有的测量装置采用的是光谱仪，输出的是光谱，不能够直观的表示出待测不等臂干涉仪的性能，而是根据测量的谱图利用经验估计法或测量计算法得出对比度，而且利用现有方案得出的对比度还受限于宽谱光源的工作波长范围、光谱平坦度的影响。因此，相对于现有的测量装置而言，本申请的测试装置能够直观的准确的反应测量结果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的测量不等臂干涉仪性能的测试装置；

图2为通过现有装置测量的光谱图；

图3为本申请的第一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置结构示意图；

图4为本申请的在未消除非相干项前光脉冲经过相应模块的波形示意图；

图5为本申请的基于强度调制模块消除非相干项的示意图；

图6为本申请的第二种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置结构示意图；

图7为本申请的补偿环境扰动的测试装置结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本申请的第一方面，提供一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，如图3以及图6所示的示意图，该测试装置包括光源模块、强度调制模块、标准不等臂干涉仪以及测量模块；所述强度调制模块放置在所述标准不等臂干涉仪与所述测量模块之间；所述光源模块用于输出周期脉冲光，该周期脉冲光经过放入该测试装置中的待测不等臂干涉仪以及该测试装置中的标准不等臂干涉仪和强度调制模块的处理后消除光脉冲中的非相干项，得到只含有干涉脉冲待测信号；所述测量模块包括功率计，功率计用于根据接收的所述待测信号测量其光强值。

测试装置中的强度调制模块消除非相干项时，强度调制模块需要放置在测量装置的最后一级，即强度调制模块输出的光脉冲即为待测信号直接传输给测量模块。光脉冲经过待测不等臂干涉仪以及标准不等臂干涉仪后输出的波形中含有非相干项，强度调制模块将非相干项的脉冲强度调制到测量模块的测量灵敏度以下(或远小于干涉脉冲的强度，例如，调制后的强度小于干涉脉冲强度的1/1000)，从而实现消除非相干项得到待测信号。

另外，本申请的测试装置与现有技术相比，有以下优点：

(1)本申请的装置光源采用普通的周期光源，测量装置中采用功率计进行测量，现有的测量装置采用宽谱光源以及光谱仪进行测量，而一台频谱比较宽的宽谱光源价格也要数万人民币，一台光谱仪需要数十万人民币，本申请测量装置的周期光源以及功率计的一般价格也就几百人民币，相对于现有采用宽谱光源以及光谱仪的测量装置而言成本大大减小。

(2)本申请的测量模块由于使用的是功率计，并且通过强度调制使待测信号中只含有干涉脉冲，消除影响测量结果准确性的非干涉项，不用考虑待测不等臂干涉仪的插损等问题，可以直接根据测量出的光强值得到准确的直观的用于评价待测不等臂干涉仪的参量值。而现有的测量装置采用的是光谱仪，输出的是光谱，不能够直观的表示出待测不等臂干涉仪的性能，而是根据测量的谱图利用经验估计法或测量计算法得出对比度，而且利用现有方案得出的对比度还受限于宽谱光源的工作波长范围、光谱平坦度的影响。因此，相对于现有的测量装置而言，本申请的测试装置能够直观的准确的反应测量结果。

所述光源模块的输出端与所述标准不等臂干涉仪输入端之间用于放入所述待测不等臂干涉仪；或者，所述标准不等臂干涉仪的输出端与所述强度调制器输入端之间用于放入所述待测不等臂干涉仪。

具体而言，本申请以图3所示的第一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置结构示意图为例，当所述光源模块的输出端与所述标准不等臂干涉仪输入端之间用于放入所述待测不等臂干涉仪时为例，光脉冲经过待测不等臂干涉仪仪以及所述标准不等臂干涉仪时的脉冲波形如图4所示，光源模块发出一个光脉冲，则该光脉冲经分束后分别通过待测不等臂干涉仪的长臂L₁与短臂S₁后，形成的波形如图4中的S₁与L₁两种波形。则波形L₁经分束后分别通过标准不等臂干涉仪的长臂L₂和长臂S₂形成的波形如图5中所示的L₁S₂以及L₁L₂，波形S₁经分束后分别通过标准不等臂干涉仪的长臂L₂和长臂S₂形成的波形如图5中所示的S₁S₂以及S₁L₂。因此，能够满足相干的波形为L₁S₂与S₁L₂，所以标准不等臂干涉仪输出的波形中除了相干项，还含有非相干项。因此未消除非相干项时的测量结果包含有非相干项，导致不能够准确的评价待测不等臂干涉仪的性能，需要通过强度调制模块将其中的非相干项消除。

