一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺及其工作方法与流程

1.本发明属于导航定位技术的光纤陀螺仪技术领域，特别是一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺及其工作方法。


背景技术：

2.陀螺仪作为惯性导航系统和核心原件，其精度直接决定着惯性导航系统的性能。随着深远海条件下的高精度、高可靠导航信息需求进一步提高，对惯性导航系统的性能提出了比卫星拒止条件下独立精确导航、智能化导航等更高的要求。光纤陀螺相比传统机械陀螺，不仅具有全固态、低噪声、低功耗、免维护、可靠性高寿命长等诸多优点，而且信息实时性高、精度潜力大、体积结构灵活。光纤陀螺的诸多优点使其在多个领域有广泛应用前景，如战略导弹系统、潜艇导航、卫星定位、汽车定向、智能机器人等多个领域得到广泛应用，因此表现出极佳的优势，并不断向超高精度方向发展。
3.基于sagnac效应对角速度测量构成了现代激光陀螺和光纤陀螺的基础，根据结构不同主要分为干涉型和谐振型。sagnac效应是指在同一光源发出的沿顺时针和逆时针传输的两束光发生干涉，当闭合光路以角速度ω旋转时，顺时针和逆时针传播光束在回到出发点时会产生与转速成比例的相位差，该相位差被称为“sagnac相移”。
4.目前，随着深远海条件和卫星拒止条件下对导航精度的需求进一步提升，制造更高精度和更高灵敏度的光纤陀螺为目标所在。提高光纤陀螺灵敏度的传统方案主要靠增加光纤敏感环路尺寸和光纤长度来提高灵敏度，将带来诸多新缺点，如增加系统复杂程度、引入更大的shupe误差。灵敏度提升遇到瓶颈，急需新的解决方案。近年来，随着量子技术高速发展，国防工业也进入“量子时代”，基于量子技术的陀螺被认为是一种可行的解决方案。
5.但是，已有的激光陀螺和光纤陀螺方案本质上都是利用光一阶干涉，而光量子高阶干涉自从提出以来，大量使用在量子精密测量领域，其对时间分辨率的测量可以精确到ps量级。
6.为此，亟需研发一种在sagnac干涉仪中实现基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，用来做转速测量。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对目前仅利用sagnac干涉仪的一阶干涉效应进行角速度传感精度的不足，提供一种全新的基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，适用于利用光纤中高速传输的光子感知角速度和角加速度，通过符合测量得到角速度和角加速度信息。
8.本发明的目的还在于提供一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺的工作方法。
9.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
10.一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，其包括预报单光子源、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤、光纤敏感环路、分束装置、第三单模保偏光纤、第四单模保偏光纤、第一单光子计数器、第二单光子计数器、第一信号线、第二信号线及时间-幅度转换器；
预报单光子源产生的双光子分别经第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤输入至分束装置并分别进入光纤敏感环路的两入射端口，光纤敏感环路由单模保偏光纤绕制而成，双光子经过光纤敏感环路后从两共轭端口输出再经分束装置接收，偏振态被调整成同向，双光子相遇并发生二阶干涉后输出至第三单模保偏光纤、第四单模保偏光纤，第三单模保偏光纤、第四单模保偏光纤另一端分别与所述第一单光子计数器、第二单光子计数器连接，第一单光子计数器、第二单光子计数器分别对双光子中的一个光子进行收集，通过光电效应、信号放大、信号处理等转换成标准电信号；通过第一信号线、第二信号线将所述第一单光子计数器、第二单光子计数器发出的电信号传输到所述时间-幅度转换器，通过时间-幅度转换器将第一单光子计数器、第二单光子计数器收集到的电信号进行时间关联符合测量。
11.而且，所述分束装置为四块正方形偏振分束器粘合在一起制成的偏振分束器矩阵；所述双光子经第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤从一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：a面、b面入射，经分束装置后，从分束装置另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：c面、d面出射至光纤敏感环路；则双光子中的水平偏振或竖直偏振的一光子沿顺时针方向传输，竖直偏振或水平偏振的一个光子沿逆时针方向传输，经光纤敏感环路后从共轭端口输出，经所述d面、c面再次回到分束装置中，在e面发生量子二阶干涉；经分束装置作用后的双光子从第四单模保偏光纤、第三单模保偏光纤端口输出至第二单光子计数器、第一单光子计数器。
