压缩态光场平衡零拍探测的位相锁定.doc

精品论文压缩态光场平衡零拍探测的位相锁定张岩，于旭东，李卫，张靖（山西大学光电研究所，量子光学与光量子器件国家重点实验室，太原 030006）5摘要：平衡零拍探测是测量量子光场的重要方法之一.通过对相位灵敏光学参量放大器注入 的信号进行位相调制,然后利用平衡零拍探测系统测量光学参量放大器输出的压缩光.将相位 灵敏光学参量分别运转在参量放大和参量缩小,通过观察噪声谱中的调制信号就可确定测量 的量子光场是光正交振幅或位相分量.通过解调位相调制信号可获得误差信号,实现锁定平衡 零拍探测系统本底光与待测光场相对位相为零（对应于待测光场振幅噪声分量）.10关键词：量子光学；平衡零拍探测；位相锁定中图分类号：043Locking the Phase of Balanced Homodyne Detection System for Squeezed Light15Zhang Yan, Yu Xudong, Li Wei, Zhang Jing(State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute ofOpto-Electronics,Shanxi University, TaiYuan 030006)Abstract: The balanced homodyne detection technical is an important method to detect the quantum light field. The signal light injected into the phase sensitive OPA is phase modulated.20The output squeezed light of OPA is detected by the balanced homodyne detection system. Whenthe phase sensitive OPA is operated at parametric amplification and deamplification respectively, we can judge which the quadrature components of the quantum light field are measure by observing the modulation signal. We can demodulate the phase modulation signal to achieve the error signal, which is used to lock the relative phase of zero between the local and the quantum25light field (corresponding to the quadrature-amplitude of the unknown light field).Keywords: quantum optics; balanced homodyne detection; lock the phase0引言平衡零拍探测系统是一种非常重要的光学测量装置,它可以用来测量光场的正交分量量30子起伏,因此在非经典光场的探测、量子通信与量子信息等方面有着广泛的应用1-7.它由一个50/50 光学分束器、两个高量子效率光探测器,和一个电子信号减法器构成.用一束功率远大于 待测光场的激光与待测光场在 50/50 分束器上进行相干耦合,此束相对较强的光称为本底光. 两个探测器分别探测分束器的两出射光,并将所得光电流信号相减,理想情况下输出信号正比 于待测光的正交分量噪声.其测量结果与本底光与待测光场的相对位相有着密切关系.在压缩- 8 -35光的测量中, 当本底光与待测光场的位相差为零或2交位相噪声8.时, 测量的结果分别为正交振幅或正进行平衡零拍探测时,通常可以使用人工扫描或搜索本底光与待测光场的相对位相来测 噪声,但在量子信息与量子通信的许多应用中需要固定测量某一正交分量量子噪声.2003 年, 美国 H. J. Kimble 小组进行量子离物传态的实验时,为了同时锁定两套平衡零拍探测系统中基金项目：国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目(批准号：2011CB921601),国家自然科学基金(批准号：11234008),国家自然科学基金创新研究群体(批准号：61121064),国家教育部博士点基金(批准号：20111401130001)作者简介：张岩，（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向：量子光学。通信联系人：张靖，（1974-），男，教授，主要从事连续变量量子信息、超冷原子冷却、以及激光技术等 方面的研究。E-mail: jzhang7440两待测光的相对位相,在光路上加上位相调制,从而锁定本底光与待测光的相对位相分别为零 9和.2006 年,澳大利亚国立大学的 P. K. Lam 小组通过对光学参量振荡器注入信号光加上2位相调制,将输出压缩光场与本底光锁在相对位相为零处,测得大于 3 dB 的正交分量压缩噪 声10.