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全光纖脈沖平衡零拍探測裝置的制作方法

文檔序號:6013414閱讀:407來源:國知局
專利名稱:全光纖脈沖平衡零拍探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng),具體是一種用于對弱相干態(tài)光場的正交分量進(jìn)行精密測量的全光纖脈沖平衡零拍探測裝置。
背景技術(shù)
脈沖平衡零拍探測裝置可以對光場的正交分量進(jìn)行時域的精密測量,廣泛應(yīng)用于量子光學(xué),量子信息等領(lǐng)域。同頻率域的平衡零拍探測器相比,它具有較高的技術(shù)要求,需要具有較大的帶寬(至少能夠區(qū)分出每個入射光脈沖信號),同時要求具有高的共模抑制比,平坦的增益曲線及極低的電子學(xué)噪聲(特別是在低頻段)。對于全光纖連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng),脈沖平衡零拍探測裝置是其中的關(guān)鍵器件之一??紤]到系統(tǒng)的實用化,要求其光路部分全光纖化;同時探測器要具有較大的增益帶寬和低的電子學(xué)噪聲,以實現(xiàn)高的安全密鑰速率。文獻(xiàn)“Ultrasensitive pulsed, balanced homodyne detector !application to time-domain quantum measurements, Opt. Lett. 26,1714(2001) " 艮道了 ——禾中基于低噪聲電荷靈敏前置放大器的脈沖平衡零拍探測裝置,但是該探測器輸出信號的脈寬全寬約為1 μ s,限制其帶寬上限為IMHz ;信噪比為14dB。文獻(xiàn)“Pulsed homodyne measurements of femtosecond squeezed pulses generated by single-pass parametric deamplification, Opt. Lett. 29,11(2004),,報道的探測裝置帶寬為 790kHz,信噪比為 lldB。從以上文獻(xiàn)可以看出時域平衡零拍測量前置光場部分主要為自由空間的常用光學(xué)器件,由于該探測器要求精度高,穩(wěn)定性好,由自由空間搭建的光路比較困難,而且穩(wěn)定性不好,不利于該器件實用化。在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中,測量部分主要使用該類探測器,利用現(xiàn)有的光纖器件完成測量裝置的搭建很不方便而且難度較大,不利于該系統(tǒng)的實用化?,F(xiàn)在商用的保偏光纖耦合器尾纖(臂)長度誤差大(約幾厘米),而且將衰減器, 延遲器等裝置引入后,長度誤差會進(jìn)一步加大,要保證探測器的性能還需要保偏光纖融接機(jī)等設(shè)備,難度較大?,F(xiàn)有的無論何種類型的衰減器和延遲器是一個獨立的元件,當(dāng)其加入光路系統(tǒng)后還會引入插入損耗,且導(dǎo)致偏振光的偏振度下降,加大了耦合器兩輸出臂的功率和長度誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利的目的在于提供一種全光纖化、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出脈寬窄、電子學(xué)噪聲低、量子效率高、并可以長時間可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的基于低噪聲電荷靈敏前置放大器的全光纖脈沖平衡零拍探測裝置。其可用于對弱相干態(tài)光場的正交分量進(jìn)行精密測量。本發(fā)明專利提供的一種全光纖脈沖平衡零拍探測裝置,其特征在于包括50/50保偏光纖耦合器(1)、衰減器( 、傳感器( 、電荷放大器(4)和整形放大器(5);所述的光纖耦合器(1)兩輸入臂的端口選用整塊結(jié)構(gòu)的光纖連接器,光纖耦合器(1)兩輸出臂光纖長度相等,兩輸出臂中輸出效率高的一臂與傳感器(3)中量子效率低的光電二級管相連;輸出臂中輸出效率低的一臂與傳感器(3)中量子效率高的光電二級管相連;分別計算每一臂的總效率,將總效率高的一臂的光纖繞在衰減器( 中的彈性圓筒(7)上,彈性圓筒(7)位于固定裝置(9)和滑動裝置(10)之間,上下調(diào)整滑動裝置(10)可使彈性圓筒(7)的曲率半徑發(fā)生變化,進(jìn)而使繞于其上的光纖曲率半徑變化,實現(xiàn)光的衰減,固定桿8可防止曲率半徑過小造成光纖損傷;所述的傳感器C3)通過耦合電容(11)與電荷放大器(4)相連,電荷放大器(4)通過高通濾波器(1 和整形放大器( 連接;傳感器( 、電荷放大器(4)和整形放大器(5)置于金屬屏蔽罩(6)中。