專利名稱：單光子光學(xué)諧振腔的鎖定方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)諧振腔，特別涉及光學(xué)諧振腔的鎖定，具體為單光子光學(xué)諧振腔的鎖 定方法及其裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)諧振腔(又稱為法布里-泊羅光學(xué)諧振腔)是指光波在其中來回反射從而提供 光能反饋的空腔。通常由兩塊平行的平面或凹面反射鏡構(gòu)成。諧振腔的作用是選擇通過頻 率一定、方向一致的光，而把其他頻率和方向的光加以抑制。凡不沿諧振腔軸線運(yùn)動(dòng)的光子 均很快逸出腔外。沿軸線運(yùn)動(dòng)的光子經(jīng)兩反射鏡的反射不斷往返運(yùn)行產(chǎn)生振蕩，最終在腔 內(nèi)形成傳播方向一致、頻率和相位相同的光束。諧振腔內(nèi)可能存在的頻率和方向稱為本征 模，按頻率區(qū)分的稱為縱模，按方向區(qū)分的稱為橫模。在一個(gè)諧振腔內(nèi)，只有頻率滿足一定 共振條件的光才能在腔內(nèi)來回反射形成穩(wěn)定分布。光學(xué)諧振腔是獲得理想的單色性和相干 性的激光的核心器件，同時(shí)在其它的實(shí)際應(yīng)用，如光通訊、激光光譜、精密計(jì)量等領(lǐng)域具有 廣泛的應(yīng)用。精密鎖定光學(xué)諧振腔是有效運(yùn)用的前提，在光學(xué)諧振腔鎖定研究中，通常是采用 強(qiáng)光進(jìn)行，如采用Pound-Drever-Hal 1、Hansch Coiullaud、飽和吸收等鎖定方法。強(qiáng)光鎖 定方法是在光學(xué)諧振腔的輸出側(cè)用探測器提取鎖腔參考信號，該鎖腔信號經(jīng)處理后反饋給 光學(xué)諧振腔(的壓電陶瓷)，從而構(gòu)成一個(gè)信號反饋系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)光學(xué)諧振腔的鎖定。但是在 量子保密通訊和其他微弱信號檢測場合下，光信號非常弱，以致達(dá)到單光子量級，探測器無 法提取到鎖腔參考信號，所以無法實(shí)現(xiàn)鎖定。因此，目前未見能夠用微弱光信號(單光子量 級)來鎖定諧振腔的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決目前無法用微弱光信號(單光子量級)來鎖定諧振腔的問題，提供一種 單光子光學(xué)諧振腔的鎖定方法及其裝置。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的單光子光學(xué)諧振腔的鎖定方法，用頻率為 9. 2KHz、電壓幅度為3伏的正弦波信號對頻率為IHz的三角波信號進(jìn)行調(diào)制而形成調(diào)制掃 腔信號，用調(diào)制掃腔信號掃描光學(xué)諧振腔(即將調(diào)制掃腔信號施加于光學(xué)諧振腔的偏置控 制端)而實(shí)現(xiàn)對入射單光子的調(diào)制；利用積分時(shí)間為30ms (毫秒)的鎖相放大器對光學(xué)諧振 腔輸出的被調(diào)制單光子信號的同步累積進(jìn)行解調(diào)得到鎖腔參考信號，將鎖腔參考信號在示 波器上進(jìn)行顯示；減小三角波信號的電壓幅值并通過調(diào)節(jié)三角波信號的偏置保證鎖腔參考 信號始終位于示波器中心，最終使三角波的電壓幅值為零，此時(shí)將鎖腔參考信號經(jīng)PID (比 例積分微分)控制器加在光學(xué)諧振腔偏置控制端，而實(shí)現(xiàn)對光學(xué)諧振腔的鎖定。本發(fā)明采用了對單光子進(jìn)行調(diào)制并利用鎖相放大器解調(diào)獲得鎖腔參考信號，實(shí)現(xiàn) 了利用微弱光信號對諧振腔的鎖定。利用調(diào)制解調(diào)的方法提高了鎖腔參考信號的信噪比， 能夠可靠提取到鎖腔參考信號。該方法可應(yīng)用于激光檢測、光纖通訊、單光子檢測、激光光譜等相關(guān)領(lǐng)域。適用于光學(xué)諧振腔應(yīng)用于自由空間和光纖的場合。


圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為單光子探測器輸出信號的頻譜圖3為鎖腔參考信號幅度隨調(diào)制信號電壓的變化圖； 圖4為鎖相放大器信號幅度隨調(diào)制信號頻率的變化圖； 圖5為鎖定前后諧振腔輸出信號的對比圖； 圖6為鎖腔參考信號在示波器上的形狀； 圖7為光學(xué)諧振腔透射信號在示波器上的形狀。圖中1-單頻半導(dǎo)體激光器(1550nm)，2_衰減器，3_法布里-泊羅光學(xué)諧振 腔，4-單光子探測器(SPAD )，5-鎖相放大器，6-PID控制器，7-示波器，8-函數(shù)發(fā)生 器，9-偏置控制器，10-偏振分束器，11-光電探測器。
具體實(shí)施例方式單光子光學(xué)諧振腔的鎖定方法，用頻率為9. 2KHz、電壓幅度為3伏的正弦波信號 對頻率為IHZ的三角波信號進(jìn)行調(diào)制而形成調(diào)制掃腔信號，用調(diào)制掃腔信號掃描光學(xué)諧振 腔(即將調(diào)制掃腔信號施加于光學(xué)諧振腔的偏置控制端)而實(shí)現(xiàn)對入射單光子的調(diào)制；利用 積分時(shí)間為30ms (毫秒)的鎖相放大器對光學(xué)諧振腔輸出的被調(diào)制單光子信號的同步累積 進(jìn)行解調(diào)得到鎖腔參考信號，將鎖腔參考信號在示波器上進(jìn)行顯示；減小三角波信號的電 壓幅值并通過調(diào)節(jié)三角波信號的偏置保證鎖腔參考信號始終位于示波器中心，最終使三角 波的電壓幅值為零，此時(shí)將鎖腔參考信號經(jīng)PID (比例積分微分)控制器加在光學(xué)諧振腔偏 置控制端，而實(shí)現(xiàn)對光學(xué)諧振腔的鎖定。實(shí)現(xiàn)單光子光學(xué)諧振腔鎖定方法的裝置，包括光學(xué)諧振腔3、單光子探測器4、鎖 相放大器5、PID控制器6、示波器7、函數(shù)信號發(fā)生器8、偏置控制器9，光學(xué)諧振腔3的輸出 端與單光子探測器4的輸入端相連，單光子探測器4的信號輸出端與積分時(shí)間為30ms (毫 秒)的鎖相放大器5的信號輸入端相連，鎖相放大器5的信號輸出端與PID控制器6的輸 入端相連，PID控制器6的輸出端最終與光學(xué)諧振腔3的偏置控制端相連，PID控制器6的 監(jiān)視輸出端與示波器7相連，函數(shù)信號發(fā)生器8的輸出頻率IHz三角波信號的通道一輸出 端與偏置控制器9的直流輸入端相連，函數(shù)發(fā)生器8的同步輸出端作為觸發(fā)信號與示波器 7相連；鎖相放大器5的輸出9. 2KHz、3伏正弦波信號的調(diào)制信號輸出端與偏置控制器9的 射頻輸入端相連；偏置控制器9的輸出端與光學(xué)諧振腔3的偏置控制端相連。該裝置還包 括位于光學(xué)諧振腔3入射端的偏振分束器10，與偏振分束器10相連的光電探測器11，光電 探測器11的輸出端與示波器相連。具體實(shí)施時(shí)，由單頻半導(dǎo)體激光器1 (1550nm)產(chǎn)生激 光并經(jīng)衰減器2衰減到單光子量級。光學(xué)諧振腔3選用Toptica，F(xiàn)PI100。單光子探測器4選用princeton lightwave, PGA-600。鎖相放大器5選用SRS，SR830。PID控制器6選用SRS，SIM960。示波器7選用 Tektronix，TPS2024。函數(shù)信號發(fā)生器8選用Tektronix，AFG3000。偏置控制器9選用Mini circuits, Bias-Tee。光電探測器 11 選用 Newfocus，1611-FC-AC0
參見附圖1。函數(shù)信號發(fā)生器8輸出的IHz三角波加載在偏置控制器9直流輸入 端，同時(shí)鎖相放大器5輸出9. 2KHz、電壓幅度為3伏正弦信號加載在偏置控制器9射頻輸 入端對三角波信號進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制后的三角波信號作為掃腔信號由偏置控制器9輸出加載 在光學(xué)諧振腔3上使之處于掃描狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對入射光的調(diào)制。由尾纖型單頻半導(dǎo)體激光器 (1550nm)l產(chǎn)生的連續(xù)光信號經(jīng)偏振分束器10照射到光學(xué)諧振腔3入射端，腔內(nèi)反射輸出 光經(jīng)偏振分束器10反射后入射到光電探測器11上，光電探測器11輸出的腔反射光信號通 過示波器7進(jìn)行觀察。