一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数的方法与流程

本发明属于色散测量方法技术领域，具体涉及一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数的方法。

背景技术：

基于光纤的量子通讯是未来新一代的通讯技术。这种技术利用的核心资源是纠缠光源。当纠缠光源在光纤中传输时会受到光纤色散的影响，进而影响通讯质量。因此，光纤传输时需要利用色散补偿器件对纠缠光源在光纤中的色散进行补偿，而补偿的前提是需要对待补偿光纤和色散补偿器件的色散系数进行测量。

传统的色散测量方法主要有脉冲时延法、相移法、模场直径法及干涉法等。这些方法存在不足和缺陷：如，脉冲时延法易受环境的干扰，抗干扰能力较差；相移法易受大气扰动和环境震动的干扰；模场直径法需要复杂的时频分析算法来计算和分析测量结果；干涉法的横向分辨率较低等。而由于纠缠光子属于弱光(单光子水平)，这些传统方法不适用于基于光纤的量子通讯中光纤色散系数的测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数的方法，解决了现有技术中存在的传统方法不适用于基于光纤的量子通讯中光纤色散系数的测量问题。

本发明所采用的技术方案是，一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、搭建完整光路，产生能量-时间纠缠光子对，输出信号光s和闲置光i进入探测器；

步骤2、利用符合计数设备测算信号光s和闲置光i的联合探测概率，得到glauber二阶关联函数半高全宽δt，更换完整光路中的待测光纤，在不同长度的待测光纤条件下，测算更换后待测光纤对应的glauber二阶关联函数的半高全宽δt1,δt2,δt3lδtn，更换待测光纤重复测算的次数大于等于5次；

步骤3、用获得的数据在origin软件作图，计算得到待测光纤的色散系数d。

本发明的特点还在于：

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、完整光路由波长为λ0/2的连续激光器发射出激光，激光泵浦非线性晶体或波导，通过自发参量下转换过程产生中心波长为λ0的能量-时间纠缠光子对，即得到信号光s和闲置光i；用滤波片滤掉多余的泵浦光；

步骤1.2、让信号光s和闲置光i经过准直器，将产生的信号光s和闲置光i耦合进光纤，得到耦合光束；

步骤1.3、耦合光束经过分束器将耦合光束分为信号光s和闲置光i，使信号光s经过色散为k″s、长度为ls的待测光纤后进入探测器1，闲置光i直接进入探测器2；或闲置光i经过色散为k″i、长度为li的待测光纤后进入探测器1，信号光s直接进入探测器2。

步骤2中符合计数设备记录信号光s和闲置光i的联合探测概率正比于以下glauber二阶关联函数g⁽²⁾：

其中，代表公式(1)中高斯函数的标准差，γ＝0.04822，b为两光子对间的群速度倒数之差，l为非线性晶体的长度；t1，t2分别代表光子到达探测器1和探测器2的到达时间；

g⁽²⁾的半高全宽为一般情况下，由于σ表达式中第二项要远大于第一项，因此有

δt＝ξs,ils,i(2)

其中，

对于给定的非线性晶体，b、l均为常数。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、用获得的数据在origin软件作图，设置截距为零并进行线性拟合，得到直线的斜率ξs,i；

步骤3.2、将γ、b、l参数带入公式(3)，即可计算得到待测光纤的色散k″s,i；

步骤3.3、k″可表示为其中，d为待测光纤的色散系数，其单位为ps/nmkm，λ0为中心波长，c为真空中的光速，最终得到待测光纤的色散系数d为

步骤1.1中非线性晶体或波导包括：bbo、bibo、lbo、kdp、ktp、ppktp、ppln、slt、ppslt、ln。

步骤1.3中探测器1、2为半导体探测器或单光子探测器。

步骤2中符合计数设备包括：picoharp、ortec、hydraharp、tcspc。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种用于光纤量子通讯中光纤色散系数测量的一种方法，可适用于测量单模光纤、色散补偿光纤等各种光纤的色散系数。

