EP4689541A1 - Verfahren zum bereitstellen eines faserinterferometers - Google Patents

Verfahren zum bereitstellen eines faserinterferometers

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EP4689541A1
EP4689541A1 EP24715741.5A EP24715741A EP4689541A1 EP 4689541 A1 EP4689541 A1 EP 4689541A1 EP 24715741 A EP24715741 A EP 24715741A EP 4689541 A1 EP4689541 A1 EP 4689541A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
interferometer
components
component
tempering
Prior art date
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Pending
Application number
EP24715741.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erik FITZKE
Oleg Nikiforov
Thomas Walther
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Darmstadt
Original Assignee
Technische Universitaet Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Darmstadt filed Critical Technische Universitaet Darmstadt
Publication of EP4689541A1 publication Critical patent/EP4689541A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/02056—Passive reduction of errors
    • G01B9/02058—Passive reduction of errors by particular optical compensation or alignment elements, e.g. dispersion compensation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2861—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using fibre optic delay lines and optical elements associated with them, e.g. for use in signal processing, e.g. filtering
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29346—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by wave or beam interference
    • G02B6/29349—Michelson or Michelson/Gires-Tournois configuration, i.e. based on splitting and interferometrically combining relatively delayed signals at a single beamsplitter

Definitions

  • the present invention relates to a method for providing a fiber interferometer, to a fiber interferometer and in particular to a method for manufacturing and adjusting fiber interferometers with precise arm length difference and phase control by temperature adjustment.
  • interferometers For applications in the field of quantum telecommunications, interferometers are used that guide light or photons in waveguides (especially glass fibers) and whose arm lengths or optical path lengths, OPL, must be determined with high precision.
  • Fig. 5 shows the basic structure of a system for quantum key distribution (QKD) with phase-time coding. Shown are a pulse source io, a generation of 20 entangled photon pairs, and three fiber-based interferometers 30, 40, 50 in Mach-Zehnder design with single-photon detectors 31, 32, 41, 42, where a, ß, y denote phase settings of the interferometers 30, 40, 50.
  • the Mach-Zehnder design is only used here as an example; other types of interferometers, such as Michelson interferometers with Faraday mirrors, can also be used.
  • each interferometer 30, 40, 50 has a relatively large arm length difference, so that the arms can be referred to as "long" and “short” arms.
  • the three interferometers 30, 40, 50 can be located several dozen kilometers apart in different buildings and can be at least partially connected by optical fibers.
  • the optical fibers can run in the ground or over masts.
  • the task of determining the arm lengths or OPL with high precision for all interferometers 30, 40, 50 involved can be divided into two sub-aspects: firstly, determining the arm lengths or OPL on length scales significantly larger than the wavelength of the light ("macroscopic control"), and secondly, determining the change in the arm lengths or OPL on length scales smaller than the wavelength of the light.
  • the latter primarily serves to control the interferometer phase and is used in particular to achieve a high interference contrast.
  • One method is to adjust the fiber lengths in the interferometer arms to the correct lengths by removing material from facets of the fiber optics through polishing.
  • Regular control of the length by white light interferometry / optical coherence tomography (OCT) and the large amount of polishing required make this method labor-intensive.
  • Another method is to manufacture the interferometers 30, 40, 50 on an integrated optical chip instead of using glass fibers.
  • This method requires complex lithographic technology. Due to the birefringence of the waveguides on the chips, interferometers manufactured in this way are polarization-sensitive. For applications in quantum tele- However, for applications such as quantum key distribution, polarization-insensitive interferometers are required, which cannot be easily manufactured in this way.
  • Another method is to integrate optical delay lines in the interferometer, which are based on the decoupling of the light from the glass fiber, a variable propagation path in air and the re-coupling of the light into the glass fiber. Due to the decoupling and re-coupling of the light, this solution is associated with comparatively high light losses.
  • Another method is to use electronic, mostly electro-optical phase modulators or piezoelectric fiber tensioning devices to change the OPL by mechanically stretching glass fibers.
  • these tensioning devices require a minimum fiber length in the interferometers, which makes the interferometers susceptible to phase disturbances caused by external temperature influences.
  • the adjustment of the interferometer phase can be achieved by controlling the interferometer temperature and the associated change in the OPL.
  • additional components for electronic phase control such as electro-optical phase modulators or piezoelectric fiber clamping devices in the interferometer arms.
  • Quantum technology in particular is currently a still young industry in which the products are based on the current state of science. Many of them are not yet ready for series production, require expensive components or are very labor-intensive in the production and adjustment of the interferometers.
  • the manufacture of an interferometer is understood to mean its assembly from components up to macroscopic control, i.e. the determination of the arm lengths or OPL on length scales larger than the wavelength of light.
  • setting the interferometer is understood to mean setting the OPL on length scales smaller than the wavelength of the light.
  • Setting the interferometer phase can include fine adjustment of an optical path length of the interferometer and/or checking an interferometer phase. Setting the interferometer usually follows production.
  • an interferometer should be understood to mean at least its manufacture, but optionally also its adjustment.
  • the present invention relates to a method for providing a fiber interferometer, or fiber-based interferometer, based on components that are each designed to be connected to one another via fiber connections.
  • the fiber interferometer can in particular be a Michelson interferometer or Mach-Zehnder interferometer.
  • At least one of the components has a light-conducting fiber, in particular a glass fiber, which has a free end at a starting point of the method.
  • the method comprises producing the fiber interferometer.
  • the production of the fiber interferometer comprises preparing the components based on mechanically cutting the fiber with the free end, connecting the components by fiber connections based on the previously cut fiber, and applying a static mechanical stress to the at least one fiber connection in order to bring a length of the at least one fiber connection closer to a prescribed value and thus produce the fiber interferometer.
  • the method can in particular be based on prefabricated optical components.
  • the components can contain a mirror, a fiber coupler or a beam splitter.
  • Other components can be pure sections of fibers, for example.
  • a Mach-Zehnder interferometer can be constructed from two beam splitters, for example, and does not have to include any mirror components.
  • the components can each have a component housing in which a mirror, fiber coupler or partial reflector is enclosed accordingly.
  • the light-conducting fibers can in particular be glass fibers that are designed to guide light or photons into the interior of the component housing and/or out of the interior of the component housing.
  • the light-conducting fiber is therefore not or not completely enclosed by the component housing.
  • the light-conducting fiber on the respective component is usually surrounded by a coating, for example a polymer coating.
  • the polymer coating can enclose several fibers or fiber strands.
  • the fibers and components can be designed to preferentially guide light or photons of a certain polarization or to suppress the forwarding of light or photons of a certain polarization.
  • the fibers and/or components can be designed as polarization-maintaining fibers or components.
  • the preparation of the components does not include any further adjustment of the length of the respective fiber other than the mechanical cutting, i.e. in particular no polishing or tempering of the fiber.
  • the lengths of the light-conducting fibers are determined to within a tolerance of approximately 100 ⁇ m by preparing the components.
  • the components can be connected as part of assembling the components. This can include fixing the component housings in a relative position and can lead to at least a preliminary setting up of the first and second fibers.
  • the fiber connections can be created from fibers contained in the components.
  • the previously cut free end of the fiber of the at least one component can be connected to another end of a fiber of a further component.
  • the other end or the fiber of the further component can also have been mechanically cut beforehand.
  • At least two components are present, each of which has a fiber with a free end. At least one of these is cut precisely in the process.
  • the two free ends of the fibers of the components can then be connected by splicing, so that the optical path length of a resulting fiber connection can be set precisely to approximately 100 pm.
  • Other components of the interferometer do not necessarily have to have fibers with free ends.
  • Such components can also be connected using plug connections, for example.
  • connecting is to be understood broadly. In particular, it does not have to refer to the creation of a permanent connection, but rather the components can be connected or assembled in a provisional manner.
  • the lengths of the fiber connections can be determined by connecting them to within a tolerance of 100 pm. This can apply in particular to the length of the at least one fiber connection.
  • the at least one fiber connection can be based on the previously cut fiber of the at least one component.
  • the at least one fiber connection can be created by connecting previously cut free ends of fibers. Not all fiber connections have to be based on fibers with free ends.
  • Applying the static mechanical stress to the at least one fiber connection utilizes an optomechanical effect according to which the stress can change both a spatial length of the at least one fiber connection and a refractive index in the fiber. Both have a joint effect on the optical path length.
  • the term length of the at least one fiber connection, and generally the lengths of the fiber connections can also refer to purely spatial dimensions, but advantageously the term relates to an optical path length of the respective fiber connection.
  • the prescribed value can in particular be a suitable target value for the length.
  • the method includes adjusting the interferometer.
  • the interferometer can have a controllable device for adjustment after manufacture, in particular for fine adjustment and/or for checking the interferometer phase.
  • the controllable device can be, for example, an electro-optical phase modulator or a piezoelectric or electromechanical fiber stretcher.
  • the controllable device can be contained in one of the components.
  • adjusting the interferometer phase includes tempering the at least one fiber connection in order to bring the length closer to the prescribed value.
  • At least one fiber connection is actively tempered, i.e. brought to a temperature such that the length or its length increases or decreases to the prescribed value.
  • Tempering makes use of a thermo-optical effect, according to which a change in temperature can change the optical path length, in particular both the spatial length of the corresponding fiber and the refractive index.
  • the change in the optical path length is reversible.
  • Tempering can therefore be carried out in particular to achieve a microscopic change in length in the range of less than one wavelength in order to adjust the interferometer phase.
  • At least one fiber connection, and possibly several or all fiber connections can initially be exposed to target temperatures T which cause changes in the corresponding lengths by values greater than a typical wavelength of light or photons.
  • a Tin in the vicinity of T which act on the fiber connections can also be used to adjust the optical path lengths of the corresponding fibers to a tolerance of significantly less than 0.1 pm and thereby control the interferometer phase.
  • the optimal temperature of the fibers is then given by T + AT . Since the thermo-optical effect used is reversible, a different optical path length difference can be set by changing T at a later time and/or a different interferometer phase can be set by changing AT.
  • the application of a static mechanical stress can be combined with the tempering.
  • the stress can be applied while the temperature changes at the same time, or the two steps can be repeated individually or together iteratively. Between the repetitions, in particular, a test or check of the length of the fiber connections can take place.
  • the method can also be combined with other techniques for checking the optical path length. and phase.
  • additional adjustment devices for the phase or electronic fiber stretchers can also be installed in the interferometer.
  • a combination of precise mechanical preparation of the glass fibers used, the optomechanical and thermo-optical effects can therefore be used.
  • the mechanical preparation achieves accuracies of the path length difference of approx. 100 pm
  • the optomechanical effect achieves accuracies of up to approx. 10 pm
  • the thermo-optical effect achieves accuracies of up to less than 0.1 pm.
