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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于相位调制的单光子干涉特性研究内容提要： 基于相位调制的单光子干涉量子密钥系统是通过发送方对激光进行相位调制，产生单光子边带；接收方采用同频相位调制，通过FP腔探测相应边带的单光子，获得经由相位编码的单光子干涉的量子信息。实验测量相位差变化对边带相干涉的影响，研究相位差锁定的技术路线。另外研究改变该实验系统的调制深度，进行相应的边带测量，并分析结果。关键字：单光子，相位调制，相位差锁定 The single-photons interference characteristics based on phase modulation Major:physics Nam
2、e: Yan Liu Teacher: Liantuan XiaoAbstract: In the phase modulation quantum key distribution system, the single-photons interference is based on the sender generates a single photon sideband by changing the phase modulation of laser; the receiver uses the same frequency modulation to detect the corre
3、sponding single photon of the sideband through the FP cavity and obtain the quantum information of the single-photons interference by phase encoding.We study the impact of phase changing on the coherence in experiment, and pave a way to lock the phase differencing .We also present the results with c
4、hanging the modulation depth of the experiment.Key words: single-photons,phase modulation, phase difference locking1、 引言：量子通信作为近年来的热门研究领域，在国防建设和经济建设方面都具有良好的应用前景。量子密钥分配（Quantum Key Distribution）作为量子通信的一个重要应用领域，能使通信的双方共享一个无条件安全密钥，因为量子不可克隆定律就能保证安全，密钥能在之后用来一次性加密和解密消息。最常见的QKD协议是BB84协议（由Bennett提出的采用单光子作为信
5、息载体）【1】，还有基于纠缠的B92协议【2】。在实际的参数和个体窃听的情况下人们已经分析了这些协议的安全性。结果表明了量子密钥系统的通信距离和安全通信速率是由单光子源或纠缠光子的性质以及单光子探测器的性能决定的。2003年，H.Kosaka等人将量子密钥分配的光纤传输距离延伸到100Km（他们是使用一平衡的门模式光子探测器）【3】。国内对量子密钥通信的实验研究也发展迅速，1995年中科院物理研究所在国内首次做了演示实验，与BB84协议的第一次实验类似。中国国防大学于2004年利用B92协议在850nm上完成率自由空间的量子密钥分配系统【4】。同年中科院也完成了1550nm单模光纤中的量子密钥
6、分配，实际测量效果已经很接近理论值【5】。2010年中国科技大学和清华大学的研究人员在量子通信方面取得了突破，将自由空间中的量子通信的有效距离提升到了16km【6】。2002年，法国的Merolla发现一种新的基于单光子相位调制的译码方法【7】。在新系统中，Alice将每一个要传输的比特通过从两种可能值中随机选取一调制相位来编码成光学频率。Bob调节光在与载波相同的频率，再次在两相位之间进行随机选择。通过单分子干涉实验和Alice提供的附加信息（可能公开的），Bob就可以决定Alice所发送的光子态。即利用两个相位调制器进行相位干涉是通过发送方对光进行相位调制，产生边带；接收方采用同频相位调制
7、，通过改变两相位调制器的相位差改变边带上光子的干涉情况。它的优点是：(1)使用电光调制器消除热漂移，提高系统工作的稳定性。 (2) 不要求通常单光子干涉测量系统的同步探测约束。本文从介绍基于相位调制的单光子干涉的相关理论出发，实验测量相位差变化对边带幅度的影响，并提出了一种锁定相位差的方法，另外研究改变该实验系统的调制深度，进行了相应的边带测量。2、 实验原理：1. 相位调制【8】：Laser即激光源，是在指定频率下的脉冲激光二极管。第一个相位调制器PM1（电光调制器EOM1）运行在相位为，调制幅度为V1，激光经过后产生载波和单光子边带。第二个相位调制器PM2 的相位为，调制幅度为V2，激光经
