一种测量光纤色散的系统及方法与流程

本发明属于光波导色散测量技术领域，更具体地，涉及一种测量光纤色散的系统及方法。

背景技术：

在高速光传输系统中，光纤色散是影响传输性能的重要参数之一。因为色散的存在，不同波长的光在光纤中的传输速率是不一样的。而在光纤中传输的光信号并是不单色波，因此脉冲将会被展宽，进一步导致相邻码型之间出现串扰，从而影响通信质量。因此在光传输系统中需要利用色散补偿器件对传输光纤的色散进行补偿，然后色散补偿的前提是需要对待补偿光纤以及色散补偿器件的色散系数进行测量。

目前色散测量的方法主要有时延法、相移法以及干涉法等。这几类方法各有缺点，时延法需要成本较高的脉冲激光器，且测量精度不高。相移法所需光源要求具有高调节精度，从而使整体装置成本很高。干涉法在两束光的相干过程中容易引入误差，造成测量值的偏差。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有色散测量方法需要使用脉冲激光器成本较高且测量精度不高的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种测量光纤色散的系统，包括：连续激光器、硅纳米线波导、带阻滤波器、波分复用器、双通道单光子探测器以及时间相关单光子计数器；所述连续激光器用于发射激光；所述硅纳米线波导用于在激光泵浦下产生自发四波混频非线性效应，进而产生宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对；所述带阻滤波器用于对所产生的宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对和残留的激光进行滤波，得到波长位于其带通区间的非简并的时间能量纠缠光子对，所述残留的激光为所述四波混频非线性效应未消耗的激光；所述波分复用器用于从通过色散补偿光纤后的非简并的时间能量纠缠光子对中选出至少一对具有时间能量纠缠特性的光子；所述双通道单光子探测器用于接入所述至少一对具有时间能量纠缠特性的光子，每对具有时间能量纠缠特性的光子达到所述双通道单光子探测器的时间差不同；所述时间相关单光子计数器用于记录每对具有时间能量纠缠特性的光子到达所述双通道单光子探测器的时间差，所述每对具有时间能量纠缠特性的光子到达所述双通道单光子探测器的时间差用于与每对具有时间能量纠缠特性的光子对应的波长共同确定所述色散补偿光纤在各波长点的色散系数，所述每对具有时间能量纠缠特性的光子对应的波长根据所述激光的波以及用于选择该对光子所用的波分复用器的通道长确定。

本发明通过利用成本较低的连续激光器作为激光光源，并利用激光光源引起的自发四波混频非线性效应产生宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对，取代现有脉冲激光器等成本昂贵的激光源，对激光光源的要求较低，操作方便。同时本发明通过多对具有时间能量纠缠特性的光子确定色散补偿光纤在各波长点的色散系数，可以保证测量精度。

可选地，测量光纤色散的系统还包括：掺饵光纤放大器和带通滤波器；所述掺饵光纤放大器用于对所述连续激光器发射激光的功率进行放大；所述带通滤波器用于过滤掉所述功率放大后的激光的边带噪声，并将过滤掉边带噪声的激光输出，所述用于产生宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对的激光为所述带通滤波器输出的激光。

可选地，测量光纤色散的系统还包括：偏振控制器；所述偏振控制器用于调节所述带通滤波器输出的激光的偏振态，以便获得所述激光与硅纳米线波导之间的最佳耦合效率。

可选地，所述带阻滤波器的带通区对应的波长区间不包括所述激光的波长。

可选地，所述色散补偿光纤在各波长点的色散系数d(λ)通过以下公式确定；

其中，λ为通过所述色散补偿光纤的激光波长，τg(λ)为由所述色散补偿光纤引起的时延，τg(λ)＝aλ²+bλ^-2+c，a和b根据每对具有时间能量纠缠特性的光子到达所述双通道单光子探测器的时间差和每对具有时间能量纠缠特性的光子对应的波长确定，具体通过以下公式确定：

δτg(λin,λsn)＝τg(λin)-τg(λsn)＝a(λin²-λsn²)+b(λin^-2-λsn^-2)＝tn-t0

其中，τg(λin)和τg(λsn)分别为n对闲频光子和信号光子由所述色散补偿光纤引起的时延，tn为第n对闲频光子和信号光子到达所述双通道单光子探测器的时间差，t0为所述双通道单光子探测器两通道之间的电延时，每对具有时间能量纠缠特性的光子包括闲频光子和信号光子，λin和λsn分别为第n对闲频光子和信号光子的波长，所述激光的波长为λp，所述第n对闲频光子和信号光子的波长通过以下公式确定：

