一种光波导中群速度色散的测量系统和测量方法技术方案

本发明专利技术涉及一种光波导中群速度色散的测量系统，属于光学测量技术领域。通过将待测光波导插入两臂对称的HOM干涉仪的一臂，并调整干涉仪两臂的臂程差测量HOM干涉条纹，基于光子间的二阶量子光学干涉效应，将光波导中群速度色散测量的时延法和干涉法相结合，实现光波导中群速度色散的高精度、高灵活性、高稳定性、低成本和小型化的测量。该测量系统使用的所有器件，均来自成熟的商用化器件，有利于系统组装、集成化和实用化发展，从而使该测量系统适用于光波导的色散测量、光路中的色散补偿、弱光测量、光纤传输与传感等领域。本发明专利技术还涉及一种光波导中群速度色散的测量方法。

A measurement system and method of group velocity dispersion in optical waveguide

【技术实现步骤摘要】
一种光波导中群速度色散的测量系统和测量方法
本专利技术属于光学测量
，具体涉及一种光波导中群速度色散的测量系统和测量方法。
技术介绍
色散，即材料的折射率随入射光频率而变化的特性。然而，该色散特性会造成脉冲展宽，制约了自由空间光学系统及光纤通信系统向高速度、高质量方向的发展。因此色散补偿至关重要，而色散的准确测量是色散补偿的重要前提。色散测量实质就是测量不同频率的光脉冲在色散介质中传输相同距离所用的时延，或者测量不同频率的光脉冲对应频域上的相位。目前，测量色散的方法有很多，主要有时延法、相移法、干涉法等。具体而言，时延法通过测量不同频率光脉冲的时延量，进行多项式拟合，得到色散值。然而该方法需要使用多波长激光器，采样点少，测量精度低。相移法通过比较相位参考值和测量值，得到相位差进而得到色散值。目前使用相移法测量色散对光源要求高，测量成本高，测量范围小。干涉法测量色散是利用Mach-Zehnder或者Michelson干涉仪的两个臂作为待测臂和参考臂，通过改变参考臂的长度得到两个臂出射光干涉条纹的强度信息，得到相位的相对大小，进而得到相应的色散值。该方法要求实验系统有很高的稳定性。因此，亟需一种新的测量方法，实现光波导中群速度色散的高精度、高稳定性、低成本和实用化的测量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种光波导中群速度色散的测量系统和测量方法。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种光波导中群速度色散的测量系统，包括锁模激光器、第一可调光衰减器、第一分束器、HOM干涉仪、第一单光子探测器、第二单光子探测器、时间数字转换器和数据处理设备；所述HOM干涉仪包括第一臂、第二臂和第二分束器；所述第一可调光衰减器用于将所述锁模激光器产生的脉冲激光衰减至单光子水平，作为HOM干涉仪的弱相干态单光子源；所述第一分束器将所述第一可调光衰减器输出的光束分为两部分，分别入射到所述HOM干涉仪对称的第一臂和第二臂中，第一臂包括依次连接的可调光延时线和第一偏振分束器，第二臂包括依次连接的待测光波导和第二偏振分束器，两臂的输出分别与第二分束器的两个输入端连接；可调光延时线用于调节入射光的时延，实现干涉仪臂程差的改变，所述可调光延时线与所述数据处理设备连接；第二分束器的两个输出端分别与第一单光子探测器和第二单光子探测器的输入端连接；第一单光子探测器和第二单光子探测器的输出端连接时间数字转换器；时间数字转换器用于记录第一单光子探测器和第二单光子探测器输出的电信号到达时间数字转换器的时间序列，该时间序列以数字形式传输至数据处理设备中，所述数据处理设备进行数据处理获得光波导中的群速度色散。本专利技术的有益效果是：本专利技术的一种光波导中群速度色散的测量系统，通过将待测光波导插入两臂对称的HOM(Hong-Ou-Mandel)干涉仪的一臂，并调整干涉仪两臂的臂程差测量HOM干涉条纹，基于光子间的二阶量子光学干涉效应，将光波导中群速度色散测量的时延法和干涉法相结合，实现光波导中群速度色散的高精度、高灵活性、高稳定性、低成本和小型化的测量，其测量精度取决于可调光延时线的精度。该测量系统使用的所有器件，均来自成熟的商用化器件，有利于系统组装、集成化和实用化发展，从而使该测量系统适用于光波导的色散测量、光路中的色散补偿、弱光测量、光纤传输与传感等领域。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步的，还包括第二可调光衰减器和第三可调光衰减器，第二可调光衰减器位于第一臂中；第三可调光衰减器位于第二臂中。采用上述进一步方案的有益效果是：第二可调光衰减器和第三可调光衰减器实现干涉仪两臂中光子数的衰减和调整，使得干涉仪两臂光子数相等，增大干涉条纹可见度，从而提高测量精度。