本發(fā)明涉及精密測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種量子光纖干涉儀。

背景技術(shù)：

在精密測量領(lǐng)域，對于很多物理量的測量都歸結(jié)為對相位的測量，因而干涉儀成為精密測量中最為常見的實驗裝置，在基礎(chǔ)科學(xué)研究(如基本物理常數(shù)的測量)以及實際工程應(yīng)用(如導(dǎo)航定位、資源勘探)中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，用于引力波探測的長基線激光干涉儀，其靈敏度達到～10^-23εHz^-1/2，是目前靈敏度最高的干涉儀。然而這種自由空間型干涉儀構(gòu)造復(fù)雜且體積龐大，易受環(huán)境溫度、聲音和振動的影響，使得干涉測量不穩(wěn)定、調(diào)整較困難，限制了它在工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。相比之下光纖型干涉儀可減少干涉儀的長臂安裝和校準的固有困難，并可使干涉儀小型化；另外可通過加長光纖使干涉光路的響應(yīng)靈敏度增加。同時光纖干涉儀還可利用光纖對某些物理量的敏感特性，從而作為傳感元件來探測許多物理量如位移、應(yīng)變、磁場、轉(zhuǎn)動等。鑒于體積小，易搭建，靈敏度高，頻帶寬且抗電磁干擾等諸多優(yōu)點，光纖型干涉儀廣泛應(yīng)用于航天航海等諸多領(lǐng)域。

干涉儀的測量精度取決于系統(tǒng)的噪聲和探測態(tài)的量子漲落，后者決定了測量精度的最終極限。由電磁場的真空起伏引入的真空噪聲是一種典型的量子噪聲，導(dǎo)致待測量的測量精度存在一個標準量子極限，這是通常采用經(jīng)典光源所能達到的極限。而通過使用量子探測態(tài)，如壓縮態(tài)或多光子糾纏態(tài)，可突破標準量子極限。目前已在自由空間型干涉儀中實現(xiàn)了超越標準量子極限的測量精度，但是在光纖干涉儀測量系統(tǒng)中量子技術(shù)的實際應(yīng)用仍非常罕見，面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先在光纖干涉儀中，待測信號頻率通常在幾Hz到幾十kHz范圍。在低頻段，包括激光器的頻率及功率噪聲、探測器等的電子噪聲等技術(shù)噪聲比散粒噪聲大許多，不論是低頻壓縮光源還是低頻量子測量都十分困難。其次，在光纖干涉儀中光纖耦合、光纖型調(diào)制器、光纖對接等都會引入光子損耗，光纖介質(zhì)的吸收和散射也會增加損耗。然而量子光場是非經(jīng)典光場，其量子特性隨著光子損耗增加而線性衰減，從而導(dǎo)致量子探測精度下降。因此光子損耗是量子技術(shù)應(yīng)用于光纖干涉儀的難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種量子光纖干涉儀，以克服現(xiàn)有干涉儀系統(tǒng)受限經(jīng)典散粒噪聲極限的缺陷，同時該系統(tǒng)設(shè)計能夠采用高頻壓縮源進行低頻相位測量。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的量子光纖干涉儀包括：

量子壓縮光光源，用于發(fā)出相干光和量子壓縮光；

電光調(diào)制器，連接量子壓縮光光源，用于接收量子壓縮光光源發(fā)出的相干光，并進行高頻幅度調(diào)制；

第一光纖分束器，連接量子壓縮光光源和電光調(diào)制器，用于將量子壓縮光和調(diào)制后的相干光分為兩束，一束進入第一光纖移相器，另一束進入第二光纖移相器；

第一光纖移相器，連接第一光纖分束器，用于掃描和鎖定兩臂的相位差；

第二光纖移相器，連接第一光纖分束器，用于兩臂的損耗匹配；

第二光纖分束器，連接第一光纖移相器和第二光纖移相器，用于將第一光纖移相器和第二光纖移相器輸出的光分為兩束，并分別進入平衡探測器；

平衡探測器，連接第二光纖分束器，用于檢測第二光纖分束器輸出的光束。

進一步的，所述第一光纖分束器和第二光纖分束器之間為干涉儀的兩臂，兩臂長度均為10m。

進一步的，所述量子壓縮光光源具體為連續(xù)變量壓縮光源。壓縮光的壓縮度越高，正交分量的量子噪聲越低，干涉儀的測量精度就越高。

進一步的，所述電光調(diào)制器為波導(dǎo)型電光幅度調(diào)制器，半波電壓為3.5V，調(diào)制頻率為2.5MHz，使得系統(tǒng)可以應(yīng)用于低頻信號測量。

