CN107860470B - 一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光场微观统计特性的研究领域,提出了一种单光子水平上的光场高阶相干度及噪声特性研究装置,包括半导体激光器、偏振控制器、环形器、光纤耦合器、可调光纤衰减器、隔离器,半波片、偏振分束棱镜、第一准直透镜、光纤、第二准直透镜、光衰减器、聚焦透镜、毛玻璃片、光阑、滤波片、衰减片、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器和数据采集***;数据采集***与第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器的信号输出端连接;本发明可以研究光场高阶相干度及噪声特性,可以应用于光场特性研究领域。
Description
技术领域
本发明属于光场微观统计特性的研究领域,具体涉及一种单光子水平上的光场高阶相干度及噪声特性的探测装置。
背景技术
保密通信事关国家安全、社会稳定等诸多方面,确保相关***的信息安全日益重要。依据《2006-2020国家信息化发展战略》对信息安全技术及保密通信领域提出了迫切需求。目前利用物理层实现的相对安全的保密通信机制,一是基于量子力学的测不准原理和不可克隆定理等基本原理的量子保密通信,另一类是利用宏观非周期的快速随机现象及同步特性的混沌保密通信。基于前一种保密通信体制:信息通过量子态来编码,窃听者无法对合法通信双方的信息进行拷贝和窃取,一旦窃听就会被发现,从原理上来讲,该方案是无条件安全的。混沌激光属于后一种,由于其具有长期不可预测、类噪声、宽频谱、对初值敏感、复杂度大等方面的特性满足保密通信及密码学的基本要求,在当今信息科学技术高速发展的趋势下,已引起了人们的广泛关注并进行了深入的研究。早在1949年,香农在理论上就提出“一次一密”绝对安全的保密通信方案,基于此方案需要实时高速产生真正的物理随机密钥并实现密钥的远程秘密分发[参见文献C.E.Shannon,BellSystem Tech.J.28,656(1949).]。但混沌保密通信目前的障碍恰恰集中于如何实现“一次一密”密钥的绝对安全远程分发,***的安全性以及有效的安全传输距离。而影响其安全信息传输速率、效率、距离、安全性等问题与光场更深层次的微观高阶相干及噪声特性密切相关,但目前针对混沌光场的研究主要集中于宏观的时域和频域等特性,并不能从根本上解决面对的主要问题。可见在实现高速远程绝对安全的混沌保密通信之前,混沌光场的微观量子相干及噪声特性已成为一个亟待解决的问题。另外在目前研究光场的技术手段上,光场参数的测量已经达到微观量子水平,保证了研究的可行性。HBT实验虽然能探测光场的非经典效应,但是由于探测器死时间和量子效率的限制,测量的误差很大,并且不能得到待测光场更深层次的非经典效应。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足,所要解决的技术问题为:提供一种单光子水平上的光场高阶相干度及噪声特性的探测装置。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,包括半导体激光器、偏振控制器、环形器、光纤耦合器、可调光纤衰减器、隔离器,半波片、偏振分束棱镜、第一准直透镜、光纤、第二准直透镜、光衰减器、聚焦透镜、毛玻璃片、光阑、滤波片、衰减片、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器和数据采集***;所述半导体激光器产生的光经偏振控制器后依次入射到环形器和光纤耦合器,从光纤耦合器出射的光被分为两束,一束经可调光纤衰减器后返回到环形器,并经偏振控制器反馈给半导体激光器,另一束经隔离器、半波片、偏振分束棱镜后被分为两束,一束作为本底光由探测器探测,另一束由第一准直透镜耦合进光纤之后再经第二准直透镜入射到空间光衰减器,经过空间光衰减器的光由聚焦透镜会聚后入射到旋转速度可调的毛玻璃片上,被毛玻璃片散射的光经光阑、滤波片由第一分束镜分成两束光,其中一束经第二分束镜后再分成两束,分别入射到第一单光子探测器和第二单光子探测器,另一束经第三分束镜后再分成两束,分别入射到第三单光子探测器和第四单光子探测器;所述数据采集***与所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器的信号输出端连接,用于接收所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器分别传输的光子数n1、n2、n3、n4,并根据光子数n1、n2、n3、n4计算光场的二阶相干度、三阶相干度和四阶相干度。