光學(xué)諧振腔3的透射光信號通過光纖入射到單光子探測器4的輸入 端，在單光子探測器4的面板上可以看到光子計(jì)數(shù)值，單光子探測器4工作于內(nèi)觸發(fā)狀態(tài)。 單光子探測器4的TTL脈沖輸出端輸出的TTL電平輸入到鎖相放大器5，利用鎖相放大器5 的積分時(shí)間對單光子信號的同步累積進(jìn)行解調(diào)，調(diào)節(jié)鎖相放大器積分時(shí)間(至30毫秒)和靈 敏度，使得輸出最大信噪比的鎖腔參考信號。鎖相放大器5輸出的鎖腔參考信號經(jīng)過PID 控制器6的監(jiān)視輸出端進(jìn)入示波器7，利用示波器7觀測鎖腔參考信號；減小函數(shù)信號發(fā)生 器8輸出信號的電壓幅度并通過調(diào)節(jié)三角波信號的偏置保證鎖腔參考信號始終處于示波 器7中心，最終使掃腔信號幅度為零，此時(shí)將鎖腔參考信號經(jīng)PID控制器加在諧振腔偏置控 制端，優(yōu)化PID控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對光學(xué)諧振腔的鎖定。本實(shí)例中使用的函數(shù)信號發(fā)生器8輸出頻率為IHz的三角波信號加載于偏置控制 器9的直流輸入端用于控制觀測諧振腔透射峰以及鎖腔參考信號曲線。函數(shù)信號發(fā)生器8 的同步信號觸發(fā)示波器7。鎖相放大器5輸出頻率為9. 2kHz的正弦信號加載于偏置控制器 9的射頻輸入端，對光學(xué)諧振腔進(jìn)行長度掃描調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對入射光的調(diào)制。另外偏置控制器 9的直流射頻輸出端輸出并加載在光學(xué)諧振腔上，控制諧振腔的中心位置。本實(shí)例中使用的單頻半導(dǎo)體激光器工作于室溫環(huán)境，輸出激光的中心波長為1550 nm，脈沖寬度為50ps。單光子探測器4工作于218K，在1550 nm處的最大可探測光功率 為lmW，最大外觸發(fā)頻率為20MHz，量子效率為 25%，死時(shí)間為50 ns，平均暗計(jì)數(shù)率低于20 cps，探測器后脈沖率約9. 03E-5。本實(shí)例中使用的光學(xué)諧振腔3的溫度可控，工作溫度為攝 氏20度，自由光譜區(qū)1GHz，精細(xì)度500，分辨率2MHz。圖2為單光子探測器輸出信號的頻譜圖，描述的是通過鎖相放大器監(jiān)視輸出端口 觀察到的單光子探測器探測輸出的TTL脈沖信號的傅里葉變換(FFT)頻譜，從圖中可以看 出，在對應(yīng)9. 2kHz調(diào)制信號處可明顯觀察到單光子調(diào)制信號，約_37dB，其他頻率位置為噪 聲，平均值-50dB。說明調(diào)制解調(diào)方法是有效的。本發(fā)明利用鎖相放大器對單光子信號進(jìn)行同步累積，并進(jìn)行解調(diào)。調(diào)節(jié)鎖相放大 器積分時(shí)間和靈敏度，使得輸出最大信噪比的鎖腔參考信號。這里選擇積分時(shí)間為30ms。圖3為鎖腔參考信號幅度隨調(diào)制信號電壓幅度的變化圖，描述的是不同電壓正弦 波調(diào)制信號對應(yīng)的鎖腔參考信號的幅度，從圖中可以看出鎖腔參考信號的幅度隨著調(diào)制電 壓的增大而增大，調(diào)制電壓峰峰值達(dá)到3伏后鎖腔參考信號幅度接近飽和，這里選取3伏作 為調(diào)制信號的電壓值。圖4為鎖相放大器輸出信號的幅度隨調(diào)制信號頻率的變化圖，描述的是不同頻率 正弦波調(diào)制信號對應(yīng)的鎖相放大器輸出信號的幅度。從圖中可以看出鎖相放大器輸出信號 幅度隨調(diào)制信號頻率的變化趨勢，調(diào)制頻率為9. 2kHz時(shí)鎖相放大器輸出信號的幅度最大。 本發(fā)明選取9. 2kHz的正弦波作為調(diào)制信號。