12.一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺的工作方法，其包括如下步骤：
13.1)预报单光子源产生具有量子关联特性的参量光双光子，该参量光双光子为偏振相互正交或者相互平行的且具有量子关联特性的参量光，产生双光子态表示为1,1》；
14.2)所述具有量子关联特性的参量光双光子，经第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤从分束装置的一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：a面、b面入射，经分束装置后，从分束装置另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：c面、d面出射至光纤敏感环路的两个入射端口输入，利用光纤敏感环路保偏光纤的两光轴传输偏振态相互正交的双光子，则一水平偏振或竖直偏振光子沿顺时针方向传输，另一竖直偏振或水平偏振光子沿逆时针方向传输，经过
④
光纤敏感环路后从共轭端口输出；
15.3)具有量子关联特性的参量光双光子经过光纤敏感环路后，再由分束装置接收，偏振态被调整成同向，然后在分束装置内的内介面：介面e相遇，经介面作用后一共存在四种可能的输出情况，分别对应四种量子态，分别为：
16.①
两个光子均透射，一个从a口出射，一个从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|1a,1b》；
17.②
两个光子均反射，一个从a口出射，一个从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|1a,1b》；
18.③
一个光子反射、一个光子透射，共同从a口出射，该态用狄拉克符号表示为|2a,0b》；
19.④
一个光子透射、一个光子反射，共同从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|0a,2b》；
20.当光纤敏感环路不发生旋转时，两光子完全同时到达分束装置内界面介面e，经过分束器后的量子态表示为
[0021][0022]
其中下脚标代表从分束器a、b出口出射，考虑到理想状态下分束装置内界面介面e反射率和折射率相同r＝t＝1/2，
[0023]
代入后可以得出输出态为|ψ
out
》
∝
|2a,0b》+|0a,2b》，即两光子从相同的出口出射；
[0024]
当光纤敏感环路以角速度ω转动时，在光纤敏感环路中沿顺时针传输的水平偏振态光子或竖直偏振态光子和沿逆时针传输的竖直偏振态光子或水平偏振态光子回到出发点时将产生与转速ω成正比的相位差，令时间差为δt，经推导得到
[0025][0026]
δt为由转速引入的时间延迟；公式(2)中r表示光纤敏感环路半径，n
·
2πr表示光纤敏感环路围成的面积，n表示光纤有效折射率，c表示真空中光速；
[0027]
发生量子高阶干涉后的参量光双光子分别通过第三、第四单模保偏光纤(7)与第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)连接；第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)将单光子收集，通过光电效应、信号放大、信号处理等转换成标准电信号，并传输到时间-幅度转换器(12)，通过时间-幅度转换器(12)将第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)收集到的信息进行时间关联符合测量，得到的符合测量结果
[0028]
p(r1,r2；t1,t2)
∝
《e-(r1,t1)e-(r2,t2)e
+
(r2,t2)e
+
(r1,t1)》
ꢀꢀꢀ
(3)
[0029]
其中(r1,t1)代表第一个单光子探测器在t1时刻接收到光子，(r2,t2)代表第二个单光子探测器在t2时刻接收到光子；
[0030]
经计算，符合计数率满足如下关系
[0031][0032]
其中α为常系数，σ为标准差，曲线为倒置高斯型，呈“谷”状，当光纤敏感环路(4)不发生旋转时，δt＝0，以t为横坐标，符合计数率为纵坐标作图；当闭合光纤敏感环路(4)以角速度ω转动时，通过式可以计算出由转速引入的时差，曲线将发生平移，通过平移量计算得到该陀螺转速ω。
[0033]
本发明的优点和有益效果为：
[0034]
1、本发明的基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，由预报单光子源产生的具有量子关联特性的一对光子，将这对光子分别从保偏光纤敏感环路的两端入射，经过保偏光纤敏感环路后从共轭端口输出，经分束装置后两光子相遇并发生量子干涉的二阶干涉；当闭合回路不发生旋转时，两光子同时到达，发生聚束效应，即两光子同时从该分束器的一个端口出射，符合计数曲线出现低“谷”；当闭合光纤敏感环路以角速度ω转动时，在光纤敏感环路中沿顺时针传输的|h》态光子(或|v》态光子)和沿逆时针传输的|v》态光子(或|h》态光子)回到出发点时将产生与转速ω成正比的相位差，此时符合计数曲线“谷”会发生相应平移，通过符合测量读数中“谷”对应的时间延迟，并经过数据处理可以得出转速信息。
[0035]