本文采用对 PPKTP 晶体构成的相位灵敏光学参量放大器注入信号光进行位相调制,利 用平衡零拍探测系统测量光学参量放大器输出压缩光.将相位灵敏光学参量分别运转在参量45放大和参量缩小,通过观察噪声谱中的调制信号就可确定测量的量子光场是光正交振幅或位 相分量.通过解调位相调制信号可获得误差信号,实现锁定平衡零拍探测系统本底光与待测光 场相对位相为零, 测得 2 dB 的正交分量压缩噪声.1理论分析1.1 平衡零拍探测测量噪声谱随的变化50图 1 平衡零拍探测装置如图 1 所示,待测光场 as 和本底光 aL 经过一个 50/50 分束器相干涉产生 c,d 两束光,分+别由探测器探测.这里 as 和 as分别表示待测量光场的湮灭和产生算符,aL 和 aL表示本底55光的湮灭和产生算符,它们满足对易关系a, a+ = 1 ,c,d 输出光场可表示为：c = 1 (a+ ei a) , d =1 (a ei a) .（1）22sLsL探测器的输出光电流经过减法器输出为：+i+ i+I = c c d d = e asaL + eaLas .（2）由于本底光为强的相干光,则 为本底光 aL 的平均值,平衡零拍探测要求本底光强度远60大于待测光场强度,因此频谱仪测量得到减法器输出光电流起伏i为：ssi 2 I = 2 2 ei a+ + ei a = 2 2Xs cos + Ys sin （3）sss其中 , 为本底光与待测光场的相对位相 , X = a + a+为待测 光场正交振幅算 符, Ys = i(as as ) 为待测光场正交位相算符.当 = 0 时,所测为待测光场正交振幅噪声分量；当 = 时,所测为待测光场正交位相噪声分量.2651.2 平衡零拍探测锁相的鉴频信号信号光经过位相调制器后其光场振幅为：i (t + sin t )Esignal = E1e,（4）当调制幅度较小时可以通过 Bessel 函数一阶展开表达为：iti ( + )ti ( )tEsignal E1 J 0 ( )e+ J1 ( )e J1 ( )e ,（5）70可以看出,调制后的激光变为含有三个频率成分的激光,频率为 的载频和频 率为 ± 的边带,这里 为调制频率, 为调制深度.平衡零拍探测的本底光的振幅可以表示为：1Elocal = E2eit （6）当本底光与待测光场在 50/50 分束器上干涉耦合后,其中一臂的光场振幅为：75Eout =( Esignal + Elocal e2i ).(7)平衡零拍探测一臂的光场由探测器探测输出光电流为：P= E E*outout out= 1 ( E+ Eei ) ( E*+ E*ei )2signallocalsignallocal(8)2= 1 ( E+ EE*ei + E*Eei + E2 )，2signalsignal localsignal locallocal22 2 2 2 2 2it 22itE= E 2其中 Esignal= E1 J0 ( ) + 2J1 ( ) J1 ( )e J1 ( )e， local2 ,E E e*signal local i= E1 E2 J0 ( )e i+ J1 ( )ei( t ) J1 ( )e i (t + ) ，EEe* i80signal local为:= E1 E2 J0 ( )e+ J1 ( )e i ( t ) J1 ( )ei ( t + ). 探测输出光电 流简化22i E J 2 ( ) + 2J 2 ( ) + E+ 2E E J( ) cos 1 0 1 2 1 2 0P = 1 +4E E J ( ) sin t sin ，out2 1 2 1（9）+ ( 2terms )可以看到探测输出光电流包含直流项、 项和 2 项,其中 2 项属于高阶项可以忽 略.可以看出,平衡零拍探测一臂探测器输出的交流信号主要是位相调制 频率的信号,并且85信号强度大小依赖于本底光与待测光场的相对位相 .当 =0 时,调制信号强度最小,其值为零；当 = 时,调制信号强度最大.2将从信号源分出的一部分调制信号 cos ( t + ) 和平衡零拍探测一臂探测器输出的交 流信号同时送入混频器,其中 为射频信号源与探测器输出交流信号的相对位相.混频信号经过低通滤波器将频率大于或等于 的信号滤掉后得到：90S = E1E2 J1 cos ( + ) cos ( )= E1E2 J1 sin sin （10）该输出为锁定本底光与待测光场相对位相的鉴频信号,可将本底光与待测光场相对位相锁定在 = 0 .当调节相位 为 ,此时鉴频曲线强度最大.21.3 参量放大和参量缩小时噪声谱与鉴频信号随变化的对应关系95图 2 参量放大时噪声谱与鉴频信号随 变化时的对应关系当相位灵敏光学参量放大器运转在参量放大状态时,待测光场的正交位相分量噪声被压缩,而正交振幅分量噪声被放大.