[發明專利]一種利用糾纏光子對測光纖長度的裝置

在審

• 申請號: 202010172728.8
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111308453A
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 董瑞芳;權潤愛;侯飛雁;劉濤;張首剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家授時中心
• 主分類號: G01S11/12
• 分類號: G01S11/12
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發明提供了一種利用糾纏光子對測光纖長度的裝置，包括糾纏光源、單光子探測器和事件計時器，所述的糾纏光源產生糾纏光子對，其中一路為信號光，另一路為閑置光；所述的信號光和閑置光分別由單光子探測器D1和D2進行探測，事件計時器記錄光子到達單光子探測器D1和D2的時間{t_1j}和{t_2j}，j表示第j個光子，通過二階關聯運算得到t₂?t₁，表示信號光和閑置光到達的時間差；在閑置光光路中加入待測長度的光纖，事件計時器再次記錄光子到達單光子探測器D1和D2的時間{t′_1j}和{t′_2j}，通過二階關聯運算得到t′₂?t′₁，計算得到光纖的長度l＝v_g·[(t′₂?t′₁)?(t₂?t₁)]，v_g是糾纏光子在光纖中的群速度。本發明可以同時實現高的測量精度和大的測量范圍。

技術領域

本發明屬于測試計量領域，具體涉及到一種光纖長度測量技術。

背景技術

隨著光纖傳感技術的迅猛發展，對光纖長度測量精度的要求日益提高。光纖長度的精確測量對光纖的研制、生產以及維護有非常重要的意義。目前常見的測量光纖長度的方法有以下幾種：

目前普遍采用的光纖長度的測量方法是時域反射法(OTDR)，但是這種方法存在盲區，即在光纖長度小于一定值時，這種方法無法測量其長度，測量精度也只能到米量級。

低同調光反射測量儀(OLCR)常被用作高精度的光纖長度測量，主要是用來監測光纖長度的小范圍變化情況。這種方法測試精度較高，可達10μm，缺點在于它的動態范圍比較小，最大可測量范圍只有幾厘米。

光頻域反射儀(OFDR)測光纖長度，其測量精度比OTDR高，可以達到毫米量級；測量范圍比OLCR大，可達幾千米，具有較高的實用性。但是OFDR并不能有效地測得背向散射光，且要達到好的相干性和穩定性，系統對激光光源的要求也非常高；另外，源的相干函數對接收光譜進行不確定的調制，從而使要觀察的散射信號的空間變化產生畸變，破壞了真實的空間信息；再加上掃頻的非線性和干涉儀的相位噪聲，其應用因此受到限制。

光相干域反射測量(OCDR)也是一種較常用的高精度的測量光纖長度的方法。光相干域反射測量法的精度較高，可達10μm，測量范圍較大，信噪比大于100dB，靈敏度也較高。但與OFDR的問題相似，要保證系統良好的相干性，系統對光源有著很高的要求，不適于測量長光纖。

由速度干涉儀發展而來的全光纖干涉系統也可用來進行光纖長度測量。利用全光纖干涉系統測量光纖長度的原理以及結構都很簡單，可以實現無盲區的長度測量。但其測量精度不高，其誤差主要來源于干涉條紋的計數和基準光纖長度L的確定。

基于頻移不對稱Sagnac干涉儀測光纖長度的原理很簡單：光波信號在光纖中傳播所產生的相位延遲與光波的頻率以及光纖長度有關，也就是說，不同頻率的光在同樣的光纖中傳輸所得到的相位延遲是不同的。這種不同可以很方便的通過干涉現象分析出。基于頻移不對稱Sagnac干涉儀測光纖長度方法的分辨率很高，可以達到微米量級，且它所能測量的范圍較大，從幾米到幾十千米的光纖長度都可以測量。這種方法的誤差主要來源于對干涉信號中極小值點頻率的讀數誤差。

上面介紹的幾種測量光纖長度的方法，要么精度比較低，要么測量范圍比較小，再或者就是對設備要求高，結構復雜。我們利用量子糾纏光子對具有非定域、非經典的強關聯的特性，首次提出了一種新型的基于量子糾纏光源的光纖長度測量方法。該方法利用糾纏光子對的二階關聯函數以時間差為變量的特性，利用單光子探測器和符合測量裝置可以測量時間差t。根據l＝c·t，c是光速，可以實現計算出光纖的長度。

發明內容