一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器的制作方法

本发明涉及气体传感器，具体涉及一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器。

背景技术：

1、量子传感，也即量子度量，是量子信息科学的三大最重要应用之一，其利用量子纠缠、量子相干性等量子资源，可以大幅度提高测量、传感的精度。传统的光学传感器的测量精度极限正比于测量次数开平方的倒数，叫做标准量子极限；量子精密测量的测量精度极限正比于测量次数的倒数，叫做海森堡极限。因此在相同测量次数的情况下，量子精密测量的测量精度小于经典极限。利用集成光学芯片的量子传感器的原理是采用相干态激光或者单模压缩态作为探测光，并于集成光学芯片上的回音壁光学微腔腔模共振，实现对探测光的束缚，大幅度延长传感器与被探测物的相互作用时间，最后对探测光和参考光做平衡零拍探测提取信息，实现对被探测物的特定参数测量。

2、使用集成光学芯片量子传感器进行多组分气体同步探测的原理是不同气体在不同的波长区域有不同的吸收谱。以甲烷为例，其在1.33um、1.66um以及3.31um等附近有比较强烈的吸收峰。以其中一个吸收峰作为探测特征，当回音壁微腔腔模和该吸收峰匹配时，调谐探测光频率与微腔腔模共振，探测光会环绕微腔多圈(圈数取决于微腔品质因子)，从而与甲烷气体长时间相互作用，产生强烈吸收，增大微腔本征损耗，最后利用平衡零拍探测提取吸收谱信息，实现对甲烷的探测。气体浓度和微腔本征损耗一一对应。为达到最优探测灵敏度，需要实现微腔本征损耗和耦合损耗达到平衡，而本征损耗受气体浓度影响，因此需要匹配不同气体浓度下的本征损耗，这是目前本领域没有得到有效解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于光学芯片的多组分气体量子传感，其实现了不同气体浓度条件下，传感器灵敏度均能达到最优的目的。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器，所述量子传感器包括：

4、探测激光器和参考激光器，用于同步产生探测光和参考光；

5、光学芯片，所述光学芯片包括微腔及配套耦合波导和控制电极，用于使耦合进入微腔中的探测光与被探测气体相互作用后耦合出波导，其中微腔及其输入耦合波导构成马赫-曾德尔干涉仪结构；

6、示波器和可编程电压源，所述示波器用于监测耦合出波导的探测光并形成监测信号，所述可编程电压源用于响应所述监测信号并产生相应的反馈信号；基于所述反馈信号一方面调整加载在控制电极上的电压，以改变光学芯片的温度，并通过热折变效应改变微腔的谐振频率，使微腔稳定在被探测气体的吸收峰，另一方面调整作用在干涉仪上的相位以改变耦合损耗，进而匹配被探测气体不同浓度下的本征损耗；

7、光电探测器，用于接收参考光以及耦合出波导的探测光，提取探测光的光谱信息并转换成用于气体参数测量的电信号输出。

8、进一步改进在于，所述探测激光器、参考激光器、光学芯片中的微腔、光电探测器、示波器均对应设置有若干组，所述可编程电压源采用与组数对应的可编程多通道电压源，其中，所述光学芯片中的若干组微腔之间的半径不相同。

9、进一步改进在于，所述量子传感器还包括时钟同步信号源，用于同步探测激光器和参考激光器。

10、进一步改进在于，所述量子传感器还包括光纤分束器，用于将耦合出波导的探测光分成两束，一束导入示波器，另一束导入光电探测器。

11、进一步改进在于，所述光电探测器采用平衡零拍探测器。

12、进一步改进在于，所述反馈信号是通过探测光在示波器上的吸收峰计算微腔耦合损耗和本征损耗产生。

13、本发明的有益效果在于：

14、(1)本发明利用探测光在示波器上的吸收峰计算微腔两种损耗，并以此为反馈信号控制加载在电极上的电压，控制作用在干涉仪上的相位改变耦合损耗，以匹配不同气体浓度下的本征损耗，从而使得传感器灵敏度均能达到最优。

15、(2)本发明光学芯片中每个微腔在激光源、光学平衡零拍探测器及电控系统配合下作用于一种特定气体组分，构成一个功能单元，各个功能单元作用于不同气体组分，并通过控制微腔半径及控温使其腔模能够分别与不同气体特征谱匹配，从而实现了多组分气体探测。

技术特征：

1.一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器，其特征在于，所述量子传感器包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器，其特征在于，所述探测激光器、参考激光器、光学芯片中的微腔、光电探测器、示波器均对应设置有若干组，所述可编程电压源采用与组数对应的可编程多通道电压源，其中，所述光学芯片中的若干组微腔之间的半径不相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器，其特征在于，所述量子传感器还包括时钟同步信号源，用于同步探测激光器和参考激光器。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器，其特征在于，所述量子传感器还包括光纤分束器，用于将耦合出波导的探测光分成两束，一束导入示波器，另一束导入光电探测器。

5.根据权利要求1所述的一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器，其特征在于，所述光电探测器采用平衡零拍探测器。

6.根据权利要求1所述的一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器，其特征在于，所述反馈信号是通过探测光在示波器上的吸收峰计算微腔耦合损耗和本征损耗产生。

技术总结
本发明公开了一种基于光学芯片的多组分气体量子传感器，包括：探测激光器和参考激光器，用于同步产生探测光和参考光；光学芯片，用于使耦合进入微腔中的探测光与被探测气体相互作用后耦合出波导；示波器和可编程电压源，示波器用于监测耦合出波导的探测光并形成监测信号，可编程电压源用于响应所述监测信号并产生相应的反馈信号；光电探测器，用于接收参考光以及耦合出波导的探测光，提取探测光的光谱信息并转换成用于气体参数测量的电信号输出。本发明通过使微腔本征损耗和耦合损耗达到平衡，从而使传感器灵敏度均能达到最优；另外，本发明通过控制微腔半径及控温使其腔模能够分别与不同气体特征谱匹配，从而实现了多组分气体探测。

技术研发人员：王涛
受保护的技术使用者：安徽道纪量子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12