CN211579977U - 快速锁定电光强度调制器最小偏置点的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种快速锁定电光强度调制器最小偏置点的系统，包括激光器（1）、衰减器（2）、电光强度调制器（3）、光纤耦合器（4）、单光子探测器（5）、锁相放大器（6）、信号发生器（7）、第一加法器（8）、模拟比例积分微分控制器（9）、第二加法器（10）、数字延时脉冲发生器（11）。本实用新型实现了快速锁定电光强度调制器的最小偏置点，获得了长时间高消光比单光子脉冲输出。本实用新型解决了无法在单光子强度直接锁定电光强度调制器最小偏置点的问题，锁定系统简单、锁定精度高、稳定性高，能够应用于量子通信、光学传感等领域。

Description

快速锁定电光强度调制器最小偏置点的系统

技术领域

本实用新型涉及量子通信、光学传感等技术领域，具体为一种快速锁定电光强度调制器最小偏置点的系统，使用电光强度调制器通过周期性调制单光子信号分布概率并同频率解调相应的TTL信号，利用误差信号连续调谐偏置电压实时锁定最小偏置点，获得了长时间高消光比单光子脉冲输出。

背景技术

高消光比单光子脉冲在量子通信、光学传感等领域有重要的应用，在量子通信领域，单光子脉冲的消光比越高，则干涉可视度越高，相应的通信误码率越低，在光学传感领域，单光子脉冲的消光比越高，则测量误差越小，相应的测量准确度越高，因此如何获得高消光比单光子脉冲受到人们的广泛关注。电光强度调制器是基于晶体电光效应实现激光强度调制的器件，通常将电光强度调制器的偏置点设定在传输最小点，在射频端加载电脉冲信号即可将输入的连续单光子信号调制为高消光比单光子脉冲。但是，由于外部机械振动、环境温度变化、仪器老化等因素引起偏置点发生漂移。此时，脉冲光基底会分走一部分能量，导致单光子脉冲的消光比下降，因此需要锁定电光强度调制器的最小偏置点从而输出高消光比单光子脉冲。传统锁定方法都是基于经典强光进行锁定，不能在单光子强度直接进行锁定。

发明内容

为了解决现有技术不能在单光子强度直接锁定电光强度调制器最小偏置点的问题，本实用新型目的是提供一种快速锁定电光强度调制器最小偏置点的系统，可以在单光子强度自动实时锁定最小偏置点，从而输出长时间高消光比单光子脉冲，锁定系统简单、锁定精度高、稳定性高。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种快速锁定电光强度调制器最小偏置点的系统，包括激光器、衰减器、电光强度调制器、光纤耦合器、单光子探测器、锁相放大器、信号发生器、第一加法器、模拟比例积分微分控制器、第二加法器、数字延时脉冲发生器。

所述激光器输出线偏振激光信号经过衰减器后进入电光强度调制器，所述电光强度调制器的输出端与光纤耦合器的输入端相连，所述光纤耦合器的第一输出端作为信号输出端（用于科学研究），所述光纤耦合器的第二输出端与单光子探测器的输入端相连，所述单光子探测器的输出端与锁相放大器的输入端相连，所述锁相放大器的输出端与模拟比例积分微分控制器的输入端相连，所述信号发生器的输出端与第一加法器的第一输入端相连，所述模拟比例积分微分控制器的输出端与第一加法器的第二输入端相连，所述第一加法器的输出端与电光强度调制器的偏置端相连，所述锁相放大器的调制输出端与第二加法器的第一输入端相连，所述数字延时脉冲发生器的第一输出端与第二加法器的第二输入端相连，所述第二加法器的输出端与电光强度调制器的射频端相连，所述数字延时脉冲发生器的第二输出端与单光子探测器的触发端相连。

利用上述系统进行快速锁定电光强度调制器最小偏置点的方法，如下：

激光器输出沿保偏光纤慢轴传输的线偏振激光信号，激光信号进入衰减器降低强度到单光子量级，之后单光子信号沿保偏光纤慢轴传输进入电光强度调制器进行调制。

信号发生器输出三角波扫描信号通过第一加法器加载到电光强度调制的偏置端，以便在最小偏置点附近进行线性扫描，锁相放大器的调制端输出高频正弦波信号通过第二加法器加载到电光强度调制器的射频端，用于快速调制单光子信号分布概率，数字延时脉冲发生器输出一路TTL脉冲也通过第二加法器加载到电光强度调制器的射频端，用于将连续光斩成单光子脉冲光，调制的单光子脉冲沿保偏光纤慢轴传输进入光纤耦合器分为两束，一束单光子脉冲用于科学研究，另一束单光子脉冲由单光子探测器进行探测，数字延时脉冲发生器输出另一路TTL脉冲作为单光子探测器的触发时钟，调节两路TTL脉冲的时间间隔使得单光子探测器采集到的光子计数最大，单光子探测器将单光子脉冲光转换为TTL信号输入锁相放大器。

