一個(gè)高精度的量子光纖傳感方案

陳娟　賈玉華

摘 要：近十幾年來(lái)，基于在傳感測(cè)量靈敏度和精確度等方面的特殊技術(shù)優(yōu)勢(shì)，量子傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展；量子傳感技術(shù)將為提升國(guó)家信息技術(shù)水平提供非常重要的基礎(chǔ)支撐。本文首先介紹了量子光纖傳感的研究現(xiàn)狀，提出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)高分辨率的強(qiáng)度調(diào)制型量子光纖傳感器方案，最后討論了量子光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用以及未來(lái)發(fā)展面臨的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：量子光纖傳感 量子信息 強(qiáng)度調(diào)制

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）03-000-02

一、概述

光纖傳感器是伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一種新型傳感器。光纖傳感器的基本原理是將光經(jīng)過(guò)光纖傳到調(diào)制感應(yīng)區(qū)，待測(cè)參數(shù)在感應(yīng)區(qū)對(duì)光施加相互作用后，光的相應(yīng)參數(shù)發(fā)生變化并成為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)和參變量轉(zhuǎn)換后獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感器用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學(xué)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，抗干擾、耐腐蝕，還能適應(yīng)各種惡劣的氣象環(huán)境，可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。光纖傳感器已廣泛用于位移、震動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變等測(cè)量。光纖傳感器在精密測(cè)量和探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用[1]，比如，光纖水聽(tīng)器在潛艇探測(cè)方面的應(yīng)用、光纖陀螺儀在精確制導(dǎo)武器和導(dǎo)航方面的應(yīng)用等。目前，傳統(tǒng)光纖水聽(tīng)器和光纖陀螺儀的測(cè)量精確度和探測(cè)靈敏度基本都達(dá)到理論極限并且與高精度探測(cè)的需求還有一定差距，這已成為精密測(cè)量、精確探測(cè)和定位技術(shù)發(fā)展的瓶頸，并制約相關(guān)高精尖裝備的發(fā)展。

光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，滿足了多種控制系統(tǒng)對(duì)信息獲取與傳輸?shù)母咭?，使得各領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，作為系統(tǒng)信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。目前，光纖傳感技術(shù)研究的主要方向包括（1）多用途，即一種光纖傳感器不僅只針對(duì)一種物理量，要能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量；（2）提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度；（3）新型傳感材料、傳感技術(shù)等。近十幾年來(lái)，基于在數(shù)據(jù)傳輸安全性、傳感測(cè)量靈敏度和精確度等方面的特殊技術(shù)優(yōu)勢(shì)，量子通信和量子傳感等量子信息技術(shù)[2-5]得到了快速發(fā)展，特別是具有較好應(yīng)用前景的量子光纖傳感技術(shù)也開(kāi)始得到越來(lái)越多的研究。

量子傳感器通常是指利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的用于感應(yīng)或測(cè)量被測(cè)量的裝置，量子傳感器被認(rèn)為是下一代高精確和高分辨率的傳感系統(tǒng)。量子傳感器的實(shí)現(xiàn)方法包括基于量子糾纏、激光冷原子和量子光纖傳感的實(shí)現(xiàn)方式。按功能區(qū)分，量子傳感技術(shù)主要包括量子光纖陀螺儀、量子光纖水聽(tīng)器、量子雷達(dá)、量子磁力儀和量子光纖傳感器等。目前，量子光纖傳感器具有更好的實(shí)用性。美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局DARPA已經(jīng)立項(xiàng)量子傳感器的研究專題。美國(guó)的NIST和Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主要從事基于TES的微觀粒子探測(cè)技術(shù)，基于超導(dǎo)SQUID的磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)等。

由于量子信號(hào)對(duì)干擾十分敏感，任何形式的傳輸損耗和干擾都將導(dǎo)致量子數(shù)據(jù)丟失或產(chǎn)生突發(fā)量子誤碼，利用這些原理可以用于設(shè)計(jì)量子光纖傳感器，并將在精密測(cè)量、精確探測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