第二方面，本发明实施例提供了一种测量光纤色散的方法，包括：通过连续激光器发射激光；利用激光引起的自发四波混频非线性效应产生宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对；通过带通滤波器对所述宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对和残留的激光进行滤波，得到波长位于带通区间的非简并的时间能量纠缠光子对；从通过色散补偿光纤后的波长位于带通区间的非简并的时间能量纠缠光子对中选出至少一对具有时间能量纠缠特性的光子；通过双通道单光子探测器接入所述至少一对具有时间能量纠缠特性的光子，每对具有时间能量纠缠特性的光子达到所述双通道单光子探测器的时间差不同；记录每对具有时间能量纠缠特性的光子到达所述双通道单光子探测器的时间差，所述每对具有时间能量纠缠特性的光子到达所述双通道单光子探测器的时间差用于与每对具有时间能量纠缠特性的光子对应的波长共同确定所述色散补偿光纤在各波长点的色散系数，所述每对具有时间能量纠缠特性的光子对应的波长根据所述激光的波长以及用于选择该对光子所用的波分复用器的通道确定。

可选地，测量光纤色散的方法还包括：对所述连续激光器发射激光的功率进行放大；过滤掉所述功率放大后的激光的边带噪声，并将过滤掉边带噪声的激光输出，所述用于产生宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对的激光为所述过滤掉边带噪声的激光。

可选地，测量光纤色散的方法还包括：调节所述带通滤波器输出的激光的偏振态，以便获得所述激光与硅纳米线波导之间的最佳耦合效率，所述硅纳米线波导用于在激光泵浦下产生自发四波混频非线性效应。

可选地，所述带通区对应的波长区间不包括所述激光的波长。

可选地，所述色散补偿光纤在各波长点的色散系数d(λ)通过以下公式确定；

其中，λ为通过所述色散补偿光纤的激光波长，τg(λ)为由所述色散补偿光纤引起的时延，τg(λ)＝aλ²+bλ^-2+c，a和b根据每对具有时间能量纠缠特性的光子到达所述双通道单光子探测器的时间差和每对具有时间能量纠缠特性的光子对应的波长确定，具体通过以下公式确定：

δτg(λin,λsn)＝τg(λin)-τg(λsn)＝a(λin²-λsn²)+b(λin^-2-λsn^-2)＝tn-t0

其中，τg(λin)和τg(λsn)分别为n对闲频光子和信号光子由所述色散补偿光纤引起的时延，tn为第n对闲频光子和信号光子到达所述双通道单光子探测器的时间差，t0为所述双通道单光子探测器两通道之间的电延时，每对具有时间能量纠缠特性的光子包括闲频光子和信号光子，λin和λsn分别为第n对闲频光子和信号光子的波长，所述激光的波长为λp，所述第n对闲频光子和信号光子的波长通过以下公式确定：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明通过利用成本较低的连续激光器作为激光光源，并利用激光光源引起的自发四波混频非线性效应产生宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对，取代现有脉冲激光器等成本昂贵的激光源，对激光光源的要求较低，操作方便。同时本发明通过多对具有时间能量纠缠特性的光子确定色散补偿光纤在各波长点的色散系数，可以保证测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种测量光纤色散的系统结构示意图；

图2为双通道单光子探测器两通道之间的电延时测量拟合图；

图3为双通道单光子探测器两通道之间的电延时测量以及多对时间能量纠缠光子对由色散补偿光纤引入的时延的测量拟合图；

图4为本发明实施例测量的色散补偿光纤的色散系数和波长关系图；

图5为本发明实施例提供的一种测量光纤色散的方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的一种测量光纤色散的系统的结构示意图。如图1所示，包括：连续激光器1、掺饵光纤放大器2、带通滤波器3、偏振控制器4、硅纳米线波导5、带阻滤波器6、色散补偿光纤7、波分复用器8、双通道单光子探测器9以及时间相关的单光子计数器10。