2.本发明的测量精度高，测量误差小。

3.本发明所用泵浦光源为连续激光，较脉冲激光成本更低。

4.本发明可测量各种波长处的光纤色散系数。

附图说明

图1是本发明一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数方法的光路图；

图2是本发明一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数方法实施例1的实验结果图；

图3是本发明一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数方法实施例2的实验结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、搭建完整光路，如图1所示，产生能量-时间纠缠光子对，输出信号光s和闲置光i进入探测器；

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、完整光路由连续激光器发射出波长为780nm的连续激光泵浦l＝10mm长的ppktp晶体，激光泵浦非线性晶体，通过自发参量下转换过程产生第ii类频率简并、中心波长为1560nm的纠缠光子对，即得到信号光s和闲置光i；用滤波片滤掉多余的泵浦光；

步骤1.2、让信号光s和闲置光i经过准直器，将产生的信号光s和闲置光i耦合进光纤，得到耦合光束；

步骤1.3、耦合光束经过分束器将耦合光束分为信号光s和闲置光i，使信号光s经过色散为k″s、长度为ls的待测的单模光纤后进入探测器1，闲置光i直接进入探测器2。

ppktp晶体参数b＝2.96ps/cm，电极周期为46.146μm。

步骤2、利用符合计数设备测算信号光s和闲置光i的联合探测概率，得到glauber二阶关联函数半高全宽δt，更换完整光路中的待测的单模光纤，测量单模光纤长度分别为10km、20km、50km、60km、70km时g⁽²⁾的半高全宽δt随单模光纤长度的分布，记录glauber二阶关联函数的半高全宽δt1,δt2,δt3lδt5；

步骤2中符合计数设备记录信号光s和闲置光i的联合探测概率正比于以下glauber二阶关联函数g⁽²⁾：

其中，代表公式(1)中高斯函数的标准差，γ＝0.04822，b为两光子对间的群速度倒数之差，l为非线性晶体的长度。t1，t2分别代表光子到达探测器1和探测器2的到达时间；

g⁽²⁾的半高全宽为一般情况下，由于σ表达式中第二项要远大于第一项，因此有

δt＝ξsls(2)

其中，

步骤3、用获得的数据在origin软件作图，计算得到待测光纤的色散系数d；

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、用获得的数据在origin软件作图，设置截距为零并进行线性拟合，得到直线的斜率ξs；

步骤3.2、将γ、b、l参数带入公式(3)，即可计算得到待测光纤的色散k″s,i；

步骤3.3、k″可表示为其中，d为待测光纤的色散系数，其单位为ps/nmkm，λ0为中心波长，c为真空中的光速，最终得到待测光纤的色散系数d为

由图2可知测试结果：利用线性拟合得到的拟合度为99.96％，得到的直线的斜率为ξs＝(42.96±0.37)ps/km，将γ、b、l参数带入公式(3)，计算出单模光纤在1560nm处的色散为：

k″s＝-(2.372±0.021)×10^-26s²/m，色散系数为ds＝(18.4±0.16)ps/nmkm。

步骤1.3中探测器1、2为半导体探测器。

步骤2中符合计数设备采用picoharp。

实施例2

一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、搭建完整光路，如图1所示，产生能量-时间纠缠光子对，输出信号光s和闲置光i进入探测器；

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、完整光路由连续激光器发射出波长为780nm的连续激光泵浦l＝10mm长的ppktp晶体，激光泵浦非线性晶体，通过自发参量下转换过程产生第ii类频率简并、中心波长为1560nm的纠缠光子对，即得到信号光s和闲置光i；用滤波片滤掉多余的泵浦光；

步骤1.2、让信号光s和闲置光i经过准直器，将产生的信号光s和闲置光i耦合进光纤，得到耦合光束；

步骤1.3、耦合光束经过分束器将耦合光束分为信号光s和闲置光i，使闲置光i经过色散为k″i、长度为li的待测的色散补偿光纤后进入探测器1，信号光s直接进入探测器2。

ppktp晶体参数b＝2.96ps/cm，电极周期为46.146μm。

步骤2、利用符合计数设备测算信号光s和闲置光i的联合探测概率，得到glauber二阶关联函数半高全宽δt，更换完整光路中的待测的色散补偿光纤，测量色散补偿光纤分别为1.245km、2.49km、6.255km、7.49km、8.715km时g⁽²⁾的半高全宽δt随色散补偿光纤的分布，记录glauber二阶关联函数的半高全宽δt1,δt2,δt3lδt5；