以下首先介紹強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器基本原理，然后介紹一種強(qiáng)度調(diào)制型的量子光纖傳感器。

二、基本原理

傳統(tǒng)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的工作原理是[1]，利用被測(cè)量的擾動(dòng)改變光纖中的光信號(hào)（寬譜光或窄帶光）的強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量輸出光強(qiáng)的變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的測(cè)量。由于環(huán)境參數(shù)變化擾動(dòng)與光強(qiáng)損耗存在較好的線性關(guān)系，強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的性能比較穩(wěn)定，靈敏度和測(cè)量精確度都比較高。目前強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器依然是應(yīng)用最廣泛的一種光纖傳感器。由于強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的理論模型還不夠系統(tǒng)化，并且由于傳感器的測(cè)量結(jié)果取決于射入光強(qiáng)變化特性、傳感光纖的耦合損耗、傳輸損耗、光電器件的耦合損耗等綜合因素，因此測(cè)量精確度有限。傳統(tǒng)強(qiáng)度調(diào)制型光纖位移傳感器（比如圖1所示的透射式光纖位移傳感器）的分辨率很難達(dá)到nm量級(jí)。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)光纖傳感器的性能分析發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)光纖傳感器的不敏感區(qū)域或盲區(qū)，對(duì)量子傳感系統(tǒng)來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)具有更高自由度的極其敏感的測(cè)量區(qū)域，這正好是設(shè)計(jì)量子光纖傳感器的良好基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)光纖彎曲式強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，在光纖極度彎曲的情況下并緩慢松開(kāi)的過(guò)程中，量子信號(hào)檢測(cè)器對(duì)通過(guò)彎曲光纖的光子數(shù)極其敏感，而傳統(tǒng)的光纖信號(hào)檢測(cè)儀器存在一定的測(cè)量盲區(qū)。

下面介紹如何基于強(qiáng)度調(diào)制型透射式光纖位移傳感器實(shí)現(xiàn)一個(gè)更高分辨率的強(qiáng)度調(diào)制型量子光纖傳感器。對(duì)于多模透射式光纖位移傳感器（如圖1所示），其耦合系數(shù)與軸間距的關(guān)系為：

其中N是光纖纖芯折射率與包層折射率的比值，r是光纖纖芯半徑，x是軸間距。根據(jù)公式（1）計(jì)算，多模透射式光纖位移傳感器的耦合系數(shù)與軸間距具有較好的線性關(guān)系（如圖2所示）。

通過(guò)計(jì)算可以可知，在射入光強(qiáng)度為0dBm、多模纖芯半徑r=1×10-4m的情況下，當(dāng)耦合系數(shù)達(dá)到-70dB量級(jí)時(shí)，即位移x與纖芯半徑r之比接近1.9999時(shí)，輸出光強(qiáng)已達(dá)到幾十到幾百pW的變化量，由于光纖傳感器的工作方式和檢測(cè)方法的局限性，傳統(tǒng)光纖位移傳感器已不敏感。本文稱x/r大于1.9999并小于2的取值區(qū)間為傳統(tǒng)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的極限區(qū)域。但是這個(gè)極限區(qū)域?qū)τ诰哂懈邷y(cè)量精度的測(cè)量?jī)x器（比如pW量級(jí)分辨率的功率計(jì)或具有更高分辨率的單光子計(jì)數(shù)器）來(lái)說(shuō)依然是一個(gè)較強(qiáng)的光信號(hào)，并且能夠被準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)。

三、強(qiáng)度調(diào)制型量子光纖傳感器

與傳統(tǒng)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的思路不同，我們采用如圖3所示的傳感方式（其中隔光板的作用是消除環(huán)境噪聲干擾，同時(shí)避免強(qiáng)光進(jìn)入傳感光纖），即從傳統(tǒng)光纖傳感器耦合系數(shù)的極限值開(kāi)始移動(dòng)（并且僅僅在極限值區(qū)域內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量），任意小的位移都將導(dǎo)致一定數(shù)量級(jí)的光子進(jìn)入傳感器，可以根據(jù)單光子計(jì)數(shù)器檢測(cè)到的光子數(shù)量水平或光強(qiáng)大小測(cè)量位移等環(huán)境變化量，同時(shí)也可以采用高分辨率的功率計(jì)進(jìn)行直接測(cè)量。