连续激光器1输出的激光经过掺饵光纤放大器2进行功率放大，然后进入带宽可调的带通滤波器3中，带通滤波器3用来抑制激光的边带噪声。经过放大并滤波后的激光与偏振控制器4相连，从偏振控制器4中出来的激光通过垂直耦合进入硅纳米线波导5中，偏振控制器4用来调节激光的偏振态，以便获得激光与硅纳米线波导5中激发出非简并的时间能量纠缠光子对最佳耦合效率。在简并的自发四波混频机制下，激光在硅纳米线波导5中激发出非简并的时间能量纠缠光子对。残留的激光和产生的时间能量纠缠的光子对通过垂直耦合从硅纳米线波导5中进入带宽固定的带阻滤波器6中，带阻滤波器6用来隔离残留的激光，而时间能量纠缠光子对则可以通过带阻滤波器6。从带阻滤波器6中出来的时间能量纠缠光子对进入色散补偿光纤7中，在色散补偿光纤色散作用下，不同波长的光子将获得不同的时延。从色散补偿光纤出来的光子对进入波分复用器8中，利用波分复用器8选择满足时间能量纠缠的至少一对光子，然后分别从波分复用器8对应的端口输出。从波分复用器8出来的时间能量纠缠光子对分别进入双通道单光子探测器9的两个通道，单光子探测器两个通道产生的电信号被时间相关的单光子计数器10所记录，从而可以得到每对时间能量纠缠的两个光子到达单光子探测器9的时间差，该时间差正是由散光光纤的色散所导致的。

需要说明的是，图1所示的p代表连续激光器1发射的激光，s代表信号光子signal，i代表闲频光子idler。

可选地，所述色散补偿光纤在各波长点的色散系数d(λ)通过以下公式确定；

其中，λ为通过所述色散补偿光纤的激光波长，τg(λ)为由所述色散补偿光纤引起的时延，τg(λ)＝aλ²+bλ^-2+c，a和b根据每对具有时间能量纠缠特性的光子到达所述双通道单光子探测器的时间差和每对具有时间能量纠缠特性的光子对应的波长确定，具体通过以下公式确定：

δτg(λin,λsn)＝τg(λin)-τg(λsn)＝a(λin²-λsn²)+b(λin^-2-λsn^-2)＝tn-t0

其中，τg(λin)和τg(λsn)分别为n对闲频光子和信号光子由所述色散补偿光纤引起的时延，tn为第n对闲频光子和信号光子到达所述双通道单光子探测器的时间差，t0为所述双通道单光子探测器两通道之间的电延时，每对具有时间能量纠缠特性的光子包括闲频光子和信号光子，λin和λsn分别为第n对闲频光子和信号光子的波长，所述激光的波长为λp，所述第n对闲频光子和信号光子的波长通过以下公式确定：

在一个具体的示例中，连续激光器1可以为一台波长可调的连续固体激光器，在本发明中，连续激光器1输出的激光中心波长为1550.116nm，线宽为300mhz，功率为0dbm。掺饵光纤放大器2工作在c波段，用于将连续激光器1输出的激光功率放大到25dbm。c波段为1530nm-1565nm。

带通滤波器3工作中心波长为1550.116nm，3db带宽0.1nm，隔离度50db，插入损耗5db。偏振控制器4用于手动调节激光的偏振态，以便获得最佳的垂直耦合效率，偏振控制器插入损耗为0.5db。硅纳米线5制作在绝缘体上硅(soi)上。波导横截面尺寸为：宽470nm、高220nm，波导长度6mm，波导入射端和出射端均为光子晶体垂直耦合光栅。

带阻滤波器6工作中心波长为1549.6nm，线宽5nm，插入损耗2db。色散补偿光纤7插入损耗1.7db。波分复用器8为阵列波导光栅类型，所覆盖波长工作范围为1528.516nm—1560.516nm。具有1个入射通道，40个出射通道，每个出射通道3db带宽为0.62nm，相邻通道中心波长间隔为0.8nm。双通道单光子探测器9为近红外单光子探测器，工作波长为900nm-1700nm，本发明中两个通道的参数设置完全一致：量子效率为25％，门宽为20ns，死亡时间为10μs，时钟频率2.5mhz。时间相关单光子计数器10和单光子探测器9组合用来完成对时间能量纠缠光子对的符合测量。