进一步的，所述锁模激光器为主动锁模激光器或被动锁模激光器；进一步的，第一可调光衰减器、第二可调光衰减器和第三可调光衰减器为数显式光衰减器或机械式光衰减器；进一步的，可调光延时线为手动延时线或电动延时线；进一步的，待测光波导为光纤、棱镜、光栅、光子晶体波导或晶体材料；进一步的，第一偏振分束器或第二偏振分束器为平板偏振分束器、立方体偏振分束器或光纤偏振分束器；进一步的，第一单光子探测器和第二单光子探测器为雪崩二极管单光子探测器或超导纳米线单光子探测器；和/或，所述第一分束器和第二分束器为50/50分束器。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种光波导中群速度色散的测量方法，基于前述的一种光波导中群速度色散的测量系统实现，包括以下步骤：获得第一单光子探测器和第二单光子探测器输出的电信号到达时间数字转换器的时间序列；根据对所述时间序列进行符合运算，获得符合计数；获得可调光延时线的时延；根据所述可调光延时线的时延和所述符合计数，获得干涉条纹；根据所述干涉条纹，结合色散介质中的光脉冲传播理论、以及光场的二阶相干理论、量子力学中算符与量子态的运算规则，以及衰减器、分束器与可调光延迟的原理，获得待测光波导的群速度色散。本专利技术的有益效果是：本专利技术的一种光波导中群速度色散的测量方法，通过将待测光波导插入两臂对称的HOM干涉仪的一臂，并调整干涉仪两臂的臂程差测量HOM干涉条纹，基于光子间的二阶量子光学干涉效应，将光波导中群速度色散测量的时延法和干涉法相结合，实现光波导中群速度色散的高精度、高灵活性、高稳定性、低成本和小型化的测量，其测量精度取决于可调光延时线的精度。该测量方法使用的所有器件，均来自成熟的商用化器件，有利于系统组装、集成化和实用化发展，从而使该测量方法适用于光波导的色散测量、光路中的色散补偿、弱光测量、光纤传输与传感等领域。进一步的，若入射光为高斯光，所述根据所述干涉条纹，结合色散介质中的光脉冲传播理论、以及光场的二阶相干理论、量子力学中算符与量子态的运算规则，以及衰减器、分束器与可调光延迟的原理，获得待测光波导的群速度色散，包括根据如下公式(1)获得群速度色散β2：其中，T0为入射光脉冲的功率半宽度，b为HOM干涉条纹的半高全宽，L为待测光波导的长度。附图说明图1为本专利技术实施例的一种光波导中群速度色散的测量系统；图2为本专利技术实施例的另一种光波导中群速度色散的测量系统；图3为本专利技术实施例获得的HOM干涉条纹的实验和模拟结果。附图中，各标号所代表的部件列表如下：1、锁模激光器，2、第一可调光衰减器，3、第一分束器，4、第二可调光衰减器，5、第三可调光衰减器，6、可调光延时线，7、待测光波导，8、第一偏振分束器，9、第二偏振分束器，10、第二分束器，11、第一单光子探测器，12、第二单光子探测器，13、时间数字转换器，14、数据处理设备。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。如图1所示，本专利技术实施例提供的一种光波导中群速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光波导中群速度色散的测量系统，其特征在于，包括锁模激光器(1)、第一可调光衰减器(2)、第一分束器(3)、HOM干涉仪、第一单光子探测器(11)、第二单光子探测器(12)、时间数字转换器(13)和数据处理设备(14)；所述HOM干涉仪包括第一臂、第二臂和第二分束器(10)；/n所述第一可调光衰减器(2)用于将所述锁模激光器(1)产生的脉冲激光衰减至单光子水平，作为HOM干涉仪的弱相干态单光子源；/n所述第一分束器(3)将所述第一可调光衰减器(2)输出的光束分为两部分，分别入射到所述HOM干涉仪对称的第一臂和第二臂中，第一臂包括依次连接的可调光延时线(6)和第一偏振分束器(8)，第二臂包括依次连接的待测光波导(7)和第二偏振分束器(9)，两臂的输出分别与第二分束器(10)的两个输入端连接；可调光延时线(6)用于调节入射光的时延，实现干涉仪臂程差的改变，所述可调光延时线(6)与所述数据处理设备(14)连接；/n第二分束器(10)的两个输出端分别与第一单光子探测器(11)和第二单光子探测器(12)的输入端连接；第一单光子探测器(11)和第二单光子探测器(12)的输出端连接时间数字转换器(13)；/n时间数字转换器(13)用于记录第一单光子探测器(11)和第二单光子探测器(12)输出的电信号到达时间数字转换器(13)的时间序列，该时间序列以数字形式传输至数据处理设备中，所述数据处理设备进行数据处理获得光波导中的群速度色散。/n...