  • the static mechanical stress applied to the glass fibers in combination with the active adjustment of the temperature allow the phase in the interferometer to be controlled with a precisely set path length difference.
  • the interferometer can be adjusted exclusively by tempering.
  • preparing the components comprises fixing the at least one component with the fiber with the free end in a holding device, pre-tensioning the fiber by applying a tensile force to the free end of the fiber and clamping the fiber by a clamping device so as to enable mechanical cutting of the fiber.
  • the at least one component comprising the fiber with a free end has a component housing
  • the fixing of the at least one component comprises inserting the component housing into the holding device in order to enable the mechanical cutting of the fiber at a predetermined distance from the component housing.
  • the component The component housing can be inserted into a recess or milled recess in the holding device.
  • the fixing of the at least one component can also comprise clamping the fiber with the free end in a clamping device, wherein the clamping device is then inserted into the holding device.
  • the at least one component that comprises a fiber with a free end does not necessarily have to have a component housing; it can merely be a fiber section.
  • the clamping device is to be distinguished from a fiber clamping device.
  • the clamping device can be designed as a simple fiber holder.
  • the holding device can thus be designed to fix the at least one component via a component housing, or to fix the at least one component via the clamping device holding the fiber. This can be achieved, for example, by a suitable recess or milling in the holding device, into which the component housing or the clamping device can be inserted.
  • the application of the static mechanical tension is based on a mechanical, electromechanical or piezoelectric fiber tensioning device.
  • the fiber tensioning device can be provided as a further component or as part of a further component and can be integrated into the structure of the fiber interferometer when the components are assembled.
  • the fiber tensioning device or the component of the fiber interferometer which comprises the fiber tensioning device can in particular comprise a fiber with two loose ends. In other embodiments, however, the fiber tensioning device can also be used only to apply the static mechanical tension to a fiber of a component or to a fiber connection.
  • the fiber tensioning device can thus also be integrated into the fiber interferometer to be provided after the components have been connected.
  • the application of the static mechanical tension is based on a fiber tensioning device having a winding body designed to which winds at least one fiber connection around the winding body, and which has a changing device which is designed to change a diameter of the winding body and thus apply the tension.
  • the fiber interferometer to be manufactured has a tempering device which is designed to carry out the tempering based on the tempering device by changing a temperature.
  • thermo-optical effect can be used for macroscopic control and in particular for setting the interferometer, i.e. for fine adjustment and/or for controlling the interferometer phase. This is particularly advantageous if the same temperature control device can be used for both uses, which can in particular be firmly connected to the actual interferometer or integrated into the fiber interferometer.
  • macroscopic control of the lengths of the fiber connections requires temperatures or temperature differences T that can be several orders of magnitude greater than a temperature change AT required to set an interferometer phase.
  • macroscopic control of the length can be achieved by setting the temperature Tim in the range of a few degrees Celsius around room temperature, while AT is set in the range of millidegrees Celsius.
  • the tempering for adjusting the interferometer comprises in particular changing a temperature within a housing or tempering housing that encloses the at least one fiber connection.
  • the housing can be part of the temperature control device of the fiber interferometer and, in advantageous embodiments, can also completely enclose the latter.
  • the interferometer usually has two arms (for two different paths of the light), and in embodiments it has proven advantageous to arrange both arms in the housing or controlled environment. In embodiments it has also proven advantageous to be able to set a temperature to an accuracy of approx. 0.5 mK using the temperature control device.
  • the method comprises providing a reference interferometer and measuring the length of the at least one fiber connection based on a comparison with the reference interferometer.
  • Connecting the components, applying the mechanical stress and tempering can each be carried out over several stages or iterations, between which the measurements can be carried out.
  • component housings when assembling the components, can initially only be fixed loosely or easily detachably and the cut ends of the fibers can only be connected loosely or easily separably.
  • the length of the fiber connections can then be checked or inspected and, if necessary, corrected by the aforementioned measuring and, if necessary, corrected before the assembly of the components is completed and the components are firmly connected.
  • the application of a voltage and/or the tempering can each be carried out in a suitable alternation with a test or control and, if necessary, a correction, whereby the aforementioned measurement and comparison with the reference interferometer is carried out.
  • the measurement is based on white light interferometry and/or optical coherence tomography. Both methods are known in the state of the art for the purpose of comparing different interferometers and can be used advantageously here for testing or checking and, if necessary, correcting the length of the fiber connections.
  • Embodiments also relate to a fiber interferometer that is made of components that are connected by fiber connections.
  • the fiber interferometer comprises a fiber tensioning device that has a winding body around which at least one fiber connection is wound, and that has a fiber tensioning device that is designed to change a diameter of the winding body and thus apply a mechanical tension to the at least one fiber connection.
  • the fiber interferometer also comprises a tempering device which is designed to carry out a tempering of the fiber connections based on the tempering device by changing a temperature.
  • the tempering device can also be designed to effect an adjustment of the interferometer in addition to a macroscopic control of the lengths of the fiber connections, in particular to control an interferometer phase.
  • the method combines several techniques and effects to enable the construction and operation of interferometers that are as identical as possible with almost identical path length differences between the arms of each interferometer using conventional glass fiber-based components for optical communication technology.
  • length differences in the glass fibers to be installed that arose during production of the components are first measured and corrected by mechanical cutting.
  • the components are connected and remaining inaccuracies are compensated by the mechanical stretching of the glass fibers without the life expectancy of the glass fibers suffering. Adjustment, such as further fine adjustment, is carried out reversibly by adjusting the temperature.
  • a central aspect of the method is to exploit the combination of the optomechanical and thermo-optical effect in the glass fibers to change the spatial length and refractive index or the optical path length of the fibers and thereby adapt the optical path lengths to one another.
  • thermo-optical effect can also be used to control the interferometer phase.
  • the temperature range for the phase change in the fiber interferometer is several orders of magnitude smaller than the temperature range required to compensate for the residual errors.
  • the method can be divided into the following steps, for example: - Adjusting the fiber lengths on at least one of the interferometer components (accuracy in the millimeter range), embodiments comprise at least two components, each with a free end, in order to establish a connection between them by splicing, wherein at least one of the two components is adjusted in fiber length by mechanical cutting;
  • the interferometer phase can also be adjusted by adjusting the interferometer temperature.
  • An important aspect of the method is that in embodiments for providing the fiber interferometer, concrete values are not required for the temperature of the interferometer or for the mechanical stress, or they need to be known numerically. Rather, a known interferometer state, given by a fixed value of the optical path difference, can be specified and then mechanical stress and temperature optimized to achieve this state. The exact numerical values for mechanical stress and temperature are irrelevant. In embodiments, the mechanical stress or a change in length caused by it does not need to be known at all, and the temperature can be regulated to a target value using an uncalibrated sensor. This aspect also distinguishes the method presented from calibrating an interferometer for measurement purposes, in which known temperature, stress or loading values are used. load values are specified and adjusted in order to then calibrate a state of the interferometer via the resulting interference pattern. The method presented can be used to achieve an adjustment of a predefined interferometer state defined by the path difference, which is important for quantum optical applications.
  • Another important aspect of component preparation is a specially developed holding device for precise mechanical cutting of the lengths of glass fibers and the glass fibers on optical components.
  • Another important aspect is the compensation of the differences in the optical path length through a combination of optomechanical and thermo-optical effects. This includes static mechanical tensioning of the glass fiber and adjustment of the temperature.
  • Another important aspect is that fine adjustment of the optical path length with phase stabilization and matching can be achieved based solely on the control and adjustment of the interferometer temperature.
  • Another important aspect is that a known method of white light interferometry and/or optical coherence tomography in the frequency range of light or photons can be used to check, control and, if necessary, correct the optical path length during the process. This method can also be used for optical components with non-negligible chromatic dispersion.
  • preparing the components for mechanical cutting of the fibers may include fixing the component in question in a holding device, pre-tensioning the fiber by applying a tensile force to the free end of the fiber, and clamping the fiber by a clamping device so as to enable mechanical cutting of the fiber, for example, at a predetermined distance from a component housing.
  • a purely mechanical pre-tensioning device can be used to apply the mechanical tension, in particular, there is no need to use piezo-controlled fiber tensioning devices.
  • Another important aspect is that the adjustment of the interferometer phase can be based solely on changing a temperature, without the need to apply a mechanical stress for this purpose.
  • Embodiments of the present invention offer, among others, the following advantages.
  • the method presented enables a simple, precise and reproducible construction of fiber optic interferometers and the adjustment of their optical path length (OPL).
  • OPL optical path length
  • the interferometer arms for these fiber interferometers must be manufactured with a high precision in the range of a few micrometers.
  • the interferometer phase must be controlled in order to achieve a high interference contrast.
  • the method presented allows the OPL of the components required for construction to be precisely measured and the deviations that may still exist after assembly have been completed to be compensated.
  • the method presented then makes it possible to set the OPL by temperature changes down to the sub-micrometer range and thus control the interferometer phase.
  • the method presented makes it possible to reduce the manufacturing costs and time required for the construction of fiber interferometers with a precisely matched path length difference. Alignment with a reference interferometer enables the faster production of larger quantities of such fiber interferometers at low cost.
  • Fiber stretchers or phase modulators can reduce the required adjustment range of these components, making their application easier or allowing cheaper components to be used.
  • One example is the reduction of the required minimum fiber length for piezoelectric fiber stretchers, which leads to increased stability of the interferometer against temperature fluctuations.
  • Fig. i illustrates an embodiment of the presented method for manufacturing a fiber interferometer.
  • Fig. 2 illustrates steps of an embodiment for preparing components.
  • Fig. 3 shows a fiber tensioning device for applying a mechanical tension to a fiber.
  • Fig. 4 shows an embodiment of the presented fiber interferometer.
  • Fig. 5 shows a conventional system for quantum key exchange.
  • Fig. i illustrates an embodiment of the presented method for producing a fiber interferometer.
  • a starting point of the method comprises provided optical components, such as mirror components and in particular special Faraday mirrors, beam splitter components and light-conducting fibers.
  • a fiber tensioning device can be present which is built into the fiber interferometer. At least one component has a light-conducting fiber with a free end for connection to other components.
  • other devices in particular a temperature control device, can also be integrated into the fiber interferometer.
  • the method comprises preparing Sno the components by mechanically cutting the fibers, connecting S120 the components by fiber connections that can be created by connecting the free ends of the fibers, and applying S130 a static mechanical stress to at least one fiber connection in order to bring a length of the fiber connection closer to a prescribed value and thus produce the fiber interferometer.