圖5為鎖定前后諧振腔輸出信號的對比圖?？梢园l(fā)現(xiàn)不加鎖定時(shí)輸出光場的光頻 起伏很大，在20分鐘內(nèi)，輸出光場的頻率波動(dòng)達(dá)到200MHz。這是由于諧振腔的熱漂移特性 決定的。相應(yīng)地，在采用本發(fā)明的方法鎖定諧振腔以后，輸出光場的頻率穩(wěn)定在2MHz以內(nèi)。圖6和圖7分別為鎖腔參考信號曲線和諧振腔透射信號曲線。經(jīng)過如上述選取優(yōu) 化鎖相放大器積分時(shí)間以及調(diào)制信號的幅度與頻率，鎖腔信號的信噪比達(dá)到43。從本例的測量結(jié)果中可以看出，采用本發(fā)明的單光子調(diào)制的方法可以鎖定光學(xué)諧 振腔。本具體實(shí)施方式
適用于光學(xué)諧振腔應(yīng)用于自由空間和光纖的場合。
權(quán)利要求
一種單光子光學(xué)諧振腔的鎖定方法，其特征為用頻率為9.2KHz、電壓幅度為3伏的正弦波信號對頻率為1Hz的三角波信號進(jìn)行調(diào)制而形成調(diào)制掃腔信號，用調(diào)制掃腔信號掃描光學(xué)諧振腔而實(shí)現(xiàn)對入射單光子的調(diào)制；利用積分時(shí)間為30ms的鎖相放大器對光學(xué)諧振腔輸出的被調(diào)制單光子信號的同步累積進(jìn)行解調(diào)得到鎖腔參考信號，將鎖腔參考信號在示波器上進(jìn)行顯示；減小三角波信號的電壓幅值并通過調(diào)節(jié)三角波信號的偏置保證鎖腔參考信號始終位于示波器中心，最終使三角波的電壓幅值為零，此時(shí)將鎖腔參考信號經(jīng)PID控制器加在光學(xué)諧振腔偏置控制端，而實(shí)現(xiàn)對光學(xué)諧振腔的鎖定。
2.實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的單光子光學(xué)諧振腔鎖定方法的裝置，其特征為包括光學(xué) 諧振腔(3)、單光子探測器(4)、鎖相放大器(5)、PID控制器(6)、示波器(7)、函數(shù)信號發(fā)生 器(8)、偏置控制器(9)，光學(xué)諧振腔(3)的輸出端與單光子探測器(4)的輸入端相連，單光 子探測器(4)的信號輸出端與積分時(shí)間為30ms的鎖相放大器(5)的信號輸入端相連，鎖相 放大器(5)的信號輸出端與PID控制器(6)的輸入端相連，PID控制器(6)的輸出端最終與 光學(xué)諧振腔(3)的偏置控制端相連，PID控制器(6)的監(jiān)視輸出端與示波器(7)相連，函數(shù) 信號發(fā)生器(8)的輸出頻率IHZ三角波信號的通道一輸出端與偏置控制器(9)的直流輸入 端相連，函數(shù)發(fā)生器(8)的同步輸出端作為觸發(fā)信號與示波器(7)相連；鎖相放大器(5)的 輸出9. 2KHz、3伏正弦波信號的調(diào)制信號輸出端與偏置控制器(9)的射頻輸入端相連；偏置 控制器(9)的輸出端與光學(xué)諧振腔(3)的偏置控制端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)單光子光學(xué)諧振腔鎖定方法的裝置，其特征為還包 括位于光學(xué)諧振腔(3)入射端的偏振分束器(10)，與偏振分束器(10)相連的光電探測器 (11)，光電探測器(11)的輸出端與示波器(7)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)諧振腔，特別涉及光學(xué)諧振腔的鎖定，具體為單光子光學(xué)諧振腔的鎖定方法及其裝置。解決目前無法用微弱光信號來鎖定諧振腔的問題。用頻率為9.2kHz、電壓幅度為3伏的正弦波信號對頻率為1Hz的三角波信號進(jìn)行調(diào)制而形成調(diào)制掃腔信號，用調(diào)制掃腔信號掃描光學(xué)諧振腔而實(shí)現(xiàn)對入射單光子的調(diào)制；利用積分時(shí)間為30ms的鎖相放大器對光學(xué)諧振腔輸出的被調(diào)制單光子信號的同步累積進(jìn)行解調(diào)得到鎖腔參考信號，將鎖腔參考信號經(jīng)PID控制器加在光學(xué)諧振腔偏置控制端，而實(shí)現(xiàn)對光學(xué)諧振腔的鎖定。利用調(diào)制解調(diào)的方法提高了鎖腔參考信號的信噪比。該方法可應(yīng)用于激光檢測、光纖通訊、單光子檢測、激光光譜等相關(guān)領(lǐng)域。
文檔編號H01S3/098GK101976797SQ201010299949
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者王曉波, 王晶晶, 肖連團(tuán), 賈鎖堂, 馬杰 申請人:山西大學(xué)