所述的固定裝置(9)和滑動裝置(10)選用熱脹系數(shù)小的材料制作。所述的傳感器(3)由兩個光電二級管串聯(lián)構(gòu)成,其量子效率接近,以不超過百分之一為宜;其由電池供電,偏置電壓可調(diào),光電二極管的結(jié)電容約為幾nf,遠(yuǎn)小于與電荷放大器的耦合電容。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點和效果本發(fā)明通過自制的衰減裝置巧妙地與耦合器的尾纖相接合,避免了插入損耗,偏振度下降,額外的光纖長度以及由此引入的誤差等不利因素,還可實現(xiàn)光強(qiáng)的連續(xù)精確衰減,穩(wěn)定性較好。采用定制的輸出臂相等的保偏光纖耦合器,光電二極管兩端采用電池進(jìn)行供電, 有效地降低電子學(xué)噪聲,偏置電壓精確可調(diào),通過調(diào)節(jié)兩端的偏置電壓,可以調(diào)節(jié)光電二極管的響應(yīng)時間,等效于調(diào)節(jié)光纖的輸出臂長,無需光纖延遲器或采用高精度的保偏光纖融接機(jī)等??捎行岣咛綔y器的量子效率和降低探測器的電子噪聲,經(jīng)測試探測器量子效率可達(dá)到0. 73,散粒噪聲比電子噪聲高出15dB以上。探測器的速率也是探測器的至關(guān)重要的性能,我們通過在電荷放大器與整形放大器之間引入了一個高通濾波器,有效地將探測器的速率提高到了 5MHz。


圖1全光纖脈沖平衡零拍探測裝置的示意2探測裝置中衰減器2的示意3真空場散粒噪聲的軌跡4散粒噪聲和電子噪聲的功率譜圖5探測裝置的線性響應(yīng)測試結(jié)果
具體實施例方式圖1所示的是一種全光纖脈沖平衡零拍探測裝置,包括50/50保偏光纖耦合器1、 衰減器2、傳感器3、電荷放大器4和整形放大器5 ;所述的50/50保偏光纖耦合器是基于熔接方式制作的單模保偏耦合器,適用于1. 5 μ m/1. 3 μ m及其它波段的光場。耦合器1兩輸出臂長度誤差小于兩毫米,輸出功率誤差小于士0. 5% ;耦合器1的所有尾纖均為單模保偏光纖,光纖連接口為FC/APC ;兩輸入臂的端口選用整塊結(jié)構(gòu)的光纖連接器(Thorlabs公司的ADAFC2-PMN),該連接器精度高,無插入損耗,穩(wěn)定性好。將光纖耦合器1兩輸出臂中輸出效率高的一臂與傳感器3中量子效率低的光電二級管相連;輸出臂中輸出效率低的一臂與傳感器3中量子效率高的光電二級管相連;分別計算每一臂的總效率,將總效率高的一臂的光纖繞在衰減器2中的彈性圓筒7上;該彈性圓筒7由彈性較好的材料卷制而成。彈性圓筒7位于固定裝置9和滑動裝置10之間,上下調(diào)整滑動裝置10可使彈性圓筒7的曲率半徑發(fā)生變化,進(jìn)而使繞于其上的光纖曲率半徑變化,實現(xiàn)光的衰減,固定桿8可防止曲率半徑過小造成光纖損傷;基于光纖彎曲衰減原理的衰減器,無插入損耗,衰減精度高,可連續(xù)調(diào)節(jié),穩(wěn)定性好,通過調(diào)節(jié)衰減器可使兩輸出臂的總效率相等。傳感器3采用兩個量子效率接近的高速銦砷化鎵光電二極管,在1550nm波段探測器量子效率可達(dá)80%,響應(yīng)時間快,光信號輸入端為FC/APC耦合方式。傳感器3中光電二極管的偏置電壓由電池供電,并且偏置電壓精確可調(diào)。通過調(diào)整光電二極管的偏置電壓可以改變光電二極管的響應(yīng)時間,進(jìn)而用來補(bǔ)償耦合器兩輸出臂長度的誤差。前置電荷放大器要求為低噪聲電荷放大器。為了降低放大器的噪聲,采用了外接 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的方法。我們在低噪聲放大器后接了一個充放電時間為三十納秒的高通濾波器,可以使電荷放大器輸出脈寬約為三十納秒的脈沖,可有效的提高探測器的探測速率。