  • the method also comprises adjusting the interferometer, which comprises tempering S140 the at least one fiber connection in order to bring the length of the at least one fiber connection closer to a prescribed value and thus provide the fiber interferometer overall.
  • the method can in particular also comprise providing a reference interferometer and measuring path length differences between the interferometer to be provided and a reference interferometer at various points, in particular when applying S130 the mechanical stress, but also during tempering S140.
  • the interferometer can be manufactured and/or provided with a precise, identical design to the reference interferometer.
  • Embodiments of the method are characterized by a combination of a simplified setup for Michelson interferometers and a method for their manufacture. Both allow for an uncomplicated manufacture of Franson interferometers for two-photon interference and provide a solution for the efficient manufacture of interferometers of the same construction that are as precise as possible.
  • meter and for setting the interferometer phase In the process, the components, i.e. the individual optical interferometer components, are prepared by cutting the corresponding fibers precisely and easily mechanically. Later, the remaining deviations in the optical path length of fiber connections are eliminated by a combination of opto-mechanical and thermo-optical effects.
  • the phase of the fiber interferometer can also be controlled by the thermo-optical effect, which can lead to a significant reduction in the complexity of the structure.
  • the optomechanical or thermo-optical effect describes changes in the refractive index of the glass fiber as a function of the applied mechanical stress or temperature.
  • the static mechanical stretching is applied to the fiber to adjust the length with an accuracy of the order of approximately io pm.
  • the fine adjustment of the OPL and interferometer phase is carried out by temperature changes and corresponds to a change in length of the order of less than io pm. Adjusting the phase requires a change in length of the order of less than o.i pm.
  • Fig. 2 schematically illustrates steps of an advantageous embodiment for a precise mechanical cutting of the glass fiber coupled components.
  • a component 150 is shown, specifically a glass fiber component (for example with a Faraday mirror or a beam splitter), which is partially enclosed in a component housing 154.
  • the light-conducting fiber 156 here in particular a glass fiber, which is to be precisely cut, runs out of the component housing 154. This has a free end 158.
  • the embodiment can also be implemented for components with one or more incoming and outgoing light-conducting fibers of a different type by carrying out the steps illustrated here for all fibers individually and one after the other.
  • Cleaving for example with a commercial fiber cleaver, reproducibly separates the fiber.
  • the end of the glass fiber 156 must usually be freed from a polymer coating and the required length of the glass fiber 156 must be determined.
  • One possible embodiment for this step is based, for example, on a pulling device with a weight attached to the glass fiber 156, so that the reproducible force F3 is applied by a weight force. Other methods for reproducibly applying the force F3 can also be used.
  • the clamping device 210 can be part of the holding device and can advantageously be positioned at a fixed, finely adjustable distance from the attachment of the component housing 154 in order to ensure the mechanical cutting or cleaving of the fiber 156 at a reproducible length.
  • the fiber length can thus be compensated or generated, as are required, for example, to compensate for length variations in the glass fiber 156.
  • the micrometer displacement unit can in particular be attached to the prepared base and be part of the holding device.
  • the clamping device 210 can be detachably connected to the micrometer displacement unit.
  • the clamping device 210 can then be removed from the micrometer displacement unit or from the prepared base and the fiber 156 can be mechanically cut with a cleaver at a length that is now precisely specified by the clamping device 210 (not shown). This cleaving produces fiber ends with a very precisely reproducible length relative to the clamping device 210 using most known cleaver machines. After a cleave process, the component 150 can be measured or installed directly.
  • Fig. 3 shows on the left a schematic and on the right a perspective view of a particularly advantageous fiber tensioning device 140, as it can be used for applying S130 the mechanical tension.
  • the fiber tensioning device 140 comprises a winding body 143 around which a fiber 146 is wound, and a changing device 145 which is designed to change a diameter of the winding body 143 by exerting a force spreading the winding body 143. to change the force F4 and thus determine a tension in the glass fiber 146. So that the winding body 143 can be spread, it has an opening or gap 144.
  • the fiber tensioning device 140 can initially be present as a component itself and comprise a fiber with one or two free ends.
  • the fiber in question can be mechanically cut during preparation S110.
  • the fiber tensioning device 140 itself does not need to have a fiber and can only be integrated into the fiber interferometer 100 during or after the components are connected S120.
  • a fiber of a component can be so long that it is wound around the winding body 143 of the fiber tensioning device 140 and then its free end is spliced to a free end of a fiber of another component. This can be advantageous because it saves splice points.
  • the fiber tensioning device 140 comprises a ring made of copper or brass as a winding body 143, which is half-open and can be spread inside by a screw in a change device 145.
  • the material can advantageously be selected so that the thermal conductivity of the ring 143 is as high as possible.
  • a counter screw 147 secures the spreading.
  • the glass fiber 146 can be wound around the outside of the ring 143 in specially provided grooves and attached at certain points opposite the opening 144 of the ring 143 with adhesive.
  • Fig. 4 shows an embodiment of a fiber interferometer 100 as it can be manufactured using the method presented.
  • the structure is that of a Michelson interferometer.
  • the fiber interferometer 100 is made up of components (110, 120, 130) that are connected by fiber connections 101, 102.
  • the fiber interferometer 100 in the present embodiment has a first mirror component 110, a second mirror component 120 and a beam splitter component 130, wherein the beam splitter component 130 is connected to the first mirror component 110 via a first fiber connection 101 of a first length and to the second mirror component 120 via a second fiber connection 102 of a second length.
  • the fiber interferometer 100 comprises a fiber tensioning device 140 with a winding body around which at least one fiber connection, namely the second fiber connection 102, is wound.
  • the second fiber connection 102 is wound around the fiber tensioning device 140 as shown in Fig. 3.
  • the fiber tensioning device 140 can be used to generate a static tension in the glass fiber 102 and thus adjust the OPL.
  • the fiber tensioning device 140 comprises a changing device 145 which is designed to change a diameter of the winding body 143 and thus apply a mechanical tension to the second fiber connection 102.
  • the fiber tensioning device 140 can be part of a separate component.
  • the figure shows fiber connection points 107 in the first fiber connection 101 and the second fiber connection 102, at which the individual components 110, 120, 130 were joined together.
  • the illustrated parts of the fiber interferometer 100 can be accommodated in a housing or tempering housing with active temperature stabilization (not illustrated).
  • This tempering device is designed to carry out the tempering S140 of the second fiber connection 102 and advantageously also of the first fiber connection 101 by changing a temperature in order to adjust the interferometer 100.

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zu einem Bereitstellen eines Faserinterferometers (100), ausgehend von Komponenten (110, 120, 130, 150), wobei zumindest eine Komponente (150) eine lichtleitende Faser (156) mit einem freien Ende (158) aufweist. Das Verfahren umfasst ein Herstellen des Faserinterferometers mit einem Vorbereiten (S110) der Komponenten (110, 120, 130, 150), basierend auf einem mechanischen Schneiden der Faser (156) mit dem freien Ende (158), einem Verbinden (S120) der Komponenten (110, 120, 130, 150) durch Faserverbindungen (101, 102), basierend auf der geschnittenen Faser (156), und mit einem Anlegen (S130) einer statischen mechanischen Spannung an zumindest eine Faserverbindung (102), um so eine Länge der zumindest einen Faserverbindung (102) einem vorgeschriebenen Wert anzunähern und so das Faserinterferometer (100) bereitzustellen.

Description

Verfahren zum Bereitstellen eines Faserinterferometers
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines Faserinterferometers, auf ein Faserinterferometer und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung und Justage von Faserinterferometern mit präzisem Armlängen-Unterschied und Phasenkontrolle durch Temperaturanpassung.
HINTERGRUND
Für Anwendungen im Bereich der Quantentelekommunikation werden Interferometer eingesetzt, die Licht bzw. Photonen in Wellenleitern (insbesondere Glasfasern) leiten und deren Armlängen bzw. optische Pfadlängen, OPL, mit einer hohen Präzision festgelegt werden müssen.
Fig. 5 zeigt als Beispiel für eine solche Anwendung den prinzipiellen Aufbau eines Systems zur Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) mit einer Phase-Zeit-Codierung. Dargestellt sind eine Pulsquelle io, eine Erzeugung 20 verschränkter Photonenpaare, sowie drei faserbasierte Interferometer 30, 40, 50 in Mach-Zehnder-Bauweise mit Einzelphotonendetektoren 31, 32, 41, 42, bei denen a, ß, y Phaseneinstellungen der Interferometer 30, 40, 50 bezeichnen. Die Mach-Zehnder-Bauweise dient hier lediglich als Beispiel; es können auch andere Interferometertypen, etwa Michelson-Interferometer mit Faraday-Spiegeln, verwendet werden. Für die Anwendung von Bedeutung ist allerdings, dass jedes Interferometer 30, 40, 50 eine relativ große Armlängendifferenz aufweist, sodass die Arme als „langer“ und „kurzer“ Arm bezeichnet werden können. Die drei Interferometer 30, 40, 50 können sich mehrere Dutzend Kilometer weit voneinander entfernt in unterschiedlichen Gebäuden befinden und zumindest teilweise mit Glasfasern verbunden sein. Die Glasfasern können dabei etwa im Boden oder über Masten verlaufen.
Mit der dargestellten Kombination aus Interferometern 30, 40, 50 kann die sogenannte Zweiphotoneninterferenz nach Franson erzielt und zur Erzeugung von Quantenschlüsseln genutzt werden. Dabei ist erforderlich, dass sich die Armlängendifferenzen zwischen einzelnen Interferometern 30, 40, 50 nur in geringem Maß, nämlich um deutlich weniger als die Kohärenzlänge der Photonen, unterscheiden. Das heißt, dass idealerweise die langen Arme der drei Interferometer 30, 40, 50 gleich lang sind, und die kurzen Arme auch. Eine weitere Anforderung besteht darin, die Phase in allen drei Interferometern 30, 40, 50 relativ zueinander konstant zu halten (z.B. a+ß+y=o).
Die Aufgabe, bei allen beteiligten Interferometern 30, 40, 50 die Armlängen bzw. OPL mit hoher Präzision festzulegen, lässt sich in zwei Teilaspekte aufteilen: Einerseits in ein Festlegen der Armlängen bzw. OPL auf Längenskalen deutlich größer als die Wellenlänge des Lichts („makroskopische Kontrolle“), und andererseits in ein Festlegen der Änderung der Armlängen bzw. OPL auf Längenskalen kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Letzteres dient vornehmlich der Kontrolle der Interferometerphase und wird insbesondere eingesetzt, um einen hohen Interferenzkontrast zu erzielen.
Um zur makroskopischen Kontrolle Genauigkeiten der OPL im Millimeterbereich zu erzielen, ist die geometrische Vermessung der Glasfasern z.B. mit einem Lineal ausreichend. Um höhere Genauigkeiten der makroskopischen Armlängen zu erzielen, sind mehrere Verfahren bekannt.