所述数据采集***根据公式计算光场的二阶相干度g(2)(τ),所述t表示时间,所述τ表示第一单光子探测器和第二单光子探测器与第三单光子探测器和第四单光子探测器探测时间的相对延迟,< >表示时间平均。
所述数据采集***还用于根据得到的二阶相干度偏离理论预测到的真实值的大小来得到光场的噪声的强度。
所述数据采集***根据公式计算光场的三阶相干度g(3)(τ1,τ2),所述t表示时间,所述τ1表示第一单光子探测器和第二单光子探测器探测时间的相对延迟,所述τ2表示第一单光子探测器和第三单光子探测器探测时间的相对延迟,< >表示时间平均。
所述数据采集***根据公式计算光场的四阶相干度,所述t表示时间,所述τ1表示第一单光子探测器和第二单光子探测器探测时间的相对延迟,所述τ2表示第一单光子探测器和第三单光子探测器探测时间的相对延迟,所述τ3表示第一单光子探测器和第四单光子探测器探测时间的相对延迟,表示时间平均。
所述数据采集***还用于根据所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器或第四单光子探测器的探测信号,得到光场的统计分布。
所述第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜为透射比和反射比为1:1的分束镜。
所述半导体激光器为分布式反馈半导体激光器;所述偏振控制器为三桨光纤偏振控制器;所述光纤为单模光学光纤;所述第一准直透镜和第二准直透镜为三合透镜光纤准直镜/耦合器。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:本发明提出的一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,通过使半导体激光器产生的光经偏振控制器后依次入射到环形器和光纤耦合器,通过光纤耦合器将光分为两束,一束经可调光纤衰减器后返回到环形器,通过调节光纤衰减器和偏振控制器来产生混沌光,一束由四个单光子探测器进行探测,降低了探测过程对计数器死时间和效率的要求,提高了探测分辨时间与精度,可替代光子数可分辨探测器。
此外,本发明的探测装置不仅可以实现光场二阶相干度及噪声统计特性的测量,可以获得分辨时间在皮秒量级的光场的二阶相干度,通过四探测器可以使二阶相干度的测量结果较双探测器更加精确;而且,本发明还可以获得光场的高阶相干度与噪声特性,为从微观光子统计的角度认识光场提供了新的视角与方法,可以为提供光反馈混沌光场产生的随机密钥进行安全信息传输与分发的最佳条件提出研究基础。
附图说明
图1为本发明提出的研究装置的结构示意图,其中,实线表示光的传播路径,虚线表示电信号;
图2为混沌光的频谱图,其中实线表示信号,虚线表示噪声基底;
图3为混沌光的时序图;
图4为混沌光场的二阶相干度随延迟时间函数图;
图5为利用本发明的装置测量得到的混沌光场三阶、四阶相干度随延迟时间函数图;
图6为单光子探测器分别探测激光场、热光场及混沌光场在平均光子数为2时的光子统计分布图;
图中,1—半导体激光器;2—偏振控制器;3—环形器;4—光纤耦合器;5—可调光纤衰减器;6—隔离器;7—半波片;8—偏振分束棱镜;9—第一准直透镜;10—光纤;11—第二准直透镜;12—光衰减器;13—第一45度入射反射镜;14—第二45度入射反射镜;15—聚焦透镜;16—毛玻璃片;17—光阑;18—滤波片;19—衰减片;20—第一分束镜;21—第二分束镜;22—第一单光子探测器;23—第二单光子探测器;24—第三分束镜;第一分束镜;25—第三单光子探测器;26—第四单光子探测器;27—数据采集***。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例;基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明实施例提供了一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,图1中,实线表示光的传播路径,虚线表示电信号。