如圖3所示的透射式光纖位移傳感器，在不考慮實(shí)際傳感器的硬件系統(tǒng)參數(shù)影響的情況下，當(dāng)耦合系數(shù)為-140dB時(shí)，位移量為10-9r； 當(dāng)耦合系數(shù)為-125dB時(shí)，位移量為10-8r，以此類(lèi)推。比如對(duì)于r=1×10-4m的多模光纖傳感器，當(dāng)傳感光纖位移從0.001nm變化到0.01nm時(shí)，即軸間距從1.99999999r移動(dòng)到1.9999999r，其耦合系數(shù)相差約15dB，也即一個(gè)數(shù)量級(jí)的位移具有大約15dB的自由度，因此靈敏度更高。由于此時(shí)的耦合系數(shù)小于-110dB，它對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器和檢測(cè)器來(lái)說(shuō)是一個(gè)不可分辨的光強(qiáng)波動(dòng)，而對(duì)于具有量子分辨率的功率計(jì)或單光子計(jì)數(shù)器來(lái)說(shuō)依然是一個(gè)較強(qiáng)的光信號(hào)，并且只要有任何一點(diǎn)位移，就會(huì)導(dǎo)致光子射入傳感光纖，進(jìn)而被單光子計(jì)數(shù)器測(cè)量出來(lái)，因此可以根據(jù)光子數(shù)的多少判別這種微小位移量的大小。

根據(jù)公式（1）計(jì)算，當(dāng)比值x/r從1.9999增加到1.99999999時(shí)，光強(qiáng)損耗約為60dB，相當(dāng)于位移在10-4r到10-8r之間，每一個(gè)數(shù)量級(jí)上有15dB的自由度，因此，對(duì)于具有量子分辨率的功率計(jì)或單光子計(jì)數(shù)器來(lái)說(shuō)是可以利用的自由度。從圖4可以看出，當(dāng)x/r從1.99999增加到1.999999時(shí)，耦合系數(shù)相差約15個(gè)dB，位移與耦合系數(shù)具有更好的線性關(guān)系，可以通過(guò)直接測(cè)量微弱傳感光信號(hào)的光功率或單光子數(shù)量水平對(duì)微弱環(huán)境干擾（位移、溫度、壓力、輻射等）進(jìn)行直接測(cè)量。因此這個(gè)區(qū)域是進(jìn)行高精度測(cè)量的理想?yún)^(qū)域，在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量具有更高的靈敏度和分辨率。

研究表明，量子光纖傳感器的分辨率比傳統(tǒng)光纖傳感器高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

四、結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)高、精、尖技術(shù)發(fā)展瓶頸問(wèn)題的解決需要新型的技術(shù)途徑，量子光纖傳感器技術(shù)在突破測(cè)量精確度、探測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度等方面將發(fā)揮重要作用， 基于本文提出的方法可以設(shè)計(jì)量子光纖水聽(tīng)器，在海洋探測(cè)和測(cè)量領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。但是設(shè)計(jì)可投入實(shí)用的量子光纖水聽(tīng)器等量子光纖傳感器依然具有較大的難度，加大投入對(duì)于相關(guān)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。

總之，近十年，量子傳感技術(shù)發(fā)展迅速，方興未艾。量子傳感的新型應(yīng)用途徑也值得深入發(fā)掘。毋庸置疑，量子傳感在信息技術(shù)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用將改變未來(lái)信息對(duì)抗的格局。

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作者簡(jiǎn)介：陳娟（1982.12-），女，漢族，河南商水，工程師/本科，目前主要從事高性能光纖傳感技術(shù)研發(fā)。