整形電路的核心器件為高速低噪聲運(yùn)算放大器,其外圍電路采用性能優(yōu)良的電子元器件,結(jié)合有源RLC濾波原理,可將高通濾濾器輸出的脈寬幾十納秒信號整形為脈寬全寬為二百納秒的標(biāo)準(zhǔn)的高斯形脈沖。同時為了使電路板封裝緊湊,小型化,相關(guān)元器件主要采用貼片封裝。為了提高本裝置的緊湊性,我們將傳感器光電二極管,電荷放大器和整形放大器組裝在一個PCB電路板內(nèi),并用金屬屏蔽罩將其封閉,以隔離外界的電磁干擾,降低器件的電子學(xué)噪聲。從圖1可看出,經(jīng)長距離傳輸后的信號光和本地光在耦合器1內(nèi)部相互干涉,干涉輸出后用傳感器3進(jìn)行接收,將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號。通過調(diào)節(jié)衰減器可使兩光電二極管產(chǎn)生的電流信號相等。相減的電流信號經(jīng)低噪聲前置電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號,經(jīng)高通濾波器后變?yōu)檎}沖,整形放大器可將此電壓信號進(jìn)行放大并整形為高斯形電脈沖信號進(jìn)行輸出。電脈沖信號的峰值與光場正交分量成正比,如式(1)所示
權(quán)利要求
1.一種全光纖脈沖平衡零拍探測裝置,其特征在于包括50/50保偏光纖耦合器(1)、衰減器O)、傳感器(3)、電荷放大器(4)和整形放大器(5);所述的光纖耦合器(1)兩輸入臂的端口選用整塊結(jié)構(gòu)的光纖連接器,光纖耦合器(1)兩輸出臂光纖長度相等,兩輸出臂中輸出效率高的一臂與傳感器(3)中量子效率低的光電二級管相連;輸出臂中輸出效率低的一臂與傳感器(3)中量子效率高的光電二級管相連;分別計算每一臂的總效率,將總效率高的一臂的光纖繞在衰減器O)中的彈性圓筒(7)上,彈性圓筒(7)位于固定裝置(9)和滑動裝置(10)之間,上下調(diào)整滑動裝置(10)可使彈性圓筒(7)的曲率半徑發(fā)生變化,進(jìn)而使繞于其上的光纖曲率半徑變化,實現(xiàn)光的衰減,固定桿8可防止曲率半徑過小造成光纖損傷;所述的傳感器C3)通過耦合電容(11)與電荷放大器(4)相連,電荷放大器(4)通過高通濾波器(12)和整形放大器(5)連接;傳感器(3)、電荷放大器⑷和整形放大器(5)置于金屬盒(6)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的全光纖脈沖平衡零拍探測裝置,其特征在于所述的固定裝置(9)和滑動裝置(10)選用熱脹系數(shù)小的材料制作而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的全光纖脈沖平衡零拍探測裝置,其特征在于所述的傳感器 (3)由量子效率接近的兩個光電二級管串聯(lián)構(gòu)成,其由電池供電,偏置電壓可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種全光纖脈沖平衡零拍探測裝置,具體是一種基于低噪聲電荷靈敏前置放大器的全光纖脈沖平衡零拍探測裝置,可用于對弱相干態(tài)光場的正交分量進(jìn)行精密測量。該裝置包括50/50保偏光纖耦合器(1)、衰減器(2)、傳感器(3)、電荷放大器(4)和整形放大器(5)。本發(fā)明將衰減器與耦合器的尾纖巧妙結(jié)合,避免了插入損耗,偏振度下降等不利因素,還可實現(xiàn)光強(qiáng)的連續(xù)精確衰減,穩(wěn)定性較好。該探測裝置實現(xiàn)了全光纖化、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出脈寬窄、電子學(xué)噪聲低、量子效率高、并可以長時間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
文檔編號G01J11/00GK102313603SQ201110188519
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者李永民, 王旭陽, 白增亮, 蘇靜 申請人:太原山大宇光科技有限公司, 山西大學(xué)
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