锁定本底光与待测光场相对位相,此时所测量的是待测光场 正交振幅分量,该分量为反压缩,量子起伏高于散粒噪声基准（SNL）,如图 2 所示.100图 3 参量缩小时噪声谱与鉴频信号随 变化时的对应关系当相位灵敏光学参量放大器运转在参量缩小状态时,待测光场的正交振幅噪声被压缩,而位正交位相分量噪声被放大.锁定本底光与待测光场相对位相,此时所测量的是待测光场正交105110115120125振幅分量,该分量低于散粒噪声基准（SNL）如图 3 所示.2实验装置和结果图 4 实验装置图实验装置如图 4 所示, 主要装置包括：激光器, 模清洁器, 光学参量放大器(Optical parametric amplifier，简记为 OPA)腔,OPA 腔长及位相锁定系统,平衡零拍探测系统和其位相 锁定系统.单频全固化内腔倍频激光器同时输出 532 nm 的绿光和 1064 nm 的红外光,经过分色镜后 将两束光分开.红外光通过单模保偏光纤,光纤对红外光具有空间模式清洁作用,获得具有很 好高斯分布的激光光束.光纤的输出光经过格兰棱镜后分为两束,一束作为平衡零拍探测的本 底光,另一束则经过位相调制器后注入 OPA 腔作为信号光.绿光注入 OPA 腔,作为 OPA 腔的 泵浦光,OPA 腔采用两镜驻波腔结构, 非线性晶体采用准相位匹配晶体 PPKTP 晶体, (OPA 腔 的详细参数见发表文章11-14).红外光在腔中进行参量振荡产生压缩光.OPA 腔另一端输出光 包含红外压缩光（待测光场）与透射的绿光,经过一个分色镜将两束光分离,绿光由探测器探 测其模式.红外压缩光输出的 2-5%由红外探测器三探测, 探测器输出直流信号用于监视红外 光模式,探测器输出交流信号分为两路,分别通过两个锁相放大器锁定 OPA 腔及红外光与绿 光相对位相.大部分输出红外压缩光通过平衡零拍探测器进行探测.平衡零拍探测器的位相锁 定系统是通过对注入 OPA 腔信号光进行位相调制.射频信号源输出信号为频率是 2.3 MHz 的 正弦波,它分为两路,其中一路加到位相调制器上,另一路输入到混频器中,与平衡零拍探测器 其中一只探测器的信号混频,解调出平衡零拍探测系统本底光与待测光场相对位相的信息.混频器的输出信号经过一个低通滤波器后进入 PID 控制电路.通过压电陶瓷来扫描 来观测鉴 频信号（扫描电压如图 5 中黑线所示）,并调节 使鉴频信号达到最大（如图 5 中蓝线所示）.鉴频信号反馈控制本底光反射镜上的压电陶瓷来锁定本底光与待测光场相对位相.130图 5 扫描 时的鉴频曲线135首先考虑相位灵敏光学参量放大器运转在参量放大状态,此时输出的压缩光为正交位相分量被压缩低于散粒噪声基准,正交振幅分量被放大高于散粒噪声基准.利用锁相放大器锁定 红外光与绿光相对位相,使光学参量放大器运转于参量放大状态,调节腔前注入红外光功率使 参量腔输出功率约为 4 微瓦,调节本底光功率约 160 微瓦.首先挡住待测压缩态光场,因此平衡 零拍探测器的输入待测光场为真空光场,此时平衡零拍探测器测得噪声谱为散粒噪声基准,如 图 6 中蓝线 b 所示.然后打开待测压缩态光场,锁定本底光与待测光场相对位相,此时测得高于 散粒噪声基准 4 dB 的反压缩噪声,如图 6 中黑线 a 所示.此时,观测不到 2.3 MHz 的调制信号, 因此我们锁定的是本底光与待测光场相对位相为零状态,所测量得到的噪声谱是待测光场正140交振幅噪声分量.当解开 PID 锁定,搜索本底光与待测光场相对位相到2处,此时测得低于散粒噪声基准 2dB 的压缩噪声,如图 6 中红线 c 所示.此时观测到 2.3 MHz 的调制信号幅度最大,所测为待测光场正交位相噪声分量.145a:反压缩噪声 b:散粒噪声基准 c:压缩噪声图 6 参量放大过程测得噪声150当考虑相位灵敏光学参量放大器运转在参量缩小状态,此时输出的压缩光为正交振幅分量被压缩低于散粒噪声基准,正交位相分量被放大高于散粒噪声基准.首先将光学参量放大器 锁定在参量反放大状态.调节腔前注入红外光功率使参量腔输出功率约为 2 微瓦,当锁定本底 光与待测光场相对位相,此时测得 2 dB 压缩噪声,如图 7 中红线 g 所示.此时 2.3 MHz 的调制 信号最小(与前面理论分析一致),所测为待测光场正交振幅噪声分量,本底光与待测光场相对位相为零.解开 PID 锁定,搜索本底光与待测光场相对位相到2处,此时测得 4 dB 反压缩噪声,如图 7 黑线 e 所示.此时 2.3 MHz 的调制信号最大(与前面理论分析一致),所测为待测光场正 交位相噪声分量.155160165e:反压缩噪声 f:散粒噪声基准 g:压缩噪声 图 7 参量反放大过程所测噪声3结论本文研究了对光学参量放大器注入的信号进行位相调制,利用平衡零拍探测系统测量光 学参量放大器输出的压缩光,通过观察噪声谱中的调制信号就可确定测量的量子光场是光正 交振幅或位相分量.通过解调位相调制信号可获得误差信号,实现锁定平衡零拍探测系统本底 光与待测光场相对位相.该技术将用于量子纠缠测量及量子通信实验中.参考文献 (References)1701751801851 Braunstein S L, Loock P V 2005 Rev. 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