在该实施例中色散测量过程如下：

1、波长为λp＝1550.116nm的激光在硅纳米线波导5中激发出时间能量纠缠光子对的物理过程为：波长为λp的两个激光子湮灭，同时产生一个波长为λs的信号光子和一个波长为λi的闲频光子，且此物理过程满足能量守恒，即λs,λi和λp满足关系式(1)：

2、首先，从带阻滤波器6出来的时间能量纠缠的光子对不经过色散补偿光纤7，而是直接进入波分复用器8。利用波分复用器8出射端的两个通道选出λs＝1546.915nm和λi＝1553.324nm的满足能量守恒的时间能量纠缠光子对。将这对光子直接接入双通道单光子探测器8，符合计数如图2所示，经过高斯拟合得到两个光子到达探测器的时间差为t0＝15039.838ps。t0来源于双通道单光子探测器两通道之间的电延时。

3、然后，从带阻滤波器6中出来的双光子先进过色散补偿光纤7，然后进入波分复用器8中，利用波分复用器先筛选出第1对满足能量守恒时间能量纠缠光子对，然后对其进行符合探测并对符合计数进行高斯拟合，得到两个光子到达探测器的时间t1。同理，再利用波分复用器8选出第2，3，……，n(1≤n≤10)对满足能量守恒的时间能量纠缠光子分别进行符合测量(测量结果如图3所示)，得到第n对光子中两光子到达探测器的时间差tn(如表1所示)。

其中，第二行“nodcf”表示双光子均未经过色散光纤，因此对应t0＝15039.838ps，且t0来源于双通道单光子探测器两通道之间的电延时。

表1

4、由色散补偿光纤引起的第n对闲频光子λin和信号光子λsn之间的时延差为：

δτg(λin,λsn)＝τg(λin)-τg(λsn)＝tn-t0(2)

波长为λ的光子经过色散补偿光纤时，由色散补偿光纤引起的时延可由三阶sellmeier函数描述：

τg(λ)＝aλ²+bλ^-2+c(3)

所以公式(2)可以写为：

δτg(λin,λsn)＝a(λin²-λsn²)+b(λin^-2-λsn^-2)＝tn-t0(4)

利用已经测得的tn-t0及其与之对应的λsn,λin值，通过拟合得到公式(4)中的参数：

a＝-0.2675ps/nm²

b＝-9.1327×10¹¹ps.nm²

因此，色散补偿光纤的色散系数可表示为公式(5)：

将波长为λ的光子其带入公式(5)即可求出色散补偿光纤色散系数d(λ)，结果如图4所示。

相应地，图5为本发明实施例提供的一种测量光纤色散的方法流程示意图，如图所示，包括步骤s101至步骤s106。

s101，通过连续激光器发射激光。

s102，利用激光引起的自发四波混频非线性效应产生宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对。

s103，通过带通滤波器对所述宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对和残留的激光进行滤波，得到波长位于带通区间的非简并的时间能量纠缠光子对，所述残留的激光为所述四波混频非线性效应未消耗的激光。

s104，从通过色散补偿光纤后的波长位于带通区间的非简并的时间能量纠缠光子对中选出至少一对具有时间能量纠缠特性的光子。

s105，通过双通道单光子探测器接入所述至少一对具有时间能量纠缠特性的光子，每对具有时间能量纠缠特性的光子达到所述双通道单光子探测器的时间差不同。

s106，记录每对具有时间能量纠缠特性的光子到达所述双通道单光子探测器的时间差，所述每对具有时间能量纠缠特性的光子到达所述双通道单光子探测器的时间差用于与每对具有时间能量纠缠特性的光子对应的波长共同确定所述色散补偿光纤在各波长点的色散系数，所述每对具有时间能量纠缠特性的光子对应的波长根据所述激光的波长以及用于选择该对光子所用的波分复用器的通道确定。

可选地，测量光纤色散的方法还包括：对所述连续激光器发射激光的功率进行放大；过滤掉所述功率放大后的激光的边带噪声，并将过滤掉边带噪声的激光输出，所述用于产生宽谱的非简并的时间能量纠缠光子对的激光为所述过滤掉边带噪声的激光。

可选地，测量光纤色散的方法还包括：调节所述带通滤波器输出的激光的偏振态，以便获得所述激光与硅纳米线波导之间的最佳耦合效率，所述硅纳米线波导用于在激光泵浦下产生自发四波混频非线性效应。

可选地，所述带通区对应的波长区间不包括所述激光的波长。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。