量子极限精度的光纤型自适应相位估计系统

发布时间：2020-05-05 05:56

【摘要】：光学相位估计是物理学前沿的研究方向之一,对量子通信、引力波探测、量子密钥分发等很多领域的发展都至关重要,在测量位置、旋转、动态运动、磁场和引力波等方面均取得了重大的突破进展。光学相位估计的极限由量子力学所限制,该领域研究的一个重要方向就是发展能接近甚至超过标准量子极限的测量手段和实验技术。近年来,为提高测量精度,各种相位估计算法应运而生,自适应相位估计系统迅速发展。在提高精度的同时,研究者们也致力将这些精密测量系统小型化,集成化,将其往应用方向发展。由于光纤具有体积小,对电磁干扰免疫,耐恶劣环境,以及可直接耦合进结构系统等优势,光纤型传感器在高灵敏应变传感器,光纤陀螺仪等光学精密测量领域得到了广泛的应用和发展。光纤系统可作为精密相位测量实验的载体,适合作自适应相位估计系统向实用化发展的桥梁。本文主要研究了光纤型自适应平衡零差探测系统,验证了该系统对随机相位信号的量子极限测量;另外,还搭建了干涉仪型自适应相位追踪系统,实现了对随机信号的实时追踪。具体内容如下:1.搭建了光纤自适应零差探测系统来追踪Ornstein-Uhlenbeck随机信号。我们使用电光振幅调制器产生一对1.5 MHz的边带作为输入态,加载随机信号后与本地光在50/50光纤分束器处干涉,随后用一对平衡探测器探测其输出信号。为了实现对Ornstein-Uhlenbeck随机信号(带宽1kHz)的最优估计,我们设计了两个相位锁定环路来保证信号光和本地光的相对相位工作在最优测量点:一个反馈环路工作频率设计为100Hz以下,用于抑制环境扰动,另一个工作环路利用卡曼滤波器理论设计,实现实时最优估计。实验结果表明,在光子数为106,随机相位信号为±2.4弧度时,测得的追踪均方差优于标准外差理论的理论值,与自适应滤波理论吻合良好,证明探测精度达到了量子极限精度。2.搭建了光纤型马赫-曾德尔干涉仪相位追踪系统。干涉仪的主体由两个50/50光纤分束器,两个压电陶瓷型相位调制器和两个电光相位调制器组成,干涉仪输入端口一端入射振幅调制光束,一端入射真空态。给干涉仪一臂加载随机信号,与另一臂信号干涉后由一对平衡探测器接收,探测器直流输出信号用来锁定低频环路,抑制环境扰动。交流信号解调放大后进入滤波估计环路,由PID作为反馈估计器将估计信号加载在干涉仪的另一臂从而提高测量精度。实验中用该系统较为精准的追踪了随机相位信号,在高精度光纤传感等方面有广阔的应用前景。
【图文】：

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静态相位估计是指估计的相位信号是随时间不变的信号，也叫做单发相位测逡逑量。２００２年，，Ａｒｍｅｎ等人第一次在实验上进行了自适应单发相位测量［１４］，其逡逑实验装置及测量结果如图１．１。他们用弱相干态作为探测态来测量单发相位，分逡逑别用外差探测法和自适应平衡零差探测法进行了实验。图１．１邋（Ａ）是实验装置逡逑图，根据加载单发信号后实时探测的平衡光电流的值来计算实时的反馈相位逡逑２逡逑

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中⑴一吾］＾也／0；）／７１；，该反馈过程由ＦＰＧＡ来实现，将该反馈相位加载在电光逡逑调制器ＥＯＭ上从而使信号光和本地光的相对相位调节到光子数为８时，三次逡逑连续单发探测时的平衡光电流及反馈相位的时域图如图１．邋１邋（Ｂ）。图１．邋１（Ｃ）为实逡逑验精度图，证明了自适应零差测量系统相对于标准外差测量系统的优越性，同时逡逑绘制了理想外差测量方差的理论预测。外差数据与理论的良好一致性表明，相千逡逑信号状态下没有多余的相位噪声。在每脉冲１０－３００个光子的范围内，大部分的逡逑自适应数据都低于外差测量的绝对理论极限（虚线），而且所有的自适应数据都低逡逑于修正过电子噪声的曲线。在光子小于８时，本征相位的不确定度变大，自适应逡逑零差探测的理论值和外差的理论值差距变小，自适应零差探测的优越性变小。光逡逑子数超过３００时，反馈环路的技术噪声变大，自适应零差探测的精度逐步高于外逡逑差探测的精度。逡逑ａ邋逦邋逦逡逑－２邋－邋Ｎｔ０
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413;TN253;TP212

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