因此所述强度调制器用于消除影响测量结果准确性的非干涉项，如图5所示的示意图，包括：所述光源模块输出的每个光脉冲经过待测不等臂干涉仪仪以及标准不等臂干涉仪输出的三个光脉冲；所述强度调制器对于前一个脉冲以及后一个脉冲进行调制，使其强度小于光强测量装置的灵敏度，对于中间一个脉冲不进行调制。

所述待测不等臂干涉仪以及所述标准不等臂干涉仪中的BS均为50:50的分束器。50:50的分束器保证了待测不等臂干涉仪以及所述标准不等臂干涉仪的两输出端的光强无损耗。

所述测量模块还用于根据光强值或者对比度值评价待测不等臂干涉仪的光量子相位态的编解码性能。本申请的测量装置可以根据功率计测量的极大值或者极小值判断待测光纤干涉仪，例如极大值越大或者极小值越小则表明待测光纤干涉仪的光量子相位态的编解码性能越好。当然也可以分别测量测试装置的两个输出端口的光强，将测量的两个输出端的光强进行对比，得到准确的对比度值I₁/I₂，其中I₁取两个输出端口的光强中的大值从而得到具体的待测不等臂干涉仪的测量数值，通过对比度值可以具体的。

在实际使用时，测量装置可能还会受到外部环境的影响，即外部环境的变化均会影响干涉仪的臂长，例如：外部环境温度、震动。为了补偿外部环境的影响，在标准干涉仪模块中增加移相器进行主动反馈。具体而言：本申请的测试装置还包括移相器以及移相器控制单元，如图7所示的示意图；所述移相器设置在所述标准不等臂干涉仪的其中一臂光路上，所述移相器控制单元根据所述测量模块测量的参量值调节所述移相器，得到参量值的变化关系。

具体的说，每当移相器根据所示移相器控制单元的控制指令对标准不等臂干涉仪的臂长差进行调节一次，测量模块就测量一个参量值，这些参量值的变化关系即可反映出外界环境对测试装置的影响。因此，通过所述移相器控制单元根据得到参量值的变化关系调节所述移相器，调整所在一臂光路的长度，用于补偿外界环境的影响。

此外，本申请的光源模块输出周期脉冲光，包括：控制光源模块输出的光脉冲发光频率为f，其中f和标准不等臂干涉仪的臂长差ΔL_STD的关系为：

其中，c为真空中的光速，n为制备标准不等臂干涉仪所用材质的折射率。保证了输出的周期光能够发生干涉。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，其特征在于，该测试装置包括光源模块、强度调制模块、标准不等臂干涉仪以及测量模块；

所述强度调制模块放置在所述标准不等臂干涉仪与所述测量模块之间；

所述光源模块用于输出周期脉冲光，该周期脉冲光经过放入该测试装置中的待测不等臂干涉仪以及该测试装置中的标准不等臂干涉仪和强度调制模块的处理后消除光脉冲中的非相干项，得到只含有干涉脉冲待测信号；

所述测量模块包括功率计，功率计用于根据接收的所述待测信号测量其光强值。

2.根据权利要求1所述的基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，其特征在于，

所述光源模块的输出端与所述标准不等臂干涉仪输入端之间用于放入所述待测不等臂干涉仪；

或者，所述标准不等臂干涉仪的输出端与所述强度调制模块输入端之间用于放入所述待测不等臂干涉仪。

3.根据权利要求1所述的基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，其特征在于，所述消除光脉冲中的非相干项包括：

所述光源模块输出的每个光脉冲经过待测不等臂干涉仪仪以及标准不等臂干涉仪输出的三个光脉冲；

所述强度调制模块对于前一个脉冲以及后一个脉冲进行强度调制，使其强度小于光强测量装置的灵敏度，对于中间一个脉冲不调制。

4.根据权利要求1所述的基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，其特征在于，所述待测不等臂干涉仪以及所述标准不等臂干涉仪中的BS均为50:50的分束器。

5.根据权利要求1所述的基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，其特征在于，所述测量模块还用于根据光强值或者对比度值评价待测不等臂干涉仪的光量子相位态的编解码性能。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于强度调制的不等臂干涉仪测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括移相器以及移相器控制单元；

所述移相器设置在所述标准不等臂干涉仪的其中一臂光路上，所述移相器控制单元根据所述测量模块测量的光强值调节所述移相器，用于补偿外界环境的影响。

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