Ein Verfahren besteht in der Anpassung der Faserlängen in den Interferometerarmen auf die richtigen Längen durch das Ab tragen des Materials an Facetten der Glasfaser durch Polieren. Eine regelmäßige Kontrolle der Länge durch Weißlicht-Interferometrie / Optische Kohärenztomographie (OCT) und der große Aufwand beim Polieren machen diese Methode arbeitsintensiv.
Ein weiteres Verfahren besteht in der Herstellung der Interferometer 30, 40, 50 auf einem integrierten optischen Chip anstelle der Verwendung von Glasfasern. Dieses Verfahren erfordert aufwendige lithographische Technik. Durch die Doppelbrechung der Wellenleiter auf den Chips sind auf diese Weise hergestellte Interferometer polarisations-sensitiv. Für Anwendungen in der Quantentele- kommunikation wie der Quantenschlüsselverteilung sind allerdings polarisati- ons-insensitive Interferometer notwendig, die auf diese Weise nicht ohne Weiteres gefertigt werden können.
Ein weiteres Verfahren besteht darin, optische Verzögerungsstrecken im Interferometer zu integrieren, die auf der Auskopplung des Lichts aus der Glasfaser, einer variablen Propagationsstrecke in Luft und der Wiedereinkopplung des Lichts in die Glasfaser basieren. Durch die Auskopplung und Wiedereinkopplung des Lichts ist diese Lösung mit vergleichsweise hohen Verlusten des Lichts verbunden.
Ein weiteres Verfahren besteht darin, elektronische, zumeist elektrooptische Phasenmodulatoren oder piezoelektrische Faserspanneinrichtungen einzusetzen, um durch mechanische Dehnung von Glasfasern die OPL zu ändern. Um einen genügend großen Justagebereich der OPL durch diese Einrichtungen allein zu ermöglichen, erfordern diese Spanneinrichtungen eine Mindestfaserlänge in den Interferometern, welche die Interferometer anfällig für Störungen der Phase durch externe Temperatureinflüsse macht.
Die Justage der Interferometerphase kann im Stand der Technik durch die Kontrolle einer Interferometertemperatur und die damit einhergehende Änderung der OPL erreicht werden. Daneben ist es bekannt, zusätzliche Bauteile zur elektronischen Phasenkontrolle wie z.B. elektrooptische Phasenmodulatoren oder piezoelektrische Faserspanneinrichtungen in den Interferometerarmen zu verbauen.
Im Stand der Technik ist es zudem bekannt, Verfahren zur Stabilisierung der Interferometertemperatur einzusetzen, um bei einem Einsatz des Interferometers durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Phasenänderungen des Interferometers soweit abzuschwächen, dass die Phase nachgeregelt werden kann.
Besonders bei der Quantentechnologie handelt es sich derzeit um eine noch junge Branche, in der die Produkte sich an dem aktuellen Stand der Wissenschaft orientieren. Vieles dabei ist noch nicht serienreif, benötigt teure Komponenten oder ist sehr arbeitsintensiv in der Herstellung und Einstellung der Interferometer.
Hier und im Folgenden soll unter einer Herstellung eines Interferometers dessen Zusammenbau aus Komponenten bis zur makroskopischen Kontrolle, also dem Festlegen der Armlängen bzw. OPL auf Längenskalen größer als die Wellenlänge des Lichts, verstanden werden.
Weiter soll hier und im Folgenden unter einer Einstellung des Interferometers ein Festlegen der OPL auf Längenskalen kleiner als die Wellenlänge des Lichts verstanden werden. Die Einstellung der Interferometerphase kann eine Feinjustage einer optischen Weglänge des Interferometers und/oder eine Kontrolle einer Interferometerphase umfassen. Die Einstellung des Interferometers schließt sich üblicherweise an die Herstellung an.
Zudem soll hier und im Folgenden unter einer Bereitstellung eines Interferometers zumindest dessen Herstellung, optional aber auch dessen Einstellung verstanden werden.
Es besteht ein Bedarf nach kostengünstigen und effizienten Lösungen zur Herstellung möglichst präzise baugleicher Interferometer sowie zur Einstellung von deren Interferometerphase.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Dieses Ziel wird zumindest teilweise durch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Faserinterferometers nach Anspruch 1 und durch ein Faserinterferometer nach Anspruch 13 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bereitstellung eines Faserinterferometers, bzw. faserbasierten Interferometers, basierend auf Komponenten, die jeweils ausgebildet sind, um über Faserverbindungen miteinander verbunden zu werden. Das Faserinterferometer kann insbesondere ein Michelson-Interferometer oder Mach-Zehnder Interferometer sein. Zumindest eine der Komponenten weist eine lichtleitende Faser, insbesondere etwa eine Glasfaser, auf, die an einem Ausgangspunkt des Verfahrens über ein freies Ende verfügt. Das Verfahren umfasst ein Herstellen des Faserinterferometers. Das Herstellen des Faserinterferometers umfasst ein Vorbereiten der Komponenten basierend auf einem mechanischen Schneiden der Faser mit dem freien Ende, ein Verbinden der Komponenten durch Faserverbindungen, basierend auf der zuvor geschnittenen Faser, und ein Anlegen einer statischen mechanischen Spannung an die zumindest eine Faserverbindung, um so eine Länge der zumindest einen Faserverbindung einem vorgeschriebenen Wert anzunähern und so das Faserinterferometer herzustellen.
Das Verfahrens kann insbesondere von vorgefertigten optischen Komponenten ausgehen. Die Komponenten können etwa einen Spiegel, einen Faserkoppler oder einen Strahlteiler enthalten. Weitere Komponenten können beispielsweise reine Abschnitte von Fasern sein. Ein Mach-Zehnder-Interferometer kann in Ausführungsbeispielen etwa aus zwei Strahlteilern aufgebaut werden und muss keine Spiegelkomponenten umfassen.
Die Komponenten können jeweils ein Komponentengehäuse aufweisen, in dem entsprechend ein Spiegel, Faserkoppler oder Teilreflektor eingeschlossen ist. Die lichtleitenden Fasern können insbesondere Glasfasern sein, die ausgebildet sind, um Licht bzw. Photonen in das Innere des Komponentengehäuses hinein und/oder aus dem Inneren des Komponentengehäuses heraus zu leiten. Die lichtleitende Faser wird also nicht bzw. nicht vollständig von dem Komponentengehäuse umschlossen. Die lichtleitende Faser an der jeweiligen Komponente ist dabei üblicherweise von einem Coating, beispielsweise einer Polymerbeschichtung, umgeben. Die Polymerbeschichtung kann mehrere Fasern oder Faserstränge umschließen. Die Fasern und Komponenten können ausgebildet sein, Licht bzw. Photonen einer bestimmten Polarisation bevorzugt zu leiten, bzw. ein Weiterleiten von Licht bzw. Photonen einer bestimmten Polarisation zu unterdrücken. Weiterhin können die Fasern und/oder Komponenten als polarisationserhaltende Fasern bzw. Komponenten ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise umfasst das Vorbereiten der Komponenten außer dem mechanischen Schneiden keine weitere Anpassung einer Länge der jeweiligen Faser, also insbesondere kein Polieren oder Temperieren der Faser. In Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, durch das Vorbereiten der Komponenten Längen der lichtleitenden Fasern bis auf eine Toleranz von etwa loo pm festzulegen.
Das Verbinden der Komponenten kann im Rahmen eines Zusammenfügens der Komponenten erfolgen. Dies kann ein Fixieren der Komponentengehäuse in einer relativen Position umfassen und zumindest auf ein vorläufiges Einrichten der ersten und der zweiten Faser führen. Die Faserverbindungen können aus in den Komponenten enthaltenen Fasern erzeugt werden. Insbesondere kann dabei das zuvor geschnittene freie Ende der Faser der zumindest einen Komponente mit einem anderen Ende einer Faser einer weiteren Komponente verbunden werden. Das andere Ende bzw. die Faser der weiteren Komponente kann zuvor ebenfalls mechanisch geschnitten worden sein.
In Ausführungsbeispielen sind mindestens zwei Komponenten vorhanden, die jeweils eine Faser mit einem freien Ende aufweisen. Mindestens eine davon wird in dem Verfahren exakt geschnitten. Die beiden freien Enden der Fasern der Komponenten können anschließend durch ein Verspleißen verbunden werden, so dass die optische Weglänge einer sich dabei ergebenden Faserverbindung auf ca. loo pm genau festgelegt werden kann. Weitere Komponenten des Interferometers müssen nicht notwendigerweise Fasern mit freien Enden aufweisen.
Solche Komponenten können z.B. auch durch Steckverbindungen verbunden werden.
Der Begriff des Verbindens ist breit zu verstehen. Insbesondere muss er sich nicht auf ein Herstellen einer permanenten Verbindung beziehen, vielmehr kön- nen die Komponenten auf eine vorläufige Weise verbunden oder zusammengefügt werden.
In Ausführungsbeispielen können durch das Verbinden Längen der Faserverbindungen bis auf eine Toleranz von 100 pm festgelegt werden. Dies kann insbesondere auf die Länge der zumindest einen Faserverbindung zutreffen. Die zumindest eine Faserverbindung kann auf der zuvor geschnittenen Faser der zumindest einen Komponente basieren. Insbesondere kann die zumindest eine Faserverbindung dadurch entstehen, dass jeweils zuvor geschnittene freie Enden von Fasern verbunden werden. Nicht alle Faserverbindungen müssen auf Fasern mit freiem Ende basieren.
Das Anlegen der statischen mechanischen Spannung an die zumindest eine Faserverbindung nutzt einen optomechanischen Effekt aus, nach dem sich durch die Spannung sowohl eine räumliche Länge der zumindest einen Faserverbindung als auch ein Brechungsindex in der Faser verändern können. Beides wirkt sich gemeinsam auf die optische Weglänge aus. Der Begriff der Länge der zumindest einen Faserverbindung, und allgemein der Längen der Faserverbindungen, kann sich zwar auch auf rein räumliche Ausdehnungen beziehen, vorteilhafterweise betrifft der Begriff aber eine optische Weglänge der jeweiligen Faserverbindung. Bei dem vorgeschriebenen Wert kann es sich insbesondere um einen geeigneten Sollwert für die Länge handeln. Durch das Anlegen der statischen mechanischen Spannung an die zumindest eine Faserverbindung kann die Länge als eine optische Weglänge der zumindest einen Faserverbindung bis auf eine Toleranz von etwa io pm auf den vorgeschriebenen Wert festgelegt werden.