進一步的，所述第一光纖分束器和所述第二光纖分束器均為分光比為50/50的光纖分束器。

進一步的，所述第一光纖移相器和第二光纖移相器具體為：工作波長為1080nm、半波電壓為11V的移相器。

進一步的，所述第一光纖移相器鎖定兩臂的相位差為π/2。當兩臂相位差為π/2時，其相位測量的靈敏度最大，因此采用光纖移相器將干涉儀兩臂相位差鎖定在π/2。

進一步的，所述平衡探測器包含增益匹配的第一光電二極管和第二光電二極管，具體為ETX500InGaAs，量子效率為90％，可以有效地消除環(huán)境擾動的影響。第一光電二極管和第二光電二極管分別連接第二光纖分束器，用于檢測第二光纖分束器輸出的兩束光束。

進一步的，所述平衡探測器設(shè)有DC-10kHz的直流輸出端口和0.5MHz-10MHz的交流輸出端口；所述干涉儀還包括伺服放大器、高壓放大器和鎖相放大器；其中，直流輸出端口輸出的信號經(jīng)伺服放大器和高壓放大器放大后，傳輸至第一光纖移相器用于相位差的鎖定，交流輸出端口的信號經(jīng)鎖相放大器解調(diào)后作為干涉儀的輸出。

進一步的，所述量子壓縮光光源、電光調(diào)制器、第一光纖分束器、第一光纖移相器、第二光纖移相器、第二光纖分束器和平衡探測器都是單模保偏型器件，且相互之間連接采用的光纖也為單模保偏型光纖。從而均一性最高，最后測量得到干涉儀的損耗僅為20％，干涉對比度達到99％。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是：本發(fā)明將量子壓縮光注入到干涉儀內(nèi)，利用壓縮光的正交相位壓縮特性，使得干涉儀的信噪比突破經(jīng)典散粒噪聲極限，這是傳統(tǒng)的馬赫-曾德爾光纖干涉儀無法達到的。同時該量子干涉儀能夠測量低頻相位信號，能夠應(yīng)用于應(yīng)變、溫度等的量子傳感。此外，本發(fā)明系統(tǒng)集成度高，體積小，可以很方便的接入其他系統(tǒng)中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的量子光纖干涉儀的系統(tǒng)框圖；

圖2是量子壓縮光光源的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3壓縮光的噪聲功率譜；

圖4(a)干涉儀輸出信號解調(diào)后的噪聲譜，中心頻率為30kHz；

圖4(b)干涉儀輸出信號解調(diào)后的噪聲譜，中心頻率為80kHz；

圖4(c)干涉儀輸出信號解調(diào)后的噪聲譜，中心頻率為150kHz。

具體實施方式

如圖1所示，本實施例的量子光纖干涉儀包括量子壓縮光光源1、電光調(diào)制器2、第一光纖分束器3、第一光纖移相器4、第二光纖移相器5、第二光纖分束器6和平衡探測器7。其中，量子壓縮光光源1具體為連續(xù)變量壓縮光源，用于發(fā)出相干光和量子壓縮光。電光調(diào)制器2連接量子壓縮光光源1，用于接收量子壓縮光光源發(fā)出的相干光，并進行高頻幅度調(diào)制，電光調(diào)制器2具體為波導(dǎo)型電光幅度調(diào)制器，半波電壓為3.5V，調(diào)制頻率為2.5MHz。第一光纖分束器3連接量子壓縮光光源1和電光調(diào)制器2，用于將量子壓縮光和調(diào)制后的相干光分為兩束，一束進入第一光纖移相器4，另一束進入第二光纖移相器5。第一光纖分束器3和第二光纖分束器4之間為干涉儀的兩臂，兩臂長度均為10m。第一光纖移相器4連接第一光纖分束器3，用于掃描和鎖定兩臂的相位差，具體鎖定兩臂的相位差為π/2。第二光纖移相器5連接第一光纖分束器3，用于兩臂的損耗匹配。第一光纖移相器4和第二光纖移相器5工作波長為1080nm、半波電壓為11V。第二光纖分束器6連接第一光纖移相器4和第二光纖移相器5，用于將第一光纖移相器4和第二光纖移相器5輸出的光分為兩束，并分別進入平衡探測器7。第一光纖分束器3和第二光纖分束器6分光比均為50/50。平衡探測器7連接第二光纖分束器6，用于檢測第二光纖分束器6輸出的光束。平衡探測器包含增益匹配的第一光電二極管和第二光電二極管，具體為ETX500InGaAs。第一光電二極管和第二光電二極管分別連接第二光纖分束器6，用于檢測第二光纖分束器6輸出的兩束光束。平衡探測器7設(shè)有DC-10kHz的直流輸出端口和0.5MHz-10MHz的交流輸出端口；直流輸出端口輸出的信號經(jīng)伺服放大器和高壓放大器放大后，傳輸至第一光纖移相器用于相位差的鎖定，交流輸出端口的信號經(jīng)鎖相放大器解調(diào)后作為干涉儀的輸出。其中，量子壓縮光光源1、電光調(diào)制器2、第一光纖分束器3、第一光纖移相器4、第二光纖移相器5、第二光纖分束器6和平衡探測器7都是單模保偏型器件，且相互之間連接采用的光纖也為單模保偏型光纖。

