Page 39 - 网络电信2018年12月刊下

(beam splitter,BS)BS1分为功率相等的两束光,即MZI的两臂,
光束经过两臂后的相位差为φ.在其中一臂引入待测的微小物理
量,待测物理量的变化会引起φ变化.MZI的两臂光束在BS2上干
涉后输出光束c和d,分别由两个光电探测器进行探测.
由两个光电探测器输出的光电流信号相减后可以表示为
图1 量子增强型MZI的理论模型
其中, 分别为MZI输入光束a,b和输出光束c,d的
湮灭算符;θ为输入光束a和b之间的相对相位.
将 算符进行线性化处理:
其中α表示相干态光场的平均场, 和 分别表示两个光
场的量子起伏.代入(1)式,可以得到
其中 表示相干态光场a的正交振幅分量起伏,
表示真空压缩态光场b的正交相位分量起
伏.假设φ′是待测量的微小相位变化量,当且仅当φ=(2n+1)
π/2+φ′且φ′≤1时,(2)式可简化为
测量的SNR定义为待测量信号和噪声的比值,可表示为
-r
2
其中N=α 为相干态光场的平均光子数, =e 为真空压缩
态光场的正交相位起伏,r为压缩因子.当注入场为真空时,r=0;
当注入场为真空压缩态光场时,随着压缩度的增加r增大,测量的
SNR也随之增大.因此将真空压缩态光场注入MZI的真空通道,可
以实现量子增强型MZI,得到更高的测量SNR。
二、实验装置
低频光通信波段真空压缩态光场的制备及利用量子增强型
FMZI测量低频相位调制信号的实验装置如图2所示.
为了进行突破SQL的相位测量,首先需要制备出光通信波段
1550nm真空压缩态光场.图2左半部分为实验产生真空压缩态光
场的装置.激光光源为连续单频光纤激光器(NPPhotonicInc.),
最大输出功率为2.2W,中心波长为1550nm.实验中利用模式清
图2 低频光通信波段压缩态光场的制备及利用量子增强型FMZI测量低
频相位调制信号的实验装置
[16]
（1）
洁器(mode cleaners,MC)降低光纤激光器输出激光的额外噪
声.1550nm激光通过MC1后分成两部分:一部分注入由周期极化铌
酸锂晶体构成的倍频器,倍频产生775nm连续单频激光;另一部分
经过MC2再次过滤后,作为注入FMZI的相干态光场.775nm激光经
过MC3进一步过滤其额外噪声后,作为DOPO的抽运光场.DOPO为由
周期极化磷酸氧钛钾(periodically poled KTiOPO4,PPKTP)晶
体和凹面镜组成的半整块结构光学谐振腔.PPKTP晶体的一个端
面为曲率半径为12mm的凸面,作为DOPO腔的腔镜,镀抽运光和下
转换光高反膜(R1550nm&775nm>99.9%);晶体的另一端面镀抽运
光和下转换光减反膜(R1550nm&775nm<0.01%).PPKTP晶体的尺寸
为1mm×2mm×10mm.凹面镜的曲率半径为25mm,镀抽运光和下转
, 换光部分反射膜(T1550nm=13%,R775nm<20%).凹面镜固定在压电
陶瓷(piezo electric ceramic transducer,PZT)上,通过驱动
PZT实现对DOPO腔长的控制.当DOPO运转于阈值以上时,由DOPO产
生的频率和偏振均简并的信号光和闲置光在腔中同时共振、抽
（2） 运光在腔内双次穿过,DOPO处于双共振状态.当DOPO运转于阈值
以下时,DOPO输出的下转换场为真空压缩态光场.实验中采用相
干控制的技术控制真空压缩态的压缩角,使DOPO输出的是正交相
位真空压缩态 [17] .将该压缩态光场注入FMZI的真空通道,可实现
量子增强型FMZI,进行突破SQL的相位测量.
图2右半部分为利用量子增强型FMZI测量低频相位调制
（3） 信号的实验装置.FMZI由1个50/50的2×2单模保偏的光纤分束
器(BS1)、两根长度为10m的分别缠绕在PZT2和PZT3上的单模
光纤和1个50/50的2×2单模保偏的光纤分束器(BS2)构成.PZT
（4） 的尺寸为40mm×30mm×35mm(外径×内径×高),可加载的最
大频率为550kHz.利用光纤偏振控制器(fiber polarization
controller,FPC)通过挤压FMZI的两臂单模光纤实现对光场偏振
的控制.经过MC2过滤强度噪声的1550nm相干态光场,作为相位
调制信号的测量光场经过光纤耦合器(fibercoupler,FC)耦合进
入BS1的输入端口A,分成功率相等的两束光.真空压缩态光场经
过FC耦合进入BS1的输入端口B.PZT1用来控制两输入光束的初
始相位.经过FMZI两臂传输后的相干态测量光场和真空压缩态光
场耦合进BS2后由输出端口C和D输出,输出光场分别由两个光电
探测器(PD1和PD2)进行探测.PD1和PD2输出的光电流相减后的
交流信号由频谱分析仪(spectrum analyzer,SA)记录,分析测
量其噪声功率特性.PD1和PD2输出的光电流相减后的直流部分
作为误差信号,经过比例积分微分(proportional integrator
differentiator,PID)控制器和高压放大器(high voltage,HV)
网络电信 二零一八年十二月 71