一种基于纠缠光源的相位测量装置的制作方法

本申请属于量子光学，具体而言，涉及一种基于纠缠光源的相位测量装置。

背景技术：

1、相位是信息通信中一个重要的信息维度，高效率、高容量的通信网络需要包括相位在内的多个维度的信息。然而使用相位携带信息或者对于相位进行调控的前提都是精确地测量到相位。精密的相位测量在科学研究、工业生产、航空的多个领域都有着广泛的应用。相位测量技术已经从最初的电学测量发展到现在的光学测量。

2、光学法测量相位主要是采用各种干涉系统进行相位测量，利用光波的相干特性测量光束在光路中的相位变化，从而实现对物体形状、运动速度、加速度以及运动轨迹等物理参数的测量，被广泛运用于航空、国防、工业、民用等多个领域。光学的干涉测量一般使用干涉仪实现，具有结构简单、精度高、抗电磁干扰能力强等特点。目前光学干涉测量仍然存在两方面的问题：

3、1.光学测量主要基于自由空间体系，而未来信息化快速发展要求小型化实用化的光学系统；

4、2.经典相干激光mzi测量相位系统，通过干涉条纹移动量法和频域变换法提取干涉条纹中的相位信息，但是其相位测量精度被限制在散粒噪声极限。此外，经典mzi测量相位信号时,注入光的初始相对相位和两臂的损耗等因素干扰测量精度，从而产生测量误差。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本申请提供一种基于纠缠光源的相位测量装置，通过纠缠光源系统产生纠缠光子对，利用量子效应降低了系统噪声且采用mz干涉测量系统对待测器件的相位进行精密测量，首先调控干涉上臂和干涉下臂的相位差使其为零然后再对待测器件进行相位测量，提高了测量精度和稳定性，使相位测量精度突破散粒噪声极限。具体方案如下：

2、本申请公开了一种基于纠缠光源的相位测量装置，包括依次连接的纠缠光源系统、mz干涉测量系统和数据采集处理系统；

3、所述纠缠光源系统用于产生纠缠光子对并传输至mz干涉测量系统；

4、所述mz干涉测量系统包括第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂和第二50:50分束器，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端口和第二50:50分束器的输入上端口，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端口和第二50:50分束器的输入下端口，干涉下臂上设置相位调制器，干涉上臂上设置1×2光开关、待测器件和传输光纤，1×2光开关的输入端与干涉上臂的一端口连接，1×2光开关的的一个输出端与待测器件的输入端连接、另一个输出端与传输光纤的输入端连接，待测器件的输出端和传输光纤的输出端均与干涉上臂的另一端口连接，1×2光开关用于切换干涉上臂的传输光路；

5、所述数据采集处理系统包括第一单光子探测器、第二单光子探测器、符合计数器、反馈模块和上位机；第一单光子探测器与第二50:50分束器的输出上端连接，用于对第二分束器输出上端输出的光子进行探测和计数；第二单光子探测器与第二50:50分束器的输出下端连接，用于对第二分束器输出下端输出的光子进行探测和计数；第一单光子探测器和第二单光子探测器均与反馈模块连接，反馈模块用于对第一单光子探测器和第二单光子探测器输出的计数信号进行处理并反馈给上位机；第一50:50分束器和第二50:50分束器均与符合计数器连接，符合计数器用于对第一单光子探测器和第二单光子探测器同时探测到光子的次数进行计数；上位机与1×2光开关、相位调制器、符合计数器以及反馈模块均连接，用于控制1×2光开关对传输光路的切换并基于反馈模块输出的信号控制相位调制器对输入光子进行相位周期扫描以及基于符合计数器反馈的符合计数计算获取待测器件的相位信息。

6、进一步地，所述纠缠光源系统包括激光器、光环形器、第一偏振分束器、萨格纳克环、双光子产生结构、滤波器和第二偏振分束器；激光器用于产生线偏振光；光环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与激光器连接，第二端口与第一偏振分束器连接，第三端口与滤波器连接，环形器用于将其第一端口输入的线偏振光经由其第二端口输入至第一偏振分束器以及将其第二端口输入的纠缠光子对经由其第三端口输入至滤波器；第一偏振分束器用于将输入的线偏振光分为正交的水平偏振光和垂直偏振光；萨格纳克环的两端口分别连接第一偏振分束器的两端口且双光子产生结构设置在萨格纳克环上，水平偏振光和垂直偏振光分别沿着萨格纳克环相向传输，双光子产生结构用于同时接收相向传输的水平偏振光和垂直偏振光并发生四波混频过程产生纠缠光子对；纠缠光子对经由第一偏振分束器和光环形器的第二端口从光环形器的第三端口输入至滤波器；滤波器与第二偏振分束器连接，用于滤除纠缠光子对中的线偏振光；第二偏振分束器用于将纠缠光子对中的信号光子和闲频光子分离并分别通过其两个输出端口传输至mz干涉测量系统。