锁相放大器对调制的TTL信号进行解调，即该TTL信号和同频率调制信号进行混频处理并经过低通滤波后，得到用于锁定最小偏置点的误差信号，调节锁相放大器的积分时间、灵敏度、滤波斜率和调制信号的相位，使误差信号信噪比最大，误差信号的中心位置对应于传输曲线的最小偏置点，该误差信号用于实时跟踪锁定最小偏置点。

误差信号经过模拟比例积分微分控制器优化后经过第一加法器加载到电光强度调制器的偏置端，将信号发生器输出的三角波扫描信号切换为直流电压并调节电压幅度和模拟比例积分微分控制器的参数，使误差信号的幅度最小，误差信号通过连续调谐偏置电压实现实时锁定电光强度调制器的最小偏置点，获得了长时间高消光比单光子脉冲输出。

本实用新型利用电光强度调制器通过周期性强度调制单光子信号，并同频率解调光电转换的TTL信号，得到与传输曲线对应的误差信号，使用误差信号连续调谐偏置电压实时锁定传输曲线的最小偏置点。

本实用新型设计合理，解决了无法在单光子强度直接锁定电光强度调制器最小偏置点的问题，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表示本实用新型系统的连接示意图（虚线代表用保偏光纤传输的光信号，实线代表电信号）。

图2表示电光强度调制器的传输曲线图。

图3表示用于锁定最小偏置点的误差信号。

图中：1-激光器，2-衰减器，3-电光强度调制器，4-光纤耦合器，5-单光子探测器，6-锁相放大器，7-信号发生器，8-第一加法器，9-模拟比例积分微分控制器，10-第二加法器，11-数字延时脉冲发生器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。

一种快速锁定电光强度调制器最小偏置点的系统，如图1所示，包括激光器1（Orbits Lightwave，ETH）、衰减器2、电光强度调制器3、光纤耦合器4（THORLABS，PN1550R5A1）、单光子探测器5（Quantum，QCD300）、锁相放大器6（SRS，SR830）、信号发生器7（Tektronix，AFG3102）、第一加法器8、模拟比例积分微分控制器9（SRS，SIM960）、第二加法器10、数字延时脉冲发生器11（SRS，DG645）。

如图1所示，激光器输1出经典线偏振激光信号经过衰减器2后进入电光强度调制器3，电光强度调制器3的输出端与光纤耦合器4的输入端相连，光纤耦合器4的第一输出端输出信号用于科学研究，光纤耦合器4的第二输出端与单光子探测器5的输入端相连，单光子探测器5的输出端与锁相放大器6的输入端相连，锁相放大器6的输出端与模拟比例积分微分控制器9的输入端相连，信号发生器7的输出端与第一加法器8的第一输入端相连，模拟比例积分微分控制器9的输出端与第一加法器8的第二输入端相连，第一加法器8的输出端与电光强度调制器3的偏置端相连，锁相放大器6的调制输出端与第二加法器10的第一输入端相连，数字延时脉冲发生器11的第一输出端与第二加法器10的第二输入端相连，第二加法器10的输出端与电光强度调制器3的射频端相连，数字延时脉冲发生器11的第二输出端与单光子探测器5的触发端相连。

本实用新型实施例中所使用的电光强度调制器是具有马赫-曾德尔干涉仪结构的强度调制器，基于铌酸锂晶体的电光效应通过改变外部电压调节两个波导臂的相对相位从而实现激光强度调制。在经典光强下，利用直流电源和光电探测器依次测量电光强度调制器不同偏置电压下对应的透射光强，得到电光强度调制器的传输曲线图，如图2所示，由于环境扰动、仪器老化等因素导致传输曲线发生随机漂移，因此需要实时锁定最小偏置点。

