[发明专利]光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源及调节方法

说明书

本发明涉及一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源及调节方法，包括泵浦激光器、第一双凸透镜、第一激光反射镜、第二激光反射镜、PPKTP晶体、晶体温控炉、第二双凸透镜、第一二向色镜、第二二向色镜和带保偏光纤的光纤耦合器。本发明具有小型化、光纤输出、输出纯净度高、相位匹配点可调等特点，具有搭建光子纠缠光纤陀螺的应用潜力，用以提升光纤陀螺精度，使其精度突破标准量子极限。

技术领域

本发明属于光子纠缠光纤陀螺技术领域，涉及小型光子纠缠源系统，尤其是一种光纤陀螺用偏振纠缠光子对输出的小型纠缠源及调节方法。

背景技术

目前，对导航信息的需求，特别是深远海条件下的高精度高可靠导航信息需求进一步提高，因而对惯性导航系统的性能提出了在卫星拒止条件下独立精确导航、智能化导航等更高要求。其中，陀螺仪作为满足上述应用要求的惯性导航系统的核心元件，其精度直接决定着惯性导航系统的性能。光纤陀螺仪具有纯固态无运动部件、信息实时性高、精度潜力大、体积结构灵活、寿命长等优点，使其在诸多领域中获得应用，表现出极佳的性能优势，并不断向超高精度方向发展。由于采用传统自发辐射光源保偏干涉式主流方案，上述光纤陀螺固有的热噪声、散粒噪声、相对强度噪声等限制了其精度的提升并逐渐遇到技术瓶颈。因此，设法突破传统陀螺经典噪声极限，达到“量子导航”水平至关重要。

量子技术在导航与定位中已经有超过二十年时间的应用，将传统自发辐射光源改为纠缠“孪生光束”光源的光子纠缠光纤陀螺，在提升光纤陀螺灵敏度方面拥有巨大的潜力。且这一方案目前在实验已经得到了验证，而利用纠缠光子提升干涉仪测量精度在理论上也早已得到了验证。如图1所示，为基于光纤环的Sagnac干涉仪的原理图，入射光经一个半透半反镜被分为两束，之后耦合到光纤环之中，并分别沿顺逆时针方向进行传输，在半透半反镜处合束后输出到1、2两个探测器。沿顺、逆时针方向传输的两部分光在光纤环中传输的时间为t₁和t₂，因而相位差也可写为φ＝ω(t₁-t₂)，ω为输入光的角频率。此外，由旋转所带来的相位差也可表示为式(1)，其中Ω为旋转角速度。由于半透半反镜的分光比为1：1，所以其透射和反射率可分别表示为因而干涉系统到端口1、2的输出可表示为式(2)及式(3)。

两端口测得的光强为：

若输入的光中的平均光子数为N，由式(4)和(5)可以看出，两端口处测得的光子数正比于sin²(φ/2)和cos²(φ/2)。因此，通过输出端口处的光强，便可以得到相位差φ。由统计学原理可知，此时相位差的测量误差与光子数N有关，且正比于这是由经典光场中光子间相互独立没有任何干扰的特性决定的。

当用N个分离的单光子代替平均光子数为N的经典态光作为光源时，也有类似的结果。此时，sin²(φ/2)和cos²(φ/2)为单光子到达端口1和2的概率。而精度上的限制是由于使用了经典态光源，存在散粒噪声极限或者标准量子极限所造成的。

相比之下，在干涉测量中引入量子技术可突破这一精度限制。例如，可以在图1所示的方案中的无用端口2处输入真空压缩态，此时测量精度可以提升至1/N3/4。也可以在1、2端口输入式(6)所示的非经典的纠缠态。

其中，N_±＝(N±1)/2，下标1、2表示输入端口。此时局部统计模型不再适用于两端口输入相关性的描述。但相位信息同样可以通过测量到达两端口处的光子数的差得到。例如，通过计算式(7)中M操作符的期望值就可以计算相位差的大小。