根據(jù)圖1的量子光纖干涉儀，對其相位測量精度進行如下分析。相干光和壓縮光的線性化算符分別表示為和其中a₀為平均光場，和為光場的量子起伏。相干光經(jīng)過幅度調(diào)制(當電光調(diào)制增益最大時)表示為

$\hat{a}=\frac{1}{2}(a_0+\mathrm{\δ}\hat{a})\[1+i(J_0+J_1{e}^{i\mathrm{\Ω}t}-J_1{e}^{-i\mathrm{\Ω}t})\],$

其中Ω為調(diào)制頻率，J_k＝J_k(M)(k＝0,1)是k階貝塞爾函數(shù)。當兩束光注入光纖干涉儀(干涉儀的相位差鎖定在π/2)，經(jīng)平衡探測器探測，鎖相放大器解調(diào)后，量子干涉儀的輸出信號可寫為

其中為干涉儀兩臂相位差且θ為相干光與壓縮光的相位位相。干涉儀的測量精度為

當注入的壓縮光為正交相位壓縮光(r為壓縮光的壓縮因子)且θ＝0時，干涉儀的相位測量精度為相對于傳統(tǒng)的干涉儀，即真空場入射時相位精度量子干涉儀的精度提高了e^r。因此該量子干涉儀的相位測量精度能夠突破經(jīng)典散粒噪聲極限，且能夠用高頻壓縮光實現(xiàn)低頻相位測量。

圖2是量子壓縮光源1，它包括一個雙波長輸出單頻運作連續(xù)波激光器(Nd:YAP/LBO)101，可以輸出1080nm和540nm激光，通過二相色鏡103將兩束光分離開，分別作為非簡并光學(xué)參量放大器(NOPA)110的信號光和泵浦光。1080nm激光首先經(jīng)過一個模式清潔器105，可降低激光的強度噪聲且獲得更好的空間模式。分光鏡107將1080nm激光分成兩束，一束光通過光纖耦合器108耦合至單模保偏光纖109，為光纖干涉儀提供相干光源。另一束光經(jīng)過隔離器110再由二相色鏡111導(dǎo)入到NOPA腔112。540nm激光也需要進過一個模式清潔器106再經(jīng)過二相色鏡111導(dǎo)入到NOPA腔112。NOPA腔采用了半整腔結(jié)構(gòu)，其中一塊α-切割二類匹配的磷酸鈦氧鉀晶體作為輸入鏡，曲率半徑為50mm的凹面鏡作為輸出鏡。在NOPA腔內(nèi)II類位相匹配的KTP晶體中經(jīng)過參量反放大過程產(chǎn)生一對頻率簡并，偏振正交的1080nm糾纏光。這一對糾纏光在-45°(+45°)方向耦合為正交相位壓縮(正交振幅壓縮)的暗模壓縮光(亮模壓縮光)。通過一個半波片113和偏振分束片114將暗模壓縮光選出，再經(jīng)光纖耦合器115將其耦合經(jīng)單模保偏光纖116。暗模壓縮光即為量子干涉儀的量子光源。

圖3給出了暗模壓縮光的壓縮度測量。采用平衡零拍探測方法測量耦合到單模保偏光纖后的壓縮光。圖3的曲線(i)對應(yīng)的散粒噪聲，此時壓縮光被擋住。曲線(ii)表示壓縮光的正交分量噪聲，測量時對本地光與壓縮光的相對位相進行線性掃描，頻譜儀的中心頻率為2.5MHz，RBW＝3kHz，VBW＝30Hz。根據(jù)圖3可知實驗測量的暗模壓縮度為4dB。光纖耦合效率為80％，探測器量子效率為90％，對比度99％，即總的探測效率為71.3％。考慮總的探測效率后，NOPA腔輸出的暗模壓縮光的壓縮度為8dB。

圖4給出了量子光纖干涉儀的輸出噪聲測量結(jié)果，探測頻率分別為30kHz、80kHz及150kHz。相對于沒有壓縮光注入時的散粒噪聲，當注入高頻壓縮光后，干涉儀的系統(tǒng)噪聲降低了2dB。頻譜儀的參數(shù)為RBW＝3kHz，VBW＝30Hz。測量時傳輸效率60％，探測器量子效率為90％，干涉效率99％，則總的探測效率為53.5％，根據(jù)上面干涉儀測量精度的公式，可得量子干涉儀的靈敏度理論上提高了2.4dB，與實驗結(jié)果符合較好。據(jù)此測試結(jié)果表明一種量子光纖干涉儀能夠利用高頻壓縮源實現(xiàn)低頻相位測量，且測量精度突破了散粒噪聲極限2dB。

以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。