步骤2中符合计数设备记录信号光s和闲置光i的联合探测概率正比于以下glauber二阶关联函数g⁽²⁾：

其中，代表公式(1)中高斯函数的标准差，γ＝0.04822，b为两光子对间的群速度倒数之差，l为非线性晶体的长度。t1，t2分别代表光子到达探测器1和探测器2的到达时间；

g⁽²⁾的半高全宽为一般情况下，由于σ表达式中第二项要远大于第一项，因此有

δt＝ξili(2)

其中，

步骤3、用获得的数据在origin软件作图，计算得到待测光纤的色散系数d；

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、用获得的数据在origin软件作图，设置截距为零并进行线性拟合，得到直线的斜率ξi；

步骤3.2、将γ、b、l参数带入公式(3)，即可计算得到待测光纤的色散k″i；

步骤3.3、k″可表示为其中，d为待测光纤的色散系数，其单位为ps/nmkm，λ0为中心波长，c为真空中的光速，最终得到待测光纤的色散系数d为

由图2可知测试结果：利用线性拟合得到的拟合度为99.97％，得到的直线的斜率为ξi＝(359.63±2.71)ps/km，将γ、b、l参数带入公式(3)，计算出色散补偿光纤在1560nm处的色散为：

k″i＝(1.985±0.015)×10^-25s²/m，色散系数为di＝-(154.0±1.16)ps/nmkm。

步骤1.3中探测器1、2为单光子探测器。

步骤2中符合计数设备采用ortec。

实施例3

一种利用纠缠光子对测量光纤色散系数的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、搭建完整光路，如图1所示，产生能量-时间纠缠光子对，输出信号光s和闲置光i进入探测器；

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、完整光路由连续激光器发射出波长为458nm的连续激光泵浦l＝1mm长的bbo晶体，激光泵浦非线性晶体，通过自发参量下转换过程产生第ii类频率简并、中心波长为916nm的纠缠光子对，即得到信号光s和闲置光i；用滤波片滤掉多余的泵浦光；

步骤1.2、让信号光s和闲置光i经过准直器，将产生的信号光s和闲置光i耦合进光纤，得到耦合光束；

步骤1.3、耦合光束经过分束器将耦合光束分为信号光s和闲置光i，使闲置光i经过色散为k″i、长度为li的待测的色散补偿光纤后进入探测器1，信号光s直接进入探测器2。

bbo晶体参数b＝1.5ps/cm。

步骤2、利用符合计数设备测算信号光s和闲置光i的联合探测概率，得到glauber二阶关联函数半高全宽δt，更换完整光路中的待测的色散补偿光纤，测量色散补偿光纤分别为1km、2km、3km、4km、5km时g⁽²⁾的半高全宽δt随色散补偿光纤的分布，记录glauber二阶关联函数的半高全宽δt1,δt2,δt3lδt5；

步骤2中符合计数设备记录信号光s和闲置光i的联合探测概率正比于以下glauber二阶关联函数g⁽²⁾：

其中，代表公式(1)中高斯函数的标准差，γ＝0.04822，b为两光子对间的群速度倒数之差，l为非线性晶体的长度。t1，t2分别代表光子到达探测器1和探测器2的到达时间；

g⁽²⁾的半高全宽为一般情况下，由于σ表达式中第二项要远大于第一项，因此有

δt＝ξili(2)

其中，

对于给定的非线性晶体，b、l均为常数。

步骤3、用获得的数据在origin软件作图，计算得到待测光纤的色散系数d；

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、用获得的数据在origin软件作图，设置截距为零并进行线性拟合，得到直线的斜率ξi；

步骤3.2、将γ、b、l参数带入公式(3)，即可计算得到待测光纤的色散k″i；

步骤3.3、k″可表示为其中，d为待测光纤的色散系数，其单位为ps/nmkm，λ0为中心波长，c为真空中的光速，最终得到待测光纤的色散系数d为

步骤1.3中探测器1、2为单光子探测器。

步骤2中符合计数设备采用hydraharp。