Optional umfasst das Verfahren ein Einstellen des Interferometers. Dazu kann das Interferometer nach dem Herstellen eine steuerbare Einrichtung zur Einstellung, insbesondere zu einer Feinjustage und/oder zu einer Kontrolle der Interferometerphase, aufweisen. Die steuerbare Einrichtung kann beispielsweise ein elektrooptischer Phasenmodulator oder ein piezoelektrische oder elektromechanische Faserstretcher sein. Die steuerbare Einrichtung kann in einer der Komponenten enthalten sein. Optional umfasst das Einstellen der Interferometerphase ein Temperieren der zumindest einen Faserverbindung, um so die Länge dem vorgeschriebenen Wert weiter anzunähern.
In weiteren Ausführungsbeispielen wird somit zumindest eine Faserverbindung aktiv temperiert, also auf eine Temperatur gebracht, so dass die bzw. ihre Länge auf den vorgeschriebenen Wert anwächst oder abnimmt.
Das Temperieren nutzt einen thermooptischen Effekt aus, nach dem sich durch eine Temper aturänderung die optische Weglänge, insbesondere sowohl die räumliche Länge der entsprechenden Faser als auch der Brechungsindex, verändern kann. Die Änderung der optischen Weglänge ist dabei reversibel. Das Temperieren kann somit insbesondere durchgeführt werden, um eine mikroskopische Längenänderung im Bereich von weniger als einer Wellenläge zur Einstellung der Interferometerphase zu erreichen. Dabei können die zumindest eine Faserverbindung, und ggf. mehrere oder alle Faserverbindungen, zunächst Soll- Temperaturen T ausgesetzt werden, die Änderungen der entsprechenden Längen um Werte größer als eine typische Wellenlänge des Lichts bzw. der Photonen bewirken. Kleine Temperaturänderungen A Tin der Umgebung von T, die auf die Faserverbindungen ein wirken, können weiterhin genutzt werden, um die optischen Weglängen der entsprechenden Fasern bis auf eine Toleranz von deutlich weniger als o,i pm einzustellen und dadurch die Interferometerphase zu kontrollieren. Die optimale Temperatur der Fasern ist dann gegeben durch T + AT . Da der genutzte thermooptische Effekt reversibel ist, kann durch eine Änderung von T zu einem späteren Zeitpunkt eine andere optische Weglängendifferenz und/oder durch eine Änderung von AT eine andere Interferometerphase eingestellt werden.
In Ausführungsbeispielen kann dabei das Anlegen einer statischen mechanischen Spannung mit dem Temperieren verbunden werden. So kann beispielsweise die Spannung unter einer gleichzeitigen Veränderung der Temperatur angelegt werden, oder die beiden Schritte können einzeln oder gemeinsam iterativ wiederholt werden. Zwischen den Wiederholungen kann insbesondere eine Prüfung oder Kontrolle der Länge der Faserverbindungen stattfinden. Das Verfahren kann auch mit weiteren Techniken zur Kontrolle der optischen Pfadlänge und Phase kombiniert werden. Insbesondere können weitere Stelleinrichtungen für die Phase oder elektronische Faserstretcher zusätzlich im Interferometer verbaut sein.
In weiteren Ausführungsbeispielen dieses Verfahrens kann daher eine Kombination aus einer präzisen mechanischen Vorbereitung der verwendeten Glasfasern, dem optomechanischen und thermooptischen Effekt verwendet werden. Durch die mechanische Vorbereitung werden Genauigkeiten des Weglängenunterschieds von ca. loo pm, durch den optomechanischen Effekt Genauigkeiten bis ca. io pm und durch den thermooptischen Effekt Genauigkeiten von bis unter o.i pm erreicht. Die an die Glasfasern angelegte statische mechanische Spannung in Kombination mit der aktiven Anpassung der Temperatur erlauben die Kontrolle der Phase im Interferometer bei einem präzise eingestellten Weglän- genunterschied.Optional erfolgt das Einstellen des Interferometers jedoch ausschließlich durch das Temperieren. Vorteilhafterweise ist in dem Verfahren während oder nach dem Anlegen der statischen mechanischen Spannung sowie dem Temperieren keine andere Technik zur Festlegung der optischen Pfadlänge notwendig, um das Faserinterferometer in der optischen Pfadlänge und in der Phase einzustellen. Es hat sich insbesondere herausgestellt, dass das Einstellen der Interferometerphase vorteilhafterweise allein auf dem Verändern der Temperatur beruhen kann; es braucht also insbesondere kein weiteres Anlegen einer mechanischen Spannung vorgesehen zu sein.
Optional umfasst das Vorbereiten der Komponenten ein Fixieren der zumindest einen Komponente mit der Faser mit dem freien Ende in einer Halteeinrichtung, ein Vorspannen der Faser durch Anlegen einer Zugkraft an dem freien Ende der Faser und ein Einklemmen der Faser durch eine Klemmeinrichtung, um so das mechanische Schneiden der Faser zu ermöglichen.
Optional weist dabei die zumindest eine Komponente, welche die Faser mit freiem Ende umfasst, ein Komponentengehäuse auf, und das Fixieren der zumindest einen Komponente umfasst ein Einsetzen des Komponentengehäuses in die Halteeinrichtung, um so das mechanische Schneiden der Faser in einem vorbestimmten Abstand von dem Komponentengehäuse zu ermöglichen. Das Kompo- nentengehäuse kann dabei etwa in eine dafür ausgebildete Vertiefung oder Aus- fräsung der Halteeinrichtung eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Fixieren der zumindest einen Komponente aber auch ein Einspannen der Faser mit dem freien Ende in einer Einspanneinrichtung umfassen, wobei die Einspanneinrichtung dann in die Haltevorrichtung eingesetzt wird. Die zumindest eine Komponente, die eine Faser mit freiem Ende umfasst, muss nicht notwendigerweise ein Komponentengehäuse aufweisen; sie kann lediglich ein Faserabschnitt sein. Die Einspanneinrichtung ist von einer Faserspanneinrichtung zu unterscheiden. Die Einspanneinrichtung kann als einfacher Faser halt er ausgeführt sein.
Die Halteeinrichtung kann somit ausgebildet sein, um die zumindest eine Komponente über ein Komponentengehäuse zu fixieren, oder um die zumindest eine Komponente über die die Faser haltende Einspanneinrichtung zu fixieren. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Vertiefung bzw. Ausfräsung in der Halteeinrichtung erreicht werden, in die das Komponentengehäuse oder die Einspanneinrichtung eingesetzt werden können.
Optional basiert das Anlegen der statischen mechanischen Spannung auf einer mechanischen, einer elektromechanischen oder einer piezoelektrischen Faserspanneinrichtung. Die Faserspanneinrichtung kann als eine weitere Komponente oder als Teil einer weiteren Komponente bereitgestellt sein und bereits beim Zusammenfügen der Komponenten in den Aufbau des Faserinterferometers integriert werden. Die Faserspanneinrichtung bzw. die Komponente des Faserinterferometers, welche die Faserspanneinrichtung umfasst, kann insbesondere eine Faser mit zwei losen Enden umfassen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Faserspanneinrichtung jedoch auch lediglich benutzt werden, um an eine Faser einer Komponente oder an eine Faserverbindung die statische Mechanische Spannung anzulegen. Die Faserspanneinrichtung kann somit auch nach dem Verbinden der Komponenten in das bereitzustellende Faserinterferometer integriert werden.
Optional basiert das Anlegen der statischen mechanischen Spannung auf einer Faserspanneinrichtung, die einen Wickelkörper aufweist, der ausgebildet ist, um die zumindest eine Faserverbindung um den Wickelkörper zu wickeln, und die eine Veränderungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um einen Durchmesser des Wickelkörpers zu verändern und so die Spannung anzulegen.
Optional weist das herzustellende Faserinterferometer eine Temperiereinrich- tung auf, die ausgebildet ist, um basierend auf der Temperiereinrichtung durch ein Verändern einer Temperatur das Temperieren durchzuführen.
Der thermooptische Effekt kann zur makroskopischen Kontrolle und insbesondere auch für das Einstellen des Interferometers, also für eine Feinjustage und/oder für eine Kontrolle der Interferometerphase, eingesetzt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn für beide Verwendungen bzw. Einsätze dieselbe Temperiereinrichtung verwendet werden kann, die insbesondere fest mit dem eigentlichen Interferometer verbunden bzw. in das Faserinterferometer integriert sein kann. Zu beachten ist dabei, dass eine makroskopische Kontrolle der Längen der Faserverbindungen Temperaturen bzw. Temperaturunterschiede T benötigt, die im Vergleich einer etwa zum Einstellen einer Interferometerphase benötigten Temperaturänderung AT mehrere Größenordnungen größer sein können. So kann beispielsweise die makroskopische Kontrolle der Länge durch das Einstellen der Temperatur Tim Bereich von einigen Grad Celsius um die Raumtemperatur herum erfolgen, während AT im Bereich von Milligrad Celsius eingestellt wird.
Optional umfasst insbesondere das Temperieren zur Einstellung des Interferometers ein Verändern einer Temperatur innerhalb eines Gehäuses bzw. Temperiergehäuses, das die zumindest eine Faserverbindung umschließt.
Das Gehäuse kann Teil der Temperiereinrichtung des Faserinterferometers sein und letzteres in vorteilhaften Ausführungsbeispielen auch ganz umschließen. Das Interferometer weist üblicherweise zwei Arme (für zwei verschiedene Wege des Lichts) auf, und in Ausführungsbeispielen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, beide Arme in dem Gehäuse bzw. kontrollierten Umgebung zu anzuordnen. In Ausführungsbeispielen hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, durch die Temperatureinrichtung eine Temperatur auf ca. 0.5 mK genau einstellen zu können. Optional umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines Referenz-Interferometers und ein Vermessen der Länge der zumindest einen Faserverbindung, basierend auf einem Vergleichen mit dem Referenz-Interferometer.
Das Verbinden der Komponenten, das Anlegen der mechanischen Spannung und das Temperieren können jeweils über mehrere Stufen oder Iterationen erfolgen, zwischen dem jeweils das Vermessen durchgeführt werden kann.
Insbesondere können beim Zusammenfügen der Komponenten Komponentengehäuse zunächst nur lose oder leicht lösbar fixiert und die zurechtgeschnittenen Enden der Fasern nur lose oder leicht trennbar verbunden werden. Dann kann eine Prüfung oder Kontrolle und gegebenenfalls eine Korrektur der Länge der Faserverbindungen durch das genannte Vermessen und gegebenenfalls eine Korrektur erfolgen, bevor das Zusammenfügen der Komponenten abgeschlossen und die Komponenten fest verbunden werden.