如图1所示,本发明实施例的一种混沌光场高阶相干度及噪声特性研究装包括半导体激光器1、偏振控制器2、环形器3、光纤耦合器4、可调光纤衰减器5、隔离器6,半波片7、偏振分束棱镜8、第一准直透镜9、光纤10、第二准直透镜11、光衰减器12、聚焦透镜15、毛玻璃片16、光阑17、滤波片18、衰减片19、第一分束镜20、第二分束镜21、第三分束镜24、第一单光子探测器22、第二单光子探测器23、第三单光子探测器25、第四单光子探测器26和数据采集***27;所述半导体激光器1产生的光经偏振控制器2后依次入射到环形器3和光纤耦合器4,从光纤耦合器4出射的光被分为两束,一束经可调光纤衰减器5后返回到环形器3,并经偏振控制器2反馈给半导体激光器1,另一束经隔离器6、半波片7、偏振分束棱镜8后被分为两束,一束作为本底光由探测器探测,另一束由第一准直透镜9耦合进光纤10之后再经第二准直透镜11入射到空间光衰减器12,经过空间光衰减器12的光,经过第一45度入射反射镜13和第二45度入射反射镜14反射后,由聚焦透镜15会聚后入射到旋转速度可调的毛玻璃片16上,被毛玻璃片16散射的光经光阑17、滤波片18由第一分束镜20分成两束光,其中一束经第二分束镜21后再分成两束,分别入射到第一单光子探测器22和第二单光子探测器23,另一束经第三分束镜24后再分成两束,分别入射到第三单光子探测器25和第四单光子探测器26;所述数据采集***27与所述第一单光子探测器22、第二单光子探测器23、第三单光子探测器25、第四单光子探测器26的信号输出端连接,用于接收所述第一单光子探测器22、第二单光子探测器23、第三单光子探测器25、第四单光子探测器26分别传输的光子数n1、n2、n3、n4。
其中,本发明实施例中,通过调节可调光纤衰减器5及偏振控制器2可以形成混沌激光。此处偏振控制器2的作用是调节反馈光场的偏振方向使反馈光与激光器腔内的光场尽可能耦合,可调光纤衰减器5的作用是控制反馈光的强度。第一45度入射反射镜13和第二45度入射反射镜14可以调节光束的入射位置和角度,使光路易于调整。此外,本发明实施例中,通过设置旋转速度可以调的毛玻璃片16,可以调节光场的相干时间,以达到研究不同特性混沌光场的目的。由毛玻璃片17散射的光束通过光阑17可以甄选出特定的入射方向,而滤波片18的作用是滤除杂散光。
其中,数据采集***27接收到四个单光子探测器探测到的光子数n1、n2、n3、n4后,可以根据它们计算得到光场的二阶相干度、三阶相干度和四阶相干度。其中,二阶相干度g(2)(τ)的计算公式为:
式(1)中,所述t表示时间,所述τ表示第一单光子探测器22和第二单光子探测器23与第三单光子探测器25和第四单光子探测器26探测时间的相对延迟,< >表示时间平均。
三阶相干度g(3)(τ1,τ2)的计算公式为:
式(2)中,所述t表示时间,所述τ1表示第一单光子探测器和第二单光子探测器探测时间的相对延迟,所述τ2表示第一单光子探测器和第三单光子探测器探测时间的相对延迟,< >表示时间平均。
四阶相干度g(4)(τ1,τ2,τ3)的计算公式为:
式(3)中,所述t表示时间,所述τ1表示第一单光子探测器和第二单光子探测器探测时间的相对延迟,所述τ2表示第一单光子探测器和第三单光子探测器探测时间的相对延迟,所述τ3表示第一单光子探测器和第四单光子探测器探测时间的相对延迟,< >表示时间平均。
此外,由于光场的二阶相干度直接反应光场强度的起伏,因此,还可以根据得到的二阶相干度g(2)(τ)偏离理论预测到的真实值的大小,来得到光场的噪声的强度,偏离越大表示噪声起伏越大。本发明实施例通过利用双路单光子探测相干技术,实现对混沌光场二阶相干度及噪声统计特性的测量,不仅可以获得分辨时间在皮秒量级的光场的二阶相干度,而且利用多探测器使二阶相干较双探测器更加精确。
此外,根据所述第一单光子探测器22、第二单光子探测器23、第三单光子探测器25或第四单光子探测器26的探测信号,还可以得到光场的统计分布。
具体地,本发明实施例中,所述第一分束镜20、第二分束镜21、第三分束镜24为透射比和反射比为1:1的分束镜。
具体地,本发明实施例中,所述半导体激光器1为分布式反馈半导体激光器;所述偏振控制器2为三桨光纤偏振控制器;所述光纤10为单模光学光纤;所述第一准直透镜9和第二准直透镜11为三合透镜光纤准直镜/耦合器。
如图2所示,为通过本发明实施例的探测装置得到的混沌光的频谱图,其中实线表示信号,虚线表示噪声基底,从频谱图获得混沌光频谱带宽。该混沌光的频谱图可以通过探测器探测本底光得到;如图3所示,为通过本发明实施例的探测装置得到的混沌光的时序图,从时序图获得混沌光的周期强弱。如图4所示,为通过本发明实施例的探测装置得到的混沌光场的二阶相干度随延迟时间函数图;如图5所示,为通过本发明实施例的探测装置得到的混沌光场的混沌光场三阶、四阶相干度随延迟时间函数图。如图6所示,为探测激光场、热光场及混沌光场在平均光子数为2时的光子统计分布图,为单光子探测器分别探测激光场、热光场及混沌光场在平均光子数为2时的光子统计分布图;通过从统计分布可以区分出三种光场。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,其特征在于,包括半导体激光器(1)、偏振控制器(2)、环形器(3)、光纤耦合器(4)、可调光纤衰减器(5)、隔离器(6),半波片(7)、偏振分束棱镜(8)、第一准直透镜(9)、光纤(10)、第二准直透镜(11)、光衰减器(12)、聚焦透镜(15)、毛玻璃片(16)、光阑(17)、滤波片(18)、衰减片(19)、第一分束镜(20)、第二分束镜(21)、第三分束镜(24)、第一单光子探测器(22)、第二单光子探测器(23)、第三单光子探测器(25)、第四单光子探测器(26)和数据采集***(27);