2、本发明的基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，使用了量子高阶干涉，动态范围大，该方案具有较大的动态范围，约为数百微米(μm)量级，即数百个波长。
[0036]
3、本发明的基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，预报单光子源、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤、光纤敏感环路、分束装置、第三单模保偏光纤、第四单模保偏光纤、第一单光子计数器、第二单光子计数器、第一信号线、第二信号线及时间-幅度转换器，结构设计合理，节省空间，最大限度利用陀螺仪内部空间。
[0037]
4、本发明的基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，首次利用量子高阶干涉于光纤陀螺，方案新颖原理可靠，提高精度潜力大。
[0038]
5、本发明的基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，分束装置采用四块正方形偏振分束器粘合在一起制成的偏振分束器矩阵，结构设计紧凑，对称性好，互易性佳。
[0039]
6、本发明的基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，基于量子高阶干涉效应的光纤陀螺具有探测范围广，灵敏度高，易于集成化等诸多优点，可用于地球自转测量、惯性导航等多个领域；作为全新方案，开拓未来高精度光纤陀螺的新技术途径，有广阔前景。
附图说明
[0040]
图1为本发明基于量子高阶干涉效应的光纤陀螺结构示意图；
[0041]
图2为一对偏振态相互正交的两光子在光纤敏感环路中传输示意图；
[0042]
图3为本发明的分束装置的结构示意图；
[0043]
图4为参量光两光子在分束装置内界面处相遇时第一种可能的量子态；
[0044]
图5为参量光两光子在分束装置内界面处相遇时第二种可能的量子态；
[0045]
图6为参量光两光子在分束装置内界面处相遇时第三种可能的量子态；
[0046]
图7为参量光两光子在分束装置内界面处相遇时第四种可能的量子态；
[0047]
图8为通过符合测量得到的二阶干涉“谷”状曲线一；
[0048]
图9为通过符合测量得到的二阶干涉“谷”状曲线二；
[0049]
附图标记说明
[0050]
1-预报单光子源、2-第一单模保偏光纤、3-第二单模保偏光纤、4-光纤敏感环路、5-分束装置、6-第三单模保偏光纤、7-第四单模保偏光纤、8-第一单光子计数器、9-第二单光子计数器、10-第一信号线、11-第二信号线、12-时间-幅度转换器。
具体实施方式
[0051]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0052]
一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，如图1所示，其包括预报单光子源1、第一单模保偏光纤2、第二单模保偏光纤3、光纤敏感环路4、分束装置5、第三单模保偏光纤6、第四单模保偏光纤7、第一单光子计数器8、第二单光子计数器9、第一信号线10、第二信号线11及时间-幅度转换器12。
[0053]
预报单光子源1产通过连续型激光器或飞秒激光器泵浦非线性晶体实现自发参量下转换产生，或泵浦体块周期极化非线性晶体实现参量下转换产生，或泵浦周期极化非线性波导实现参量下转换产生。预报单光子源1产生的双光子分别经第一单模保偏光纤2、第二单模保偏光纤3输入至分束装置5并分别进入光纤敏感环路4的两入射端口。第一单模保偏光纤2、第二单模保偏光纤3其作用为将产生的预报单光子源1传输至分束装置5，同时偏
振态得到保证。两根保偏光纤应完全相同，以保证光路结构对称性。
[0054]
光纤敏感环路4由两完全相同的单模保偏光纤绕制而成，双光子经过光纤敏感环路4后从两共轭端口输出再经分束装置5接收，偏振态被调整成同向，双光子相遇并发生二阶干涉后输出至第三单模保偏光纤6、第四单模保偏光纤7。
[0055]
如图2所示，分束装置5为四块正方形偏振分束器粘合在一起制成的偏振分束器矩阵；所述双光子经第一单模保偏光纤2、第二单模保偏光纤3从一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：a面、b面入射，经分束装置5后，从分束装置5另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：c面、d面出射至光纤敏感环路4；则双光子中的水平偏振或竖直偏振的一光子沿顺时针方向传输，竖直偏振或水平偏振的一个光子沿逆时针方向传输，经光纤敏感环路4后从共轭端口输出，经所述d面、c面再次回到分束装置5中，在e面发生量子二阶干涉；经分束装置5作用后的双光子从第四单模保偏光纤7、第三单模保偏光纤6端口输出至第二单光子计数器9、第一单光子计数器8。第三单模保偏光纤6、第四单模保偏光纤7，为与第一单模保偏光纤2、第二单模保偏光纤3相同的保偏光纤。
[0056]
