基于连续变量量子纠缠源的量子增强型光纤陀螺仪及方法

本发明属于量子光学和量子精密测量设备的，具体涉及为一种基于连续变量量子纠缠源的量子增强型光纤陀螺仪及方法。

背景技术：

1、陀螺仪是在惯性空间测量运动物体旋转角度或角速度的传感器，能够敏感载体姿态角、角速度的变化，被广泛应用于惯性导航系统中。光纤陀螺仪具有精度高、寿命长、体积小、可靠性好、反应时间短、抗干扰能力强等特点，并且成本低适合批量生产，被广泛应用于导弹、航空、航天、航海领域和资源勘测、大地测量、隧道铁路建设等民用领域。光纤陀螺仪的光学敏感器是一个sagnac干涉仪，两束光在光纤绕成的环形sagnac干涉仪中分别沿着顺、逆时针独立传播，当光纤环静止时，两束光在光纤中传播时间相等，光程相等；当光纤环绕其垂直面以某一角速度旋转时，相向传播的两束光的光程发生变化。光纤陀螺仪作为惯性系统的心脏，其性能精度的提升是国防装备的重大需求，也在推动国民经济中发挥着重要作用。由于受到来自于光场本身量子化引起的散粒噪声的限制，技术上的迭代升级无法使得光纤陀螺仪的精度再进一步突破量子噪声极限。随着量子技术的迅速发展，一个必然的趋势就是将量子光源引入光学干涉仪从而使得干涉仪的测量精度不断地接近海森堡极限。

2、目前，科学家们已将量子光源用于提高基于迈克尔逊激光干涉仪的引力波探测的灵敏度。利用连续变量量子纠缠态注入光纤陀螺仪的光学敏感器—sagnac干涉仪实现突破量子噪声极限微小信号测量的研究还未见报道。文献“demonstration of a quantum-enhanced fiber sagnac interferometer，opt. lett. 35, 1665 (2010)”报道了通过压缩态光场填补sagnac干涉仪的真空通道提高其信噪比的研究，上述文章中利用压缩态光场填补sagnac干涉仪的真空通道，和利用量子纠缠提升sagnac干涉仪测量精度的原理不同；而且文章中没有对sagnac干涉仪进行偏置补偿和陀螺效应输出，因此能否提升光纤陀螺仪的性能精度还需要进一步研究。文献“entanglement-enhanced optical gyroscope, newj. of phys. 21, 053010 (2019)”报道了利用纠缠光子对实现突破散粒噪声极限的相位测量，由于目前纠缠光子对的亮度很低，限制了其绝对精度并不能超越传统光纤陀螺仪的精度。中国发明专利zl2011104491085中涉及的“基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪”和中国发明专利公开文件2022100153336中涉及的“基于受激参量下转换的测量装置及量子增强相位测量方法”，都是利用上述的纠缠光子对作为量子光源进行量子增强型精密测量的方案。但由于受限于纠缠光子对产生速率、亮度以及单光子探测效率等因素的制约，该光源目前并不是提升光纤陀螺仪精度的理想光源。

技术实现思路

1、针对背景技术中现有方案中由于纠缠光子对产生速率、亮度以及单光子探测效率等因素的制约，导致该光源并不能作为提升光纤陀螺仪精度的理想光源，同时传统经典光源对于光纤陀螺仪存在信噪比高、探测不稳定的问题。本发明设计以连续变量量子纠缠态光场作为新一代量子增强型光纤陀螺仪的理想光源，该连续变量量子纠缠态光场区别于纠缠光子对的是其量子变量的本征态具有连续谱结构，如光场的正交分量等，因而具有确定性产生、探测效率高、输出平均场亮的特点。

2、基于此，本发明采用结构紧凑的非简并光学参量放大器将连续单频激光转化为连续变量量子纠缠态光场。因此，本发明提供了一种基于连续变量量子纠缠源的量子增强型光纤陀螺仪及方法，用于实现光纤陀螺仪光学敏感器——光纤sagnac干涉仪突破量子噪声极限的信噪比和灵敏度的提高，从而提升光纤陀螺仪的性能精度。