所述半导体激光器(1)产生的光经偏振控制器(2)后依次入射到环形器(3)和光纤耦合器(4),从光纤耦合器(4)出射的光被分为两束,一束经可调光纤衰减器(5)后返回到环形器(3),并经偏振控制器(2)反馈给半导体激光器(1),另一束经隔离器(6)、半波片(7)、偏振分束棱镜(8)后被分为两束,一束作为本底光由探测器探测,另一束由第一准直透镜(9)耦合进光纤(10)之后再经第二准直透镜(11)入射到光衰减器(12),经过光衰减器(12)的光由聚焦透镜(15)会聚后入射到旋转速度可调的毛玻璃片(16)上,被毛玻璃片(16)散射的光经光阑(17)、滤波片(18)后由第一分束镜(20)分成两束光,其中一束经第二分束镜(21)后再分成两束,分别入射到第一单光子探测器(22)和第二单光子探测器(23),另一束经第三分束镜(24)后再分成两束,分别入射到第三单光子探测器(25)和第四单光子探测器(26);
所述数据采集***(27)与所述第一单光子探测器(22)、第二单光子探测器(23)、第三单光子探测器(25)、第四单光子探测器(26)的信号输出端连接,用于接收所述第一单光子探测器(22)、第二单光子探测器(23)、第三单光子探测器(25)、第四单光子探测器(26)分别传输的光子数n1、n2、n3、n4,并根据光子数n1、n2、n3、n4计算光场的二阶相干度、三阶相干度和四阶相干度。
2.根据权利要求1所述的一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,其特征在于,所述数据采集***(27)根据公式计算光场的二阶相干度,所述t表示时间,所述τ表示第一单光子探测器(22)和第二单光子探测器(23)与第三单光子探测器(25)和第四单光子探测器(26)探测时间的相对延迟,< >表示时间平均。
3.根据权利要求2所述的一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,其特征在于,所述数据采集***(27)还用于根据得到的二阶相干度偏离理论预测到的真实值的大小来得到光场噪声的强度。
4.根据权利要求1所述的一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,其特征在于,所述数据采集***(27)根据公式计算光场的三阶相干度,所述t表示时间,所述τ1表示第一单光子探测器(22)和第二单光子探测器(23)探测时间的相对延迟,所述τ2表示第一单光子探测器(22)和第三单光子探测器(25)探测时间的相对延迟,< >表示时间平均。
5.根据权利要求1所述的一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,其特征在于,所述数据采集***(27)根据公式计算光场的四阶相干度,所述t表示时间,所述τ1表示第一单光子探测器(22)和第二单光子探测器(23)探测时间的相对延迟,所述τ2表示第一单光子探测器(22)和第三单光子探测器(25)探测时间的相对延迟,所述τ3表示第一单光子探测器(22)和第四单光子探测器(26)探测时间的相对延迟,< >表示时间平均。
6.根据权利要求1所述的一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,其特征在于,所述数据采集***(27)还用于根据所述第一单光子探测器(22)、第二单光子探测器(23)、第三单光子探测器(25)或第四单光子探测器(26)的探测信号,得到光场的统计分布。
7.根据权利要求1所述的一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,其特征在于,所述第一分束镜(20)、第二分束镜(21)、第三分束镜(24)为透射比和反射比为1:1的分束镜。
8.根据权利要求1所述的一种光场高阶相干度及噪声特性的探测装置,其特征在于,所述半导体激光器(1)为分布式反馈半导体激光器;所述偏振控制器(2)为三桨光纤偏振控制器;所述光纤(10)为单模光学光纤;所述第一准直透镜(9)和第二准直透镜(11)为三合透镜光纤准直镜/耦合器。
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