Page 38 - 网络电信2018年12月刊下

解 决 方 案

基于量子增强型光纤马赫-曾德干涉仪的低频

信号测量

1
1,2
1,2
成健 ,冯晋霞 ,李渊骥 ,张宽收 1
1,山西大学光电研究所,量子光学与光量子器件国家重点实验室,
2,山西大学,极端光学协同创新中心,
摘要：利用低频光通信波段真空压
缩态光场可实现基于光纤的量子精密测
量.本文利用简并光学参量振荡器实验
制备出1550nm低频真空压缩态光场.在
分析频段10-500kHz范围内压缩态光场
的压缩度均达3dB.用实验制备的1550nm
真空压缩态光场填补光纤马赫-曾德尔
干涉仪的真空通道,实现了量子增强型
光纤马赫-曾德尔干涉仪,完成了突破标
准量子极限的相位调制频率为500kHz的
低频信号测量.与光纤马赫-曾德尔干涉
仪相比,测量信噪比提高了2dB.
关键词：量子精密测量,低频真空压
缩态光场,光纤马赫-曾德尔干涉仪,光
通信波段

引言 由于光纤干涉仪具有结构灵巧、抗干扰能力强、可高
在光学测量中,由于受到电磁场真空起伏引起的量子噪声 度集成等优点 [9-11] ,基于光纤干涉仪的突破SQL的量子精密测
的影响,待测量的测量精度存在一个标准量子极限(standard 量也引起人们的广泛关注 [12,13] .2010年Mehmet等 [12] 把光通信
quantum limit,SQL),即利用经典光源进行测量所能达到的最 波段的压缩态光场注入光纤萨尼亚克干涉仪,在6MHz频率处
大测量精度.理论和实验研究表明,利用正交分量噪声起伏低于 将相位测量的SNR提高了4.5dB.2017年,Liu等 [13] 把1080nm压
散粒噪声基准(shot noise level,SNL)的压缩态光场可实现 缩态光场注入光纤马赫-曾德尔干涉仪(fiber Mach-Zehnder
[1]
突破SQL的量子精密测量 [1-5] .1981年,Caves 在理论上提出将 interferometer,FMZI),通过将高频段压缩态光场调制搬移至低
压缩态光场注入激光干涉仪的真空通道可以实现突破SQL的相 频段,在30kHz频率处将相位测量的SNR提高了2dB.波长位于光通
[2]
位测量.1987年,Xiao等 在实验上把压缩态光场注入激光干涉 信波段的1550nm压缩态光场在光纤中传输损耗最低,且与现有的
仪用于相位测量,将测量的信噪比(signal noise ratio,SNR) 光纤通信系统高度兼容,所以是基于光纤实际应用的重要量子资
[3]
提高了3dB.随后利用压缩态光场也实现了对光的偏振 、磁场 源.Schonbeck等 [14] 和孙志妮等 [15] 分别在实验上制备出1550nm压
[4] [5]
、空间位移等 物理量的量子精密测量.在上述研究工作中, 缩态光场,但压缩态光场的分析频率都在MHz频率段.在实验上制
所用的压缩态光场的分析频率都在MHz.但在位移测量、压力 备出低频光通信波段压缩态光场,并将其注入光纤干涉仪的真空
传感以及引力波探测等精密测量中,压缩态光场的分析频率需 通道,可进行实用化的量子增强型精密测量.
要位于kHz、甚至Hz量级.近年来随着低频段压缩态光场产生技 本文首先利用简并的光学参量振荡器(degenerate optical
术的发展,低频段的量子增强型精密测量也有所突破 [6-8] .2011 parametric oscillator,DOPO)实验制备低频光通信波段真空压
年,LIGO引力波探测研究团队把压缩态光场注入基于迈克耳孙干 缩态光场.然后将制备压缩态光场注入到FMZI的真空通道,进行
涉仪的引力波探测器(GEO600),在kHz频率处将测量的SNR提高了 突破SQL的低频相位调制信号测量的实验研究.
[6]
3.5dB .2013年,上述研究团队又把压缩态光场注入LIGO引力波
[7]
探测器,在150—300Hz频率段将探测的SNR提高了2.15dB .2017 一、利用量子增强型MZI进行相位测量的理
[8]
年,闫子华等 把压缩态光场注入自由空间的马赫-曾德尔干涉
论模型
仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI),在19kHz频率处将相位 量子增强型MZI理论模型如图1所示.输入光场a为相干态
测量的SNR提高了3dB. 光场,输入光场b为真空压缩态光场.光场a,b经过50/50分束器
70 网络电信 二零一八年十二月