第三单模保偏光纤6、第四单模保偏光纤7另一端分别与所述第一单光子计数器8、第二单光子计数器9连接，第一单光子计数器8、第二单光子计数器9分别对双光子中的一个光子进行收集，通过光电效应、信号放大、信号处理等转换成标准电信号；通过第一信号线10、第二信号线11将所述第一单光子计数器8、第二单光子计数器9发出的电信号传输到所述时间-幅度转换器12，通过时间-幅度转换器12将第一单光子计数器8、第二单光子计数器9收集到的电信号进行时间关联符合测量。第一单光子计数器8、第二单光子计数器9可以是si、ingaas、inp或超导纳米线材料制成的，将光信号转成电信号并输出，可用于对单个光子进行探测和计数。
[0057]
第一单光子计数器8、第二单光子计数器9将一对光子收集，通过光电效应、信号放大、信号处理等转换成标准电信号；通过第一信号线10、第二信号线11将所述第一单光子计数器8、第二单光子计数器9发出的电信号传输到所述时间-幅度转换器12，通过时间-幅度转换器12将第一单光子计数器8、第二单光子计数器9收集到的电信号进行时间关联符合测量。
[0058]
一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺的工作方法，其包括如下步骤：
[0059]
1)预报单光子源1产生具有量子关联特性的参量光双光子，该参量光双光子为偏振相互正交或者相互平行的且具有量子关联特性的参量光，产生双光子态表示为|1,1》；
[0060]
2)如图2所示，所述具有量子关联特性的参量光双光子，经第一单模保偏光纤2、第二单模保偏光纤3从分束装置5的一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：a面、b面入射，经分束装置5后，从分束装置5另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：c面、d面出射至光纤敏感环路4的两个入射端口输入，利用光纤敏感环路4保偏光纤的两光轴传输偏振态相互正交的双光子，则一水平偏振或竖直偏振光子沿顺时针方向传输，另一竖直偏振或水平偏振光子沿逆时针方向传输，经过
④
光纤敏感环路4后从共轭端口输出，如图3所示；
[0061]
3)具有量子关联特性的参量光双光子经过光纤敏感环路4后，再由分束装置5接收，偏振态被调整成同向，然后在分束装置5内的内介面：介面e相遇，经介面作用后一共存在四种可能的输出情况，如图4-7所示，分别对应四种量子态，分别为：
[0062]
①
两个光子均透射，一个从a口出射，一个从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|1a,1b》；
[0063]
②
两个光子均反射，一个从a口出射，一个从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|1a,1b》；
[0064]
③
一个光子反射、一个光子透射，共同从a口出射，该态用狄拉克符号表示为|2a,0b》；
[0065]
④
一个光子透射、一个光子反射，共同从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|0a,2b》；
[0066]
a口，b口对应与分束装置5连接的第三单模保偏光纤6、第四单模保偏光纤7。
[0067]
当光纤敏感环路4不发生旋转时，两光子完全同时到达分束装置5内界面介面e，经过分束装置5后的量子态表示为
[0068][0069]
其中下脚标代表从分束装置5的a、b出口出射，考虑到理想状态下分束装置5内界面介面e反射率和折射率相同r＝t＝1/2，
[0070]
代入后可以得出输出态为|ψ
out
》
∝
|2a,0b》+|0a,2b》，即两光子从相同的出口出射；
[0071]
当光纤敏感环路4以角速度ω转动时，在光纤敏感环路4中沿顺时针传输的水平偏振态光子(或竖直偏振态光子)和沿逆时针传输的竖直偏振态光子(或水平偏振态光子)回到出发点时将产生与转速ω成正比的相位差，令时间差为δt，经推导得到
[0072][0073]
δt为由转速引入的时间延迟；公式(2)中r表示光纤敏感环路半径，n
·
2πr表示光纤敏感环路围成的面积，n表示光纤有效折射率，c表示真空中光速；
[0074]
发生量子高阶干涉后的参量光双光子分别通过第三、第四单模保偏光纤7与第一单光子计数器8、第二单光子计数器9连接；第一单光子计数器8、第二单光子计数器9将单光子收集，通过光电效应、信号放大、信号处理等转换成标准电信号，并传输到时间-幅度转换器12，通过时间-幅度转换器12将第一单光子计数器8、第二单光子计数器9收集到的信息进行时间关联符合测量，得到的符合测量结果
[0075]
p(r1,r2；t1,t2)
∝
《e-(r1,t1)e-(r2,t2)e
+
(r2,t2)e
+
(r1,t1)》
ꢀꢀꢀ
(3)
[0076]
其中(r1,t1)代表第一个单光子探测器在t1时刻接收到光子，(r2,t2)代表第二个单光子探测器在t2时刻接收到光子；
[0077]
经计算，符合计数率满足如下关系
[0078][0079]
其中α为常系数，σ为标准差，曲线为倒置高斯型，呈“谷”状，当光纤敏感环路4不发生旋转时，δt＝0，以t为横坐标，符合计数率为纵坐标作图；当闭合光纤敏感环路4以角速度ω转动时，通过式可以计算出由转速引入的时差，曲线将发生平移，通过平移量计算得到该陀螺转速ω。
[0080]
尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。