[发明专利]一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺及其工作方法

权利要求书

1.一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，其特征在于：包括预报单光子源(1)、第一单模保偏光纤(2)、第二单模保偏光纤(3)、光纤敏感环路(4)、分束装置(5)、第三单模保偏光纤(6)、第四单模保偏光纤(7)、第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)、第一信号线(10)、第二信号线(11)及时间-幅度转换器(12)；预报单光子源(1)产生的双光子分别经第一单模保偏光纤(2)、第二单模保偏光纤(3)输入至分束装置(5)并分别进入光纤敏感环路(4)的两入射端口，光纤敏感环路(4)由单模保偏光纤绕制而成，双光子经过光纤敏感环路(4)后从两共轭端口输出再经分束装置(5)接收，偏振态被调整成同向，双光子相遇并发生二阶干涉后输出至第三单模保偏光纤(6)、第四单模保偏光纤(7)，第三单模保偏光纤(6)、第四单模保偏光纤(7)另一端分别与所述第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)连接，第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)分别对双光子中的一个光子进行收集，通过光电效应、信号放大、信号处理等转换成标准电信号；通过第一信号线(10)、第二信号线(11)将所述第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)发出的电信号传输到所述时间-幅度转换器(12)，通过时间-幅度转换器(12)将第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)收集到的电信号进行时间关联符合测量。

2.根据权利要求1所述基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺，其特征在于：所述分束装置(5)为四块正方形偏振分束器粘合在一起制成的偏振分束器矩阵；所述双光子经第一单模保偏光纤(2)、第二单模保偏光纤(3)从一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：A面、B面入射，经分束装置(5)后，从分束装置(5)另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：C面、D面出射至光纤敏感环路(4)；则双光子中的水平偏振或竖直偏振的一光子沿顺时针方向传输，竖直偏振或水平偏振的一个光子沿逆时针方向传输，经光纤敏感环路(4)后从共轭端口输出，经所述D面、C面再次回到分束装置(5)中，在E面发生量子二阶干涉；经分束装置(5)作用后的双光子从第四单模保偏光纤(7)、第三单模保偏光纤(6)端口输出至第二单光子计数器(9)、第一单光子计数器(8)。

3.一种权利要求1、2所述基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)预报单光子源(1)产生具有量子关联特性的参量光双光子，该参量光双光子为偏振相互正交或者相互平行的且具有量子关联特性的参量光，产生双光子态表示为|1,1；

2)所述具有量子关联特性的参量光双光子，经第一单模保偏光纤(2)、第二单模保偏光纤(3)从分束装置(5)的一个正方形偏振分束器的对称的两个立面：A面、B面入射，经分束装置(5)后，从分束装置(5)另外两个对称的正方形偏振分束器的对称的两个立面：C面、D面出射至光纤敏感环路(4)的两个入射端口输入，利用光纤敏感环路(4)保偏光纤的两光轴传输偏振态相互正交的双光子，则一水平偏振或竖直偏振光子沿顺时针方向传输，另一竖直偏振或水平偏振光子沿逆时针方向传输，经过光纤敏感环路(4)后从共轭端口输出；

3)具有量子关联特性的参量光双光子经过光纤敏感环路(4)后，再由分束装置(5)接收，偏振态被调整成同向，然后在分束装置(5)内的内介面：介面E相遇，经介面作用后一共存在四种可能的输出情况，分别对应四种量子态，分别为：

①两个光子均透射，一个从a口出射，一个从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|1_a,1_b；

②两个光子均反射，一个从a口出射，一个从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|1_a,1_b；

③一个光子反射、一个光子透射，共同从a口出射，该态用狄拉克符号表示为|2_a,0_b；

④一个光子透射、一个光子反射，共同从b口出射，该态用狄拉克符号表示为|0_a,2_b；

当光纤敏感环路(4)不发生旋转时，两光子完全同时到达分束装置(5)内界面介面E，经过分束器后的量子态表示为：

其中下脚标代表从分束装置(5)a、b出口出射，考虑到理想状态下分束装置(5)内界面介面E反射率和折射率相同R＝T＝1/2，

代入后可以得出输出态为|ψ_out∝|2_a,0_b+|0_a,2_b，即两光子从相同的出口出射；

当光纤敏感环路(4)以角速度Ω转动时，在光纤敏感环路(4)中沿顺时针传输的水平偏振态光子或竖直偏振态光子和沿逆时针传输的竖直偏振态光子或水平偏振态光子回到出发点时将产生与转速Ω成正比的相位差，令时间差为Δt，经推导得到

Δt为由转速引入的时间延迟；公式(2)中R表示光纤敏感环路半径，N·2πR表示光纤敏感环路围成的面积，n表示光纤有效折射率，c表示真空中光速；

发生量子高阶干涉后的参量光双光子分别通过第三、第四单模保偏光纤(7)与第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)连接；第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)将单光子收集，通过光电效应、信号放大、信号处理等转换成标准电信号，并传输到时间-幅度转换器(12)，通过时间-幅度转换器(12)将第一单光子计数器(8)、第二单光子计数器(9)收集到的信息进行时间关联符合测量，得到的符合测量结果

P(r₁,r₂；t₁,t₂)∝E^-(r₁,t₁)E^-(r₂,t₂)E⁺(r₂,t₂)E⁺(r₁,t₁) (3)

其中(r₁,t₁)代表第一个单光子探测器在t₁时刻接收到光子，(r₂,t₂)代表第二个单光子探测器在t₂时刻接收到光子；

经计算，符合计数率满足如下关系

其中α为常系数，σ为标准差，曲线为倒置高斯型，呈“谷”状，当光纤敏感环路(4)不发生旋转时，Δt＝0，以t为横坐标，符合计数率为纵坐标作图；当闭合光纤敏感环路(4)以角速度Ω转动时，通过式可以计算出由转速引入的时差，曲线将发生平移，通过平移量计算得到该陀螺转速Ω。