8、过后产生载波和单光子边带。通过调节两个相位调制器的相位差可以改变边带干涉的相消相长。 PM2D PM1 FP Laser VCO图1 相位调制的原理图（虚线为光信号，实线为电信号） 我们用E(t)=exp(jt)表示激光的电场，调制深度，a是调制电压信号的峰峰值，是调制器的半波电压（实验中为6.5V）。则通过第一个相位调制器PM1后光场可以表示为 是相位调制器PM1的调制系数，1为调制频率，为相位。经过第二个相位调制器PM2后光场可以表示为 ： m2为第二个相位调制器PM2的调制系数，2为调制频率，为相位。我们选取，则有 根据Bessel函数展开有，则当远小于1时有： 光强我们通过FP腔选出固
9、定频率（如）的光，它是经过两个相位调制器后产生的边带相互干涉所得到的结果。通过改变两调制器的相位差，可得到不同强度的边带。2、相位锁定： 实验将1550nm的单频激光器发出的光送入第一个相位调制器PM1，通过单模光纤进入第二个相位调制器调制PM2，然后利用FP腔锁定选出+1阶边带模式送入探测器D中进行探测。其中，两个相位调制器的驱动频率一样均为50MHz。用8VDC+1.55V的正弦电压驱动移相器对相位调制器间的相位差进行扫描，并用锁相放大器解调出相位差为的鉴相信号，通过在PID上设置合适的比例、积分、微分常数，得到灵敏的鉴相信号并将其反馈到移相器的电压输入端，从而监视第二个相位调制器的相位变
10、化，使其与第一个相位调制器的相位差通过鉴相信号的监视反馈达到稳定。FP D 图2 相位锁定装置图 三、实验装置工作原理： 在我们的实验中所用的仪器主要包括：电光调制器、F-P腔和光电探测器。1.电光调制器【9】-【10】： 利用电光效应（electro-optic effect） 实现光调制的器件称为电光调制器，它是利用调制信号在调制器中产生的电场来改变器件的折射率，从而改变通过器件光的相位，达到调制的目的。调制晶体是电光调制器的核心部件，它按一定的方向加工成圆柱体或长方形体状。 电光效应有线性电光效应(普克尔效应，Pockels effect)和非线性二次电光效应(克尔效应，Kerr eff
11、ect )。线性电光效应是指感生折射率的变化与外加场强成正比（如压电晶体），由德国晶体物理学家普克尔（F. Pockels）于1893年首先预期，后来在石英等晶体得到证实。故又称为普克尔效应。非线性二次电光效应是指折射率的变化与外加场强的平方成正比（如气体、液体和玻璃态固体），由英国物理学家克尔（John Kerr）于1875年首先在光学晶体中发现，故又称克尔效应。 在一般情况下，前者比后者强，因此最常采用的是线性电光效应。常用作线性电光调制的晶体有ADP和LiNbO3 晶体等，这些晶体在加上外加电场后折射率将会发生变化。 电光调制器是光纤通信和微波光子技术等方面的关键器件，其特性的好坏直接决
12、定了整个系统的性能。在光纤通信系统中，电光调制器将电信号的信息调制到光载波上，从而完成了通信系统中信号调制的环节，此种方法常应用在单波长10Gbits以上的光调制中。电光调制器作为外调制器，与直接调制有很大的不同。电光调制器可以分为电吸收调制器和基于MachZehnder结构的电光调制器(MZ electrooptic modulator)。MZ电光凋制器与依靠外加电压改变材料的吸收谱线的电吸收调制器不同，它主要利用了线性电光效应(即普克尔效应）来调节材料的折射率，再利用MZ干涉仪的结构最终使得输出光功率随所加电压变化。 电光调制器的调制深度与调制频率的选取对F一P腔的光外差光谱线型十分重要。
13、调制深度及调制频率的选取的大小不仅影响产生边带与载波的幅度关系，而且也关系到光谱信号(作为鉴频曲线)的幅度及中心斜率。调制频率的选取则要考虑以下因素的影响:激光的幅度噪声、鉴频曲线的中心斜率及频率的捕捉范围等。（1）调制深度对色散谱线线型的影响在研究调制深度变化时发现，当调制深度大于1时，高阶边带对光谱信号线型的影响将不可忽略。在探测F一P腔的反射信号时，将会产生一阶边带与二阶及以上边带之间的拍频项等。当仅考虑一阶边带与载波相作用时，对应不同的调制深度时，将引起色散谱线线型幅度的变化。理论模拟了对应不同调制度的色散谱线线型，如图3所示： 图3 色散型曲线线型随调制幅度的变化 在图3中，横坐标表示激光频率与F一P腔共振频率的失谐量，纵坐标表示探测器上所产生的光电流大小。谐振腔长设为 216mm，调制频率为 10MHz，trace1、trace2、trace3对应的调制深度分别为0.1，0.4，0.8的情景，当调制深度逐渐增加时，其拍频光电流变大，鉴频曲线的幅度变大，这有助于提高激光信号的信噪比。 图4 控制灵敏度随调制深度变化 而当调制深度改变时，不仅影响鉴频信号幅度的变化，而且也将影响到鉴频曲线的中心斜率。图4是鉴频曲线中心斜率随调制深度变化的情况，tracel、trace2、trace3分别