3、为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于连续变量量子纠缠源的量子增强型光纤陀螺仪，包括有用于产生连续单频激光的激光器，在所述激光器的出射光路上设置有分束镜，所述分束镜将激光器输出的连续单频激光分为第一出射光与第二出射光两束，在第一出射光路上分别设置有第一模清洁器、45°高反平面镜、光隔离器、第一半波片形成注入光路，在第二出射光路上分别设置有倍频器、第二模清洁器、第二半波片形成泵浦光路，在注入光路和泵浦光路上沿传播方向依次设置有45°双色平面镜、非简并光学参量放大器，所述非简并光学参量放大器包括由凹面曲率半径为30 mm的第一平凹镜与第二平凹镜构成光学谐振腔、以及设置于光学谐振腔内的非线性晶体，在所述第二平凹镜的背面设置有压电陶瓷，在所述第一平凹镜和第二平凹镜上均镀有对1550 nm和775 nm光的部分反射膜，在所述光隔离器的反向出射光路上设置有第一探测器，第一探测器用于将注入光经所述第二平凹镜反射携带光学谐振腔腔长信息的信号光转换为电信号传输至腔长控制系统，所述压电陶瓷根据信号光利用腔长控制系统控制和锁定所述光学谐振腔的腔长，在所述非线性晶体上设置有温度控制系统，所述温度控制系统用于精确控制非线性晶体的温度，以此提高其温度的稳定性而使非线性晶体的温度达到最佳温度匹配条件，所述光纤sagnac干涉仪位于非简并光学参量放大器的出射光路上，其设置在电动旋转台上，所述光纤sagnac干涉仪包括有沿光场传播方向依次布置的第三半波片、第一偏振分束棱镜、以及两端分别设置有第一光纤耦合器、第二光纤耦合器的光纤环，所述电动旋转台用于控制所述光纤sagnac干涉仪的旋转角速度获得微小位相信号，在所述光纤环的任一端上设置有光纤调制器，所述光纤调制器用于控制所述光纤sagnac干涉仪进行相位调制并锁定偏置为π/2，在所述光纤sagnac干涉仪的输出端上设置有平衡零拍探测系统，所述平衡零拍探测系统通过对光纤sagnac干涉仪输出携带微小位相信号的光场进行探测，以此实现量子增强型光纤陀螺仪测量微小位相信号。

4、作为上述技术方案的进一步补充说明，所述非线性晶体长度为10 mm，两个端面分别镀有对1550 nm和775 nm光的增透膜，其中一个端面上设置有1°的楔角，用于实现光场在晶体中光程的变化。

5、作为上述技术方案的进一步补充说明，所述非线性晶体是采用ii类相位匹配方式的非线性晶体。

6、作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述腔长控制系统包括锁相放大器、比例积分微分控制器以及高压放大器，所述锁相放大器的信号输入端与所述第一探测器的信号输出端连接，所述比例积分微分控制器的信号输入端与所述锁相放大器的误差信号输出端连接，所述高压放大器的信号输入端分别与所述锁相放大器的调制信号输出端、比例积分微分控制器的信号输出端连接，所述高压放大器的信号输出端与压电陶瓷相连接，所述压电陶瓷根据高压放大器输出的锁腔信号控制所述第二平凹镜的移动，以此锁定光学谐振腔的腔长。

7、作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述温度控制系统由温控仪、晶体炉、热敏电阻、保温套装、帕尔贴元件组成，所述非线性晶体放置在金属材料制成的晶体炉凹槽内，在晶体炉的外部包裹有隔热材料制成的保温套装，保温套装用于使所述非线性晶体受热均匀且散热快速，以此达到了精确控温的目的，所述帕尔贴元件的制热面贴在晶体炉的底部上，帕尔贴元件的制冷面贴在保温套装的底座顶部上，所述帕尔贴元件用于实现精确控制非线性晶体的温度，在晶体炉的端面设置有通向凹槽中心的小孔，在小孔内放置有热敏电阻，所述热敏电阻用于实时精确反馈所述非线性晶体的温度，所述热敏电阻、帕尔贴元件分别与温控仪的输入端和输出端相连接。

8、作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述平衡零拍探测系统包括有分别设置于第一偏振分束棱镜的出射光路上的第四半波片、第二偏振分束棱镜、以及设置在第二偏振分束棱镜两路出射光路上的第二探测器、第三探测器，光纤sagnac干涉仪输出光场经过第四半波片后通过第二偏振分束棱镜分成第三量子态光场和第四量子态光场，第三量子态光场通过第二探测器接收探测第三量子态光场信息，第四量子态光场通过第三探测器接收探测第四量子态光场信息。

9、一种采用上述方案中基于连续变量量子纠缠源的量子增强型光纤陀螺仪的方法，其包括有以下步骤：

10、s1，激光器发出光通信波段连续单频激光通过分束镜分成两束波长为1550 nm的连续单频激光；

11、s2，其中一束连续单频激光通过第一模清洁器进行过滤和降噪处理，获得波长为1550 nm的注入光；

12、s3，与此同时，另外一束连续单频激光通过倍频器后，获得频率二倍于激光且波长为775 nm的倍频光，倍频光通过第二模清洁器进行过滤和降噪处理，获得波长为775 nm的泵浦光；

13、s4，注入光通过45°高反平面镜反射至光隔离器上控制其单向传播，光隔离器输出后依次通过第一半波片、45°双色平面镜透射至非简并光学参量放大器上，同时波长为775nm的泵浦光通过第二半波片经所述45°双色平面镜反射至所述非简并光学参量放大器上；