利用上述系统进行快速锁定电光强度调制器最小偏置点的方法，如下：

激光器1输出沿保偏光纤慢轴传输的1550nm线偏振经典激光信号，激光信号进入衰减器2降低强度到单光子量级，即对应单光子探测器5每个探测门里平均光子数约为0.1，之后单光子信号沿保偏光纤慢轴传输进入电光强度调制器3进行调制。

信号发生器7输出10Hz三角波扫描信号通过第一加法器8加载到电光强度调制器3的偏置端，以便在最小偏置点附近进行线性扫描，锁相放大器6的调制端输出8kHz正弦波信号通过第二加法器10加载到电光强度调制器3的射频端，用于快速调制单光子信号分布概率，数字延时脉冲发生器11输出一路频率为4MHz的TTL脉冲也通过第二加法器10加载到电光强度调制器3的射频端，用于将连续光斩成4MHz单光子脉冲光，调制的单光子脉冲沿保偏光纤慢轴传输进入光纤耦合器4（分光比50:50）分为两束相等强度的单光子脉冲，一束单光子脉冲用于科学研究，另一束单光子脉冲由单光子探测器5进行探测，数字延时脉冲发生器11输出另一路频率为4MHz的TTL脉冲作为单光子探测器5的触发时钟，调节两路TTL脉冲的时间间隔使得单光子脉冲与单光子探测器5的采样门对齐，则单光子探测器5的采集效率最高，单光子探测器5将单光子脉冲光转换为TTL信号输入锁相放大器6。

锁相放大器6对调制的TTL信号进行解调，即该TTL信号和同频率调制信号进行混频处理并经过低通滤波后，得到用于锁定最小偏置点的误差信号，调节锁相放大器6的积分时间为3ms、灵敏度为50mV、滤波斜率为12dB，并改变正弦波调制信号的相位，使误差信号信噪比最大为39，如图3所示，误差信号的中心位置对应于传输曲线的最小偏置点，该误差信号用于实时跟踪锁定最小偏置点。

误差信号经过模拟比例积分微分控制器9优化后经过第一加法器8加载到电光强度调制器3的偏置端，将信号发生器7输出的三角波扫描信号切换为直流电压并调节电压幅度和模拟比例积分微分控制器9的参数，使误差信号的幅度最小，误差信号通过连续调谐偏置电压实现了实时锁定电光强度调制器3的最小偏置点，1000s内输出单光子脉冲的消光比大于27dB。

本实用新型实施例利用电光强度调制器通过周期性调制单光子信号分布概率并同频率解调相应的TTL信号，得到与传输曲线对应的误差信号，使用误差信号连续调谐偏置电压实时锁定传输曲线的最小偏置点，获得了长时间高消光比单光子脉冲输出。

总之，本实用新型提出在单光子强度直接快速锁定电光强度调制器最小偏置点的新系统，获得了长时间高消光比单光子脉冲输出，锁定系统简单、锁定精度高、稳定性高，能够应用于量子通信、光学传感等领域。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.一种快速锁定电光强度调制器最小偏置点的系统，其特征在于：包括激光器（1）、衰减器（2）、电光强度调制器（3）、光纤耦合器（4）、单光子探测器（5）、锁相放大器（6）、信号发生器（7）、第一加法器（8）、模拟比例积分微分控制器（9）、第二加法器（10）、数字延时脉冲发生器（11）；

所述激光器（1）输出线偏振激光信号经过衰减器（2）后进入电光强度调制器（3），所述电光强度调制器（3）的输出端与光纤耦合器（4）的输入端相连，所述光纤耦合器（4）的第一输出端作为信号输出端，所述光纤耦合器（4）的第二输出端与单光子探测器（5）的输入端相连，所述单光子探测器（5）的输出端与锁相放大器（6）的输入端相连，所述锁相放大器（6）的输出端与模拟比例积分微分控制器（9）的输入端相连，所述信号发生器（7）的输出端与第一加法器（8）的第一输入端相连，所述模拟比例积分微分控制器（9）的输出端与第一加法器（8）的第二输入端相连，所述第一加法器（8）的输出端与电光强度调制器（3）的偏置端相连，所述锁相放大器（6）的调制输出端与第二加法器（10）的第一输入端相连，所述数字延时脉冲发生器（11）的第一输出端与第二加法器（10）的第二输入端相连，所述第二加法器（10）的输出端与电光强度调制器（3）的射频端相连，所述数字延时脉冲发生器（11）的第二输出端与单光子探测器（5）的触发端相连。

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