7、进一步地，所述反馈模块由第一数模转换器、第二数模转换器和比较器组成，第一数模转换器的输入端与第一单光子探测器连接，第二数模转换器的输入端与第二单光子探测器连接，第一数模转换器的输出端和第二数模转换器的输出端均与比较器连接，第一数模转换器用于将第一单光子探测器输出的计数数字信号转换为第一模拟电压信号，第二数模转换器用于将第二单光子探测器输出的计数数字信号转换为第二模拟电压信号，比较器用于比较第一模拟电压信号和第二模拟电压信号并将比较结果反馈给上位机。

8、优选地，所述相位调制器为热调相位调制器或电光相位调制器。

9、优选地，所述双光子产生结构为硅纳米线波导、铌酸锂晶体或周期性极化磷酸氧钛钾晶体中的一种。

10、进一步地，所述纠缠光源系统还包括衰减器，衰减器的两端分别连接激光器和环形器的第一端口，用于对激光器输出的线偏振光进行衰减。

11、优选地，所述滤波器为光纤滤波器。

12、总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

13、本申请提供了一种基于纠缠光源的相位测量装置，通过纠缠光源系统产生纠缠光子对，采用mz干涉测量系统对待测器件的相位进行精密测量，首先调控干涉上臂和干涉下臂的相位差使其为零，完成对输入光子的初始相对相位和两臂损耗等干扰因素的补偿，然后再对待测器件进行相位测量，减小测量误差，提高了测量精度和稳定性。此外，相对于经典相干激光mzi测量相位系统，本申请的相位测量精度可突破散粒噪声极限，且在同一测量精度要求下，本申请系统所需要的测量次数更少，提高了测量效率。

技术特征：

1.一种基于纠缠光源的相位测量装置，其特征在于，包括依次连接的纠缠光源系统、mz干涉测量系统和数据采集处理系统；

2.根据权利要求1所述的一种基于纠缠光源的相位测量装置，其特征在于，所述纠缠光源系统包括激光器、光环形器、第一偏振分束器、萨格纳克环、双光子产生结构、滤波器和第二偏振分束器；激光器用于产生线偏振光；光环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与激光器连接，第二端口与第一偏振分束器连接，第三端口与滤波器连接，环形器用于将其第一端口输入的线偏振光经由其第二端口输入至第一偏振分束器以及将其第二端口输入的纠缠光子对经由其第三端口输入至滤波器；第一偏振分束器用于将输入的线偏振光分为正交的水平偏振光和垂直偏振光；萨格纳克环的两端口分别连接第一偏振分束器的两端口且双光子产生结构设置在萨格纳克环上，水平偏振光和垂直偏振光分别沿着萨格纳克环相向传输，双光子产生结构用于同时接收相向传输的水平偏振光和垂直偏振光并发生四波混频过程产生纠缠光子对；纠缠光子对经由第一偏振分束器和光环形器的第二端口从光环形器的第三端口输入至滤波器；滤波器与第二偏振分束器连接，用于滤除纠缠光子对中的线偏振光；第二偏振分束器用于将纠缠光子对中的信号光子和闲频光子分离并分别通过其两个输出端口传输至mz干涉测量系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于纠缠光源的相位测量装置，其特征在于，所述反馈模块由第一数模转换器、第二数模转换器和比较器组成，第一数模转换器的输入端与第一单光子探测器连接，第二数模转换器的输入端与第二单光子探测器连接，第一数模转换器的输出端和第二数模转换器的输出端均与比较器连接，第一数模转换器用于将第一单光子探测器输出的计数数字信号转换为第一模拟电压信号，第二数模转换器用于将第二单光子探测器输出的计数数字信号转换为第二模拟电压信号，比较器用于比较第一模拟电压信号和第二模拟电压信号并将比较结果反馈给上位机。

4.根据权利要求1所述的一种基于纠缠光源的相位测量装置，其特征在于，所述相位调制器为热调相位调制器或电光相位调制器。

5.根据权利要求2所述的一种基于纠缠光源的相位测量装置，其特征在于，所述双光子产生结构为硅纳米线波导、铌酸锂晶体或周期性极化磷酸氧钛钾晶体中的一种。

6.根据权利要求2所述的一种基于纠缠光源的相位测量装置，其特征在于，所述纠缠光源系统还包括衰减器，衰减器的两端分别连接激光器和环形器的第一端口，用于对激光器输出的线偏振光进行衰减。

7.根据权利要求2所述的一种基于纠缠光源的相位测量装置，其特征在于，所述滤波器为光纤滤波器。

技术总结
本申请公开了一种基于纠缠光源的相位测量装置，包括依次连接的纠缠光源系统、MZ干涉测量系统和数据采集处理系统。通过纠缠光源系统产生纠缠光子对，采用MZ干涉测量系统和数据采集处理系统对待测器件的相位进行精密测量。首先调控MZ干涉测量系统中干涉上臂和干涉下臂的相位差使其为零，完成对输入光子的初始相对相位和两臂损耗等干扰因素的补偿，然后再对待测器件进行相位测量，减小测量误差，提高了测量精度和稳定性。此外，相对于经典相干激光MZI测量相位系统，本申请的相位测量精度可突破散粒噪声极限，且在同一测量精度要求下，本申请系统所需要的测量次数更少，提高了测量效率。

技术研发人员：赵远洋,安雪碧
受保护的技术使用者：合肥硅臻芯片技术有限公司
技术研发日：20230809
技术公布日：2024/3/21