14、s5，温度控制系统保证非线性晶体的温度稳定；

15、s6，腔长控制系统控制并锁定光学谐振腔的腔长；

16、s7，非简并光学参量放大器在非线性晶体温度和光学谐振腔腔长稳定的情况下，根据泵浦光与注入光通过光学参量过程产生并输出波长为1550 nm的量子纠缠态光场，进入光纤sagnac干涉仪；

17、s8，量子纠缠态光场通过第一偏振分束棱镜输出第一量子态光场和第二量子态光场，第一量子态光场通过第一光纤耦合器进入光纤环中顺时针传播，第二量子态光场通过第二光纤耦合器进入光纤环中逆时针传播；

18、s9，光纤调制器对光纤sagnac干涉仪进行相位调制并锁定偏置为π/2，同时利用电动旋转台控制光纤sagnac干涉仪的旋转角速度获得微小位相信号；

19、s10，携带微小位相信号的光场通过第一偏振分束棱镜输出进入平衡零拍探测系统进行探测，由此实现量子增强型光纤陀螺仪测量微小位相信号，提高光纤陀螺仪的精度。

20、作为上述技术方案的进一步解释及限定，在步骤s5中，温度控制系统的具体控制方法，其包括以下步骤：

21、s5.1，热敏电阻将非线性晶体的实时温度传输至温控仪中；

22、s5.2，温控仪根据实时温度与预设温度的差值自动调节输出电流；

23、s5.3，帕尔贴元件根据温控仪的输出电流加热晶体炉，从而精确控制非线性晶体的温度，以此提高其温度的稳定性而使非线性晶体的温度达到最佳温度匹配条件，避免因温度改变造成纠缠态光场的波长移动。

24、作为上述技术方案的进一步解释及限定，在步骤s6中，腔长控制系统控制并锁定腔长的具体方法，其包括以下步骤：

25、s6.1，注入光透射过第二平凹镜时，部分反射并作为携带光学谐振腔腔长信息的信号光，依次沿非线性晶体、第一平凹镜、45°双色平面镜反向传播；

26、s6.2，信号光经过光隔离器输出至第一探测器中转化成电信号；

27、s6.3，第一探测器将电信号输出至锁相放大器内部与本地调制信号在混频器内实现同频解调，解调后的信号送入低通滤波器获得误差信号；

28、s6.4，误差信号送入比例积分微分控制器进行比例积分微分控制，得到误差调节信号；

29、s6.5，高压放大器根据锁相放大器输出的调制信号和比例积分微分控制器输出的误差调节信号进行混合放大，得到锁腔信号。

30、与现有光纤陀螺仪中采用经典光或者离散变量纠缠光子对作为的光源进行测量相比，本发明具有以下优点：

31、1、本发明采用结构紧凑的非简并光学参量放大器将连续单频激光转化为连续变量量子纠缠态光场，连续变量量子纠缠态光场两束光之间存在正交分量间的量子关联，其起伏低于散粒噪声基准，连续变量量子纠缠态光场入射至光纤sagnac干涉仪中，其中光纤环放在电动转台上使之有了旋转角速度，干涉仪将旋转产生的微小位相信号加载在光场上，通过平衡零拍探测系统对携带微小位相信号的光场进行探测，从而实现量子增强型光纤陀螺仪对旋转角速度的量子精密测量。由此通过提高光纤sagnac干涉仪的测量灵敏度和信噪比从而提高光纤陀螺仪的测量精度。

32、2、本发明通过温度控制系统控制非线性晶体的温度，用来提高非线性晶体温度的稳定性进一步使非线性晶体的温度达到最佳温度匹配条件，避免因温度改变造成纠缠态光场的波长移动；同时利用腔长控制系统精准控制和锁定光学谐振腔的腔长，使得连续变量量子纠缠态光场具有确定性产生、探测效率高、输出平均场亮的特点，由此提高光纤sagnac干涉仪的信噪比和灵敏度，进一步提高光纤陀螺仪的测量精度。

33、3、本发明可以实现光纤陀螺仪光学敏感器—光纤sagnac干涉仪突破量子噪声极限的信噪比和灵敏度的提高，从而提升光纤陀螺仪的性能精度。

34、4、本发明在注入光路上设置光隔离器，用来控制注入光单向传播，便于将携带光学谐振腔腔长信息的信号光提取出来，经过第一探测器转化为电信号提供给腔长控制系统，进而精准控制和锁定光学谐振腔的腔长。

35、5、本发明可用于实现新一代量子增强型高精度光纤陀螺仪，不仅适用于国防领域装备高精度惯导系统，也适用于测量地球自转瞬时角速度、旋转地震波测量等领域。