Desgleichen können das Anlegen einer Spannung und/oder das Temperieren jeweils in einem geeigneten Wechsel mit einer Prüfung oder Kontrolle und gegebenenfalls einer Korrektur erfolgen, wobei das genannte Vermessen und der Vergleich mit dem Referenz-Interferometer durchgeführt wird.
Optional basiert das Vermessen auf einer Weißlicht-Interferometrie und/ oder auf einer optischen Kohärenztomographie. Beide Verfahren sind im Stand der Technik zum Zweck eines Vergleichs verschiedener Interferometer bekannt und können hier vorteilhafterweise für die Prüfung oder Kontrolle und gegebenenfalls Korrektur zur Festlegung der Länge der Faserverbindungen verwendet werden.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Faserinterferometer, das aus Komponenten hergestellt ist, die durch Faserverbindungen verbunden sind. Das Faserinterferometer umfasst eine Faserspanneinrichtung, die einen Wickelkörper aufweist, um den zumindest eine Faserverbindung gewickelt ist, und die eine Faserspanneinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um einen Durchmesser des Wickelkörpers zu verändern und so eine mechanische Spannung an der zumindest einen Faserverbindung anzulegen. Das Faserinterferometer umfasst außer- dem eine Temperiereinrichtung, die ausgebildet ist, um basierend auf der Temperiereinrichtung durch ein Verändern einer Temperatur ein Temperieren der Faserverbindungen durchzuführen. Die Temperiereinrichtung kann auch ausgebildet sein, um neben einer makroskopischen Kontrolle der Längen der Faserverbindungen ein Einstellen des Interferometers zu bewirken, insbesondere um eine Interferometerphase zu kontrollieren.
Wichtige Aspekte des vorgestellten Verfahrens und des vorgestellten Faserinterferometers können auch wie folgt dargestellt werden.
Das Verfahren kombiniert mehrere Techniken und Effekte, um einen Bau und einen Betrieb möglichst identischer Interferometer mit nahezu identischen Weglängenunterschieden zwischen den Armen eines jeden Interferometers unter Verwendung von üblichen glasfaserbasierten Komponenten für optische Kommunikationstechnik zu ermöglichen. In Ausführungsbeispielen werden dazu zunächst Längenunterschiede der zu verbauenden Glasfasern, die bei einer Herstellung der Komponenten entstanden sind, vermessen und durch ein mechanisches Schneiden korrigiert. Die Komponenten werden verbunden, und verbliebene Ungenauigkeiten werden durch die mechanische Dehnung der Glasfasern kompensiert, ohne dass die Lebenserwartung der Glasfasern leidet. Ein Einstellen, etwa eine weitere Feinjustage, erfolgt reversibel durch die Anpassung der Temperatur. Dabei besteht ein zentraler Aspekt des Verfahrens darin, die Kombination des optomechanischen und des thermooptischen Effekts in den Glasfasern auszunutzen, um räumliche Länge und Brechungsindex bzw. die optische Weglänge der Fasern zu verändern und dadurch die optischen Weglängen aneinander anzupassen.
Der thermooptische Effekt kann weiter genutzt werden, um eine Kontrolle der Interferometerphase durchzuführen. Dabei ist im Allgemeinen der Temperaturbereich für die Phasenänderung im Faserinterferometer mehrere Größenordnungen kleiner als der für das Ausgleichen der Restfehler nötige Temperaturbereich.
In Ausführungsbeispielen kann das Verfahren beispielsweise durch folgende Schritte gliederbar sein: - Angleichen der Faserlängen an mindestens einer der Interferometer- Komponenten (Genauigkeit im Millimeter-Bereich), Ausführungsbeispiele umfassen dabei mindestens zwei Komponenten mit je einem freien Ende, um zwischen diesen durch Spleißen eine Verbindung herzustellen, wobei mindestens eine der beiden Komponenten in der Faserlänge durch das mechanische Schneiden angeglichen wird;
- Vorbereiten der Komponenten durch präzises Vermessen der Faserlängen an den Komponenten und Korrektur von Längenabweichungen mit Hilfe einer eigens entwickelten mechanischen Halteeinrichtung zum präzisen mechanischen Schneiden von definierten Glasfaserlängen (Genauigkeit ca. 100 pm);
- Zusammenfügen der Teile zu einem Interferometer und anschließende Montage an einer mechanischen Faserspanneinrichtung;
- Vermessen der Abweichung in der optischen Weglänge und Justage durch Anlegen einer mechanischen Spannung (Genauigkeit wenige io pm); und
- Weiteres Feinjustieren der optischen Weglänge durch ein Temperieren, also eine Anpassung der Interferometertemperatur (Genauigkeit besser als o.i pm).
Auch die Interferometerphase kann durch Anpassung der Interferometertemperatur eingestellt werden.
Ein wichtiger Aspekt des Verfahrens liegt darin, dass in Ausführungsbeispielen für das Bereitstellen des Faserinterferometers konkrete Werte weder für die Temperatur des Interferometers noch für die mechanische Spannung benötigt werden bzw. zahlenmäßig bekannt sein müssen. Vielmehr kann ein bekannter Interferometerzustand, gegeben durch einen festen Wert der optischen Wegdifferenz, vorgegeben und anschließend mechanische Spannung und Temperatur optimiert werden, um diesen Zustand zu erreichen. Die genauen Zahlenwerte für mechanische Spannung und Temperatur sind dabei unerheblich. In Ausführungsbeispielen braucht die mechanische Spannung bzw. eine dadurch bewirkte Längenänderung gar nicht bekannt zu sein, und die Temperatur kann über einen unkalibrierten Sensor auf einen Zielwert geregelt werden. Dieser Aspekt unterscheidet das vorgestellte Verfahren auch von einem Kalibrieren eines Interferometers zu Messzwecken, bei dem bekannte Temperatur-, Spannungs- oder Be- lastungswerte vorgegeben und eingestellt werden, um dann einen Zustand des Interferometers über das resultierende Interferenzmuster zu eichen. Durch das vorgestellte Verfahren lässt sich vielmehr eine für die quantenoptische Anwendung wichtige Einstellung eines durch die Pfaddifferenz definierten vorgegebenen Interferometerzustands erreichen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt des Vorbereitens der Komponenten liegt in einer eigens entwickelten Halteeinrichtung zum präzisen mechanischen Schneiden der Längen von Glasfaser und der Glasfasern an optischen Komponenten.
Ein weiterer wichtiger Aspekt besteht in der Kompensation der Differenzen der optischen Weglänge durch eine Kombination von optomechanischem und thermooptischem Effekt. Dies beinhaltet ein statisches mechanisches Spannen der Glasfaser und eine Anpassung der Temperatur.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass eine Feinjustage der optischen Weglänge mit der Phasenstabilisierung und -anpassung allein basierend auf der Kontrolle und Anpassung der Interferometertemperatur erfolgen kann.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass zu Prüfung, Kontrolle und gegebenenfalls Korrektur der optischen Weglänge während des Verfahrens ein bekanntes Verfahren der Weißlicht-Interferometrie und/ oder der optischen Kohärenztomographie im Frequenzbereich des Lichts bzw. der Photonen eingesetzt werden kann. Dieses Verfahren kann auch bei optischen Komponenten mit nicht vernachlässigbarer chromatischer Dispersion eingesetzt werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass das Vorbereiten der Komponenten zum mechanischen Schneiden der Fasern ein Fixieren der betreffenden Komponente in einer Halteeinrichtung, ein Vorspannen der Faser durch Anlegen einer Zugkraft an dem freien Ende der Faser und ein Einklemmen der Faser durch eine Klemmeinrichtung umfassen kann, um so das mechanische Schneiden der Faser etwa in einem vorbestimmten Abstand von einem Komponentengehäuse zu ermöglichen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass für das Anlegen der mechanischen Spannung eine rein mechanische Vorspanneinrichtung verwendet werden kann, insbesondere also etwa keine piezogesteuerten Faserspanneinrichtungen zur Anwendung kommen müssen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass das Einstellen der Interferometerphase lediglich auf dem Ändern einer Temperatur beruhen kann, ohne dass auch für diesen Zweck ein Anlegen einer mechanischen Spannung erfolgen muss.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten unter anderem folgende Vorteile.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht einen einfachen, präzisen und reproduzierbaren Bau faseroptischer Interferometer bzw. Faserinterferometer und die Justage deren optischer Pfadlänge (OPL). Für Anwendungen wie die Quantenschlüsselverteilung müssen für diese Faserinterferometer die Interferometerar- me mit einer hohen Präzision im Bereich von wenigen Mikrometern hergestellt werden. Zudem muss die Interferometerphase kontrolliert werden, um einen hohen Interferenzkontrast zu erzielen. Das vorgestellte Verfahren erlaubt es, die OPL der für den Bau benötigten Komponenten präzise zu vermessen und die Abweichungen auszugleichen, die nach dem Abschluss einer Montage potentiell noch vorhanden sind. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht es dann, die OPL durch Temperaturveränderungen bis hinab in den Sub-Mikrometerbereich festzulegen und damit die Interferometerphase zu kontrollieren.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht es, Herstellungskosten und Zeitbedarf für den Bau von Faserinterferometern mit präzise abgestimmtem Weglängenunterschied zu senken. Die Ausrichtung an einem Referenz-Interferometer ermöglicht die schnellere Fertigung größerer Stückzahlen solcher Faserinterferometer zu niedrigen Kosten.
Da für die Feinjustage und Kontrolle der Phase weder ein Piezo-Faserstretcher noch ein Phasenmodulator (z.B. basierend auf dem elektrooptischen Effekt) benötigt wird, wird die Komplexität des Faserinterferometers gesenkt, was beim Bau die Kosten und im Betrieb die Fehleranfälligkeit senkt. Alternativ kann durch die Verwendung des Verfahrens in Kombination mit Piezo-
Faserstret ehern oder Phasenmodulatoren der notwendige Stellbereich dieser Komponenten gesenkt werden, so dass deren Anwendung vereinfacht wird oder günstigere Bauteile verwendet werden können. Ein Beispiel ist das Absenken der notwendigen Mindest-Faserlänge für Piezo-elektrische Faserstrechter, welches zu einer erhöhten Stabilität des Interferometers gegenüber Temperaturfluktuationen führt.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
Fig. i illustriert ein Ausführungsbeispiel des vorgestellten Verfahrens zur Herstellung eines Faserinterferometers.
Fig. 2 illustriert Schritte eines Ausführungsbeispiels für ein Vorbereiten von Komponenten.