【技术特征摘要】
1.一种光波导中群速度色散的测量系统，其特征在于，包括锁模激光器(1)、第一可调光衰减器(2)、第一分束器(3)、HOM干涉仪、第一单光子探测器(11)、第二单光子探测器(12)、时间数字转换器(13)和数据处理设备(14)；所述HOM干涉仪包括第一臂、第二臂和第二分束器(10)；
所述第一可调光衰减器(2)用于将所述锁模激光器(1)产生的脉冲激光衰减至单光子水平，作为HOM干涉仪的弱相干态单光子源；
所述第一分束器(3)将所述第一可调光衰减器(2)输出的光束分为两部分，分别入射到所述HOM干涉仪对称的第一臂和第二臂中，第一臂包括依次连接的可调光延时线(6)和第一偏振分束器(8)，第二臂包括依次连接的待测光波导(7)和第二偏振分束器(9)，两臂的输出分别与第二分束器(10)的两个输入端连接；可调光延时线(6)用于调节入射光的时延，实现干涉仪臂程差的改变，所述可调光延时线(6)与所述数据处理设备(14)连接；
第二分束器(10)的两个输出端分别与第一单光子探测器(11)和第二单光子探测器(12)的输入端连接；第一单光子探测器(11)和第二单光子探测器(12)的输出端连接时间数字转换器(13)；
时间数字转换器(13)用于记录第一单光子探测器(11)和第二单光子探测器(12)输出的电信号到达时间数字转换器(13)的时间序列，该时间序列以数字形式传输至数据处理设备中，所述数据处理设备进行数据处理获得光波导中的群速度色散。


2.根据权利要求1所述的一种光波导中群速度色散的测量系统，其特征在于，还包括第二可调光衰减器(4)和第三可调光衰减器(5)，第二可调光衰减器(4)位于第一臂中；第三可调光衰减器(5)位于第二臂中。


3.根据权利要求1所述的一种光波导中群速度色散的测量系统，其特征在于，所述锁模激光器(1)为主动锁模激光器或被动锁模激光器。


4.根据权利要求1所述的一种光波导中群速度色散的测量系统，其特征在于，第一可调光衰减器(2)、第二可调光衰减器(4)和第三可调光衰减器(5)为数显式光衰减器或机械式光衰减器。

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【专利技术属性】
技术研发人员：周强，范云茹，袁晨智，邓光伟，王浟，宋海智，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51