Fig. 3 zeigt eine Faserspanneinrichtung für ein Anlegen einer mechanischen Spannung an eine Faser.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorgestellten Faserinterferometers. Fig. 5 zeigt ein herkömmliches System für einen Quantentschlüsselaustausch.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Fig. i illustriert ein Ausführungsbeispiel des vorgestellten Verfahrens zur Herstellung eines Faserinterferometers. Ein Ausgangspunkt des Verfahrens umfasst bereitgestellte optische Komponenten, etwa von Spiegelkomponenten und ins- besondere Faraday-Spiegeln, Strahlteilerkomponenten und lichtleitende Fasern. Es kann eine Faserspanneinrichtung vorhanden sein, die in das Faserinterferometer verbaut wird. Zumindest eine Komponente weist dabei eine lichtleitende Faser mit einem freien Ende zur Verbindung mit anderen Komponenten auf. In dem Verfahren können auch weitere Einrichtungen, insbesondere eine Temperiereinrichtung, in das Faserinterferometer integriert werden.
Das Verfahren umfasst für ein Herstellen des Interferometers ein Vorbereiten Sno der Komponenten durch ein mechanisches Schneiden der Fasern, ein Verbinden S120 der Komponenten durch Faserverbindungen, die durch ein Verbinden der freien Enden der Fasern entstehen können, sowie ein Anlegen S130 einer statischen mechanischen Spannung an zumindest eine Faserverbindung, um so eine Länge der Faserverbindung einem vorgeschriebenen Wert anzunähern und so das Faserinterferometer herzustellen. In dem vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren zudem ein Einstellen des Interferometers, das ein Temperieren S140 der zumindest einen Faserverbindung umfasst, um so die Länge der zumindest einen Faserverbindung einem vorgeschriebenen Wert anzunähern und so insgesamt das Faserinterferometer bereitzustellen.
Das Verfahren kann insbesondere auch ein Bereitstellen eines Referenzinterferometers sowie an verschiedenen Stellen, insbesondere bei dem Anlegen S130 der mechanischen Spannung, aber auch bei dem Temperieren S140, ein Vermessen von Weglängenunterschieden zwischen dem bereitzustellenden Interferometer und einem Referenzinterferometer umfassen. Auf diese Weise kann das Interferometer präzise baugleich mit dem Referenzinterferometer hergestellt und/oder bereitgestellt werden.
Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind durch eine Kombination aus einem vereinfachten Setup für Michelson-Interferometer und einer Methode zu deren Herstellung gekennzeichnet. Beides erlaubt eine unkomplizierte Herstellung von Franson-Interferometern für eine Zweiphotoneninterferenz und liefert eine Lösung für eine effiziente Herstellung möglichst präzise baugleicher Interfero- meter sowie für die Einstellung der Interferometerphase. In dem Verfahren werden die Komponenten, also die einzelnen optischen Interferometerbestandteile, vorbereitet, indem die entsprechenden Fasern präzise und einfach mechanisch geschnitten werden. Später werden die verbleibenden Abweichungen der optischen Weglänge von Faserverbindungen durch eine Kombination aus opto- mechanischen und thermooptischen Effekten eliminiert. Die Phase der Faserinterferometer kann dabei ebenfalls durch den thermooptischen Effekt kontrolliert werden, was zu einer deutlichen Komplexitätsreduktion des Aufbaus führen kann.
Der optomechanische bzw. der thermooptische Effekt beschreiben Änderungen des Brechungsindex der Glasfaser in Abhängigkeit von der angewandten mechanischen Spannung bzw. Temperatur. Dabei wird die statische mechanische Streckung auf die Faser anwendet, um die Länge mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von ungefähr io pm einzustellen. Die Feinjustage der OPL und Interferometerphase erfolgt durch Temperaturänderungen und entspricht Längenänderung in der Größenordnung von unter io pm. Die Einstellung der Phase erfordert eine Längenänderung in der Größenordnung von unter o.i pm.
Ein durch die folgenden Schritte gekennzeichnetes Ausführungsbeispiel des Verfahrens hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen:
- Aufbau eines Referenz-Interferometers, relativ zu welchem das herzustellende Faserinterferometer bzw. alle anderen herzustellenden Faserinterferometer ausgerichtet werden;
- präzises Zuschneiden der Faserlängen an den Komponenten bzw. Bauteilen durch eine mechanische Einrichtung, wie es anhand der Fig. 2 beschrieben wird;
- Zusammenfügen dieser Komponenten zu einem temporären Interferometer, ohne die Teile fest zu verbinden;
- Vermessen von Differenzen zwischen dem temporären Interferometer und dem Referenz-Interferometer mittels der sog. Weißlicht-Interferometrie / Optischen Kohärenztomographie (OCT) im Frequenzbereich; - abermaliges Zuschneiden der Faserlängen bestimmter Komponenten mit Korrektur der gemessenen Abweichungen;
- festes Zusammenfügen S120 der Komponenten und anschließende Montage an einer mechanischen Faserspanneinrichtung;
- Vermessung der Differenz der zusammengefügten Interferometer zum Referenz-Interferometer mit Weißlichtinterferometrie/ OCT;
- Grobjustage eines Weglängen-Unterschiedes durch Anlegen S130 bzw. Anpassung einer statischen mechanischen Spannung der Glasfaser in einem der Arme des Faserinterferometers, basierend auf einer Faserspanneinrichtung, wie sie in Fig. 3 beschrieben wird und anhand der Ergebnisse aus dem vorangehend genannten Schritt. Durch eine abwechselnde Wiederholung dieses Schritts und des vorangehend genannten Schritts wird die Weglängendifferenz der Interferometer minimiert;
- Feinjustage der Weglänge des Faserinterferometers durch Temperieren S140 bzw. Anpassung der Temperatur des Faserinterferometers.
Fig. 2 illustriert schematisch Schritte eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels zu einem präzisen mechanischen Schneiden der glasfasergekoppelten Komponenten.
Dargestellt ist eine Komponente 150, konkret eine Glasfaserkomponente (beispielsweise mit einem Faraday-Spiegel oder einem Strahlteiler), die teilweise in einem Komponentengehäuse 154 eingeschlossen ist. Aus dem Komponentengehäuse 154 läuft die präzise zu schneidende lichtleitende Faser 156, hier insbesondere eine Glasfaser, heraus. Diese weist ein freies Ende 158 auf.
Der Einfachheit halber ist nur eine Glasfaser 156 eingezeichnet; das Ausführungsbeispiel ist aber auch für Komponenten mit einer oder mehreren eingehenden und ausgehenden lichtleitenden Fasern anderer Art durchführbar, indem die hier illustrierten Schritte für alle Fasern einzeln und nacheinander durchgeführt werden.
Ebenfalls dargestellt ist eine Klemmeinrichtung 210 bzw. ein Faserhalter für die Faser 156, relativ zu welcher die Faser 156 beim mechanischen Schneiden bzw.
Cleaven, beispielsweise mit einem kommerziellen Faser-Cleaver, reproduzierbar abgetrennt wird.
Vor dem Schneideprozess muss das Ende der Glasfaser 156 in der Regel von einer Polymerbeschichtung (Coating) befreit werden und die benötigte Länge der Glasfaser 156 bestimmt werden.
Die im Folgenden beschriebenen Schritte sind in der Figur entsprechend nummeriert in einer Abfolge von oben nach unten illustriert. Dabei deuten Pfeile Fi, F2 F3 an, in welche Richtung jeweils eine Kraft während des Prozesses angelegt werden soll. Pfeile Fi, F2 nach unten bedeuten die Fixierung eines Bauteils, Pfeile F3 nach rechts die Spannung der Glasfaser 156. Die Schritte umfassen:
1. Befestigen des Komponentengehäuses 154 auf einer Halteeinrichtung, etwa einer präparierten Unterlage wie z.B. einer Metallplatte mit einer passenden Vertiefung oder Ausfräsung für das Komponentengehäuse 154. Damit wird sichergestellt, dass die Komponentengehäuse 154 verschiedener Komponenten 150 des gleichen Typs reproduzierbar an einem Ort befestigt werden. Das Komponentengehäuse 154 wird in die Ausfräsung eingesetzt und gegen Verschieben und Verkanten gesichert, und dazu z.B. festgeschraubt oder geklemmt. Falls die Glasfaserkomponente 150 eine lose Glasfaser ohne Komponentengehäuse ist, kann ein Ende der Faser in einen Faserhalter eingespannt und dieser Faser halter in dem beschriebenen Prozess anstelle der Faserkomponente verwendet werden (nicht dargestellt).
2. Vorspannen der Glasfaser 156 mit einer reproduzierbaren Kraft F3. Eine mögliche Ausführung für diesen Schritt basiert beispielsweise auf einer Zugeinrichtung mit einem an die Glasfaser 156 angehängten Gewicht, so dass die reproduzierbare Kraft F3 durch eine Gewichtskraft angelegt wird. Es können auch andere Verfahren zum reproduzierbaren Anlegen der Kraft F3 verwendet werden. 3- Anbringen der Klemmeinrichtung 210 bzw. eines Faserhalters, der beim Spleißen verwendet wird. Die Klemmeinrichtung 210 kann Teil der Haltevorrichtung sein und ist vorteilhafterweise in einem festen, fein justierbaren Abstand von der Befestigung des Komponentengehäuses 154 positionierbar, um das mechanische Schneiden bzw. Cleaven der Faser 156 in einer reproduzierbaren Länge zu gewährleisten. Damit können kleine, definierte Unterschiede in der Faserlänge ausgeglichen oder erzeugt werden, wie sie z.B. zur Kompensation von Längenvariationen der Glasfaser 156 benötigt werden. In Ausführungsbeispielen hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine mechanische Mikrometer-Verschiebeeinheit (nicht dargestellt) einzurichten, mit der die Klemmeinrichtung 210 präzise positioniert werden kann. Die Mikrometer- Verschiebeeinheit kann dabei insbesondere an der präparierten Unterlage befestigt und Teil der Halteeinrichtung sein. Die Klemmeinrichtung 210 kann lösbar mit der Mikrometer-Verschiebeeinheit verbunden sein.
4. Lösen der Zugspannung an der Faser 156 und Lösen der Befestigung der Klemmeinrichtung 210. Danach kann die Klemmeinrichtung 210 von der Mikrometer-Verschiebeeinheit bzw. von der präparierten Unterlage genommen werden und mit einem Cleaver die Faser 156 an einer nun durch die Klemmeinrichtung 210 präzise bezeichneten Länge mechanisch geschnitten werden (nicht dargestellt). Dieses Cleaven erzeugt mit den meisten bekannten Cleaver-Maschinen Faserenden mit einer sehr präsize reproduzierbaren Länge relativ zur Klemmeinrichtung 210. Nach einem Cleave-Prozess kann die Komponente 150 vermessen oder auch direkt verbaut werden.
Fig. 3 zeigt links eine schematische und rechts eine perspektivische Darstellung einer besonders vorteilhaften Faserspanneinrichtung 140, wie sie für das Anlegen S130 der mechanischen Spannung verwendet werden kann.
In der schematischen Darstellung links in der Figur umfasst die Faserspanneinrichtung 140 einen Wickelkörper 143, um den eine Faser 146 gewickelt ist, und eine Veränderungseinrichtung 145, die ausgebildet ist, um einen Durchmesser des Wickelkörpers 143 durch ein Ausüben einer den Wickelkörper 143 spreizen- den Kraft F4 zu verändern und so eine Spannung in der Glasfaser 146 zu bestimmen. Damit der Wickelkörper 143 gespreizt werden kann, weist er eine Öffnung bzw. Spalte 144 auf.
Nach dem präzisen Schneiden der Fasern 156 und dem Zusammenfügen der Komponenten 150, 140 können mit der mechanischen Faserspanneinrichtung 140 verbliebene Faserlängenunterschiede weiter reduziert werden, indem die Faser 146 gedehnt wird. Das Spannen der Faser 146 führt durch eine geometrische Längenänderung und eine spannungsinduzierte Veränderung des Brechungsindex der Faser 146 zu einer Änderung der OPL (optomechanischer Effekt).
Insgesamt können kleine Faserlängendifferenzen, die beim Schneiden entstehen, durch die mechanische Spannung wieder ausgeglichen werden. Auf diese Weise kann insbesondere die Länge bzw. optische Weglänge der zumindest einen Faserverbindung, die um die Faserspanneinrichtung 140 gewickelt ist, dem entsprechenden vorgeschriebenen Wert angenähert werden.
Die Faserspanneinrichtung 140 kann in dem Verfahren zunächst selbst als Komponente vorliegen und eine Faser mit einem oder zwei freien Enden umfassen. Die betreffende Faser kann während des Vorbereitens S110 mechanisch geschnitten werden. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen braucht die Faserspanneinrichtung 140 jedoch selbst keine Faser aufzuweisen und kann erst etwa während oder nach dem Verbinden S120 der Komponenten in das Faserinterferometer 100 integriert werden. So kann eine Faser einer Komponente beispielsweise so lang sein, dass sie einerseits um den Wickelkörper 143 der Faserspanneinrichtung 140 gewickelt und dann ihr freies Ende an ein freies Ende einer Faser einer anderen Komponente gespleißt wird. Dies kann vorteilhaft sein, da sich so Spleißstellen sparen lassen.
Eine vorteilhafte technische Umsetzung der Faserspanneinrichtung 140 ist im rechten Teil der Figur dargestellt. Die Faserspanneinrichtung 140 umfasst einen Ring aus Kupfer oder Messing als Wickelkörper 143, der halboffen ist und von innen durch eine Schraube in einer Veränderungseinrichtung 145 gespreizt werden kann. Das Material kann vorteilhafterweise so gewählt werden, dass die Wärmeleitfähigkeit des Rings 143 möglichst hoch ist. Eine Konterschraube 147 sichert die Spreizung. Die Glasfaser 146 kann außen um den Ring 143 in speziell dafür vorgesehenen Rillen gewickelt und punktuell gegenüber der Öffnung 144 des Rings 143 mit Klebstoff befestigt werden.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Faserinterferometer 100, wie es mit dem vorgestellten Verfahren hergestellt werden kann. Der Aufbau ist der eines Michelson-Interferometers. Das Faserinterferometer 100 ist aus Komponenten (110, 120, 130) auf, die durch Faserverbindungen 101, 102 verbunden sind. Insbesondere weist das Faserinterferometer 100 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine erste Spiegelkomponente 110, eine zweite Spiegelkomponente 120 und eine Strahlteilerkomponente 130 auf, wobei die Strahlteilerkomponente 130 mit der ersten Spiegelkomponente 110 über eine erste Faserverbindung 101 einer ersten Länge und mit der zweiten Spiegelkomponente 120 über eine zweite Faserverbindung 102 einer zweiten Länge verbunden ist.
Das Faserinterferometer 100 umfasst eine Faserspanneinrichtung 140 mit einem Wickelkörper, um die zumindest eine Faserverbindung, nämlich die zweite Faserverbindung 102, gewickelt ist. Die zweite Faserverbindung 102 ist um die Faserspanneinrichtung 140 wie in Fig. 3 dargestellt gewickelt. Mit der Faserspanneinrichtung 140 kann eine statische Spannung in der Glasfaser 102 erzeugt und damit die OPL angepasst werden. Die Faserspanneinrichtung 140 umfasst dazu eine Veränderungseinrichtung 145, die ausgebildet ist, um einen Durchmesser des Wickelkörpers 143 zu verändern und so eine mechanische Spannung an der zweiten Faserverbindung 102 anzulegen. Die Faserspanneinrichtung 140 kann Teil einer eigenen Komponente sein.
In der Figur sind Faserverbindungsstellen 107 in der ersten Faserverbindung 101 und der zweiten Faserverbindung 102 dargestellt, an denen die einzelnen Komponenten 110, 120, 130 zusammengefügt wurden. Die dargestellten Teile des Faserinterferometers 100 können in einem Gehäuse bzw. Temperiergehäuse mit einer aktiven Temperaturstabilisierung untergebracht sein (nicht dargestellt). Diese Temperiereinrichtung ist ausgebildet, um durch ein Verändern einer Temperatur das Temperieren S140 der zweiten Fa- serverbindung 102 und vorteilhafterweise auch der ersten Faserverbindung 101 durchzuführen, um so das Interferometer 100 einzustellen.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
BEZUGSZEICHENLISTE
IO Pulsquelle
20 Erzeugung verschränkter Photonenpaare
30, 40, 50 Interferometer
31, 32, 41, 42 Einzelphotonendetektoren
100 Faserinterferometer
101 erste Faserverbindung
102 zweite Faserverbindung
107 Faserverbindungsstelle
110 Komponente (erste Spiegelkomponente)
120 Komponente (zweite Spiegelkomponente)
130 Komponente (Strahlteilerkomponente)
140 Faserspanneinrichtung
143 Wickelkörper
144 Öffnung
145 Veränderungseinrichtung
146 Faser
147 Schraube
150 Komponente (mit Faser mit freiem Ende)
154 Komponentengehäuse
156 Faser
158 freies Ende der Faser
210 Klemmeinrichtung
Fi, F2, F3 Kräfte
S110, S120, S130, S140 Verfahrensschritte

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zu einem Bereitstellen eines Faserinterferometers (100), ausgehend von Komponenten (no, 120, 130, 150), wobei zumindest eine Komponente (150) eine lichtleitende Faser (156) mit einem freien Ende (158) aufweist, das Verfahren umfasst ein Herstellen des Faserinterferometers, das folgende Schritte aufweist:
Vorbereiten (S110), basierend auf einem mechanischen Schneiden der Faser (156) mit dem freien Ende (158), der Komponenten (110, 120, 130, 150);
Verbinden (S120), basierend auf der geschnittenen Faser (156), der Komponenten (110, 120, 130, 150) durch Faserverbindungen (101, 102); und
Anlegen (S130) einer statischen mechanischen Spannung an zumindest eine Faserverbindung (102), um so eine Länge der zumindest einen Faserverbindung (102) einem vorgeschriebenen Wert anzunähern und so das Faserinterferometer (100) herzustellen.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ein Einstellen des Interferometers umfasst.
3. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Einstellen des Interferometers ein Temperieren (S140) der zumindest einen Faserverbindung (102) umfasst, um so die Länge dem vorgeschriebenen Wert weiter anzunähern.
4. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Einstellen des Interferometers ausschließlich durch das Temperieren (S140) erfolgt.
5. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorbereiten (S110) folgendes umfasst: Fixieren der zumindest einen Komponente (150) in einer Halteeinrichtung;
Vorspannen der Faser (156) mit dem freien Ende (158) durch Anlegen einer Zugkraft (F3) an dem freien Ende (158); und
Einklemmen der Faser (156) durch eine Klemmeinrichtung (210), um so das mechanische Schneiden der Faser (156) zu ermöglichen.
6. Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Fixieren der zumindest einen Komponente (150) eines der Folgenden umfasst:
Einsetzen eines Komponentengehäuses (154) in die Halteeinrichtung, und/ oder
Einspannen der Faser (156) mit dem freien Ende (158) in eine Einspanneinrichtung und Einsetzen der Einspanneinrichtung in die Halteeinrichtung.
7. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anlegen (S130) der statischen mechanischen Spannung auf zumindest einem der Folgenden basiert:
- einer mechanischen Faserspanneinrichtung,
- einer elektromechanischen Faserspanneinrichtung,
- einer piezoelektrischen Faserspanneinrichtung.
8. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anlegen (S130) der statischen mechanischen Spannung auf einer Faserspanneinrichtung (140) basiert, die folgendes aufweist: einen Wickelkörper (143), der ausgebildet ist, um die zumindest eine Faserverbindung (102) um den Wickelkörper (143) zu wickeln, und eine Veränderungseinrichtung (145), die ausgebildet ist, um einen Durchmesser des Wickelkörpers (143) zu verändern und so die Spannung anzulegen.
9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das herzustellende Faserinterferometer (100) eine Temperiereinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um basierend auf der Temperiereinrichtung durch ein Verändern einer Temperatur das Temperieren (S140) durchzuführen.
10. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das Temperieren (S140) ein Verändern einer Temperatur innerhalb eines Gehäuses umfasst, das die zumindest eine Faserverbindung (102) umschließt.
11. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiter umfasst:
Bereitstellen eines Referenz-Interferometers; und
Vermessen der Länge der zumindest einen Faserverbindung (102) basierend auf einem Vergleichen mit dem Referenz-Interferometer.
12. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Vermessen auf einem der folgenden Verfahren basiert: einer Weißlicht-Interferometrie, und/oder einer optischen Kohärenztomographie.
13. Faserinterferometer (100), das aus Komponenten (110, 120, 130, 150) hergestellt ist, die durch Faserverbindungen (101, 102) verbunden sind, das Faserinterferometer (100) umfasst: eine Faserspanneinrichtung (140) mit einem Wickelkörper (140), um den zumindest eine Faserverbindung (102) gewickelt ist, und mit einer Ver- änderungseinrichtung (145), die ausgebildet ist, um einen Durchmesser des Wickelkörpers (143) zu verändern und so eine mechanische Spannung an der zumindest einen Faserverbindung (102) anzulegen; und eine Temperiereinrichtung, die ausgebildet ist, um durch ein Verändern einer Temperatur ein Temperieren (S140) der Faserverbindungen (101,
102) durchzuführen, um so das Interferometer (100) einzustellen.
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