[发明专利]单光子光学谐振腔的锁定方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学谐振腔，特别涉及光学谐振腔的锁定，具体为单光子光学谐振腔的锁定方法及其装置。

背景技术

光学谐振腔（又称为法布里-泊罗光学谐振腔）是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。通常由两块平行的平面或凹面反射镜构成。谐振腔的作用是选择通过频率一定、方向一致的光，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外。沿轴线运动的光子经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，最终在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的光束。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模，按频率区分的称为纵模，按方向区分的称为横模。在一个谐振腔内，只有频率满足一定共振条件的光才能在腔内来回反射形成稳定分布。光学谐振腔是获得理想的单色性和相干性的激光的核心器件，同时在其它的实际应用，如光通讯、激光光谱、精密计量等领域具有广泛的应用。

精密锁定光学谐振腔是有效运用的前提，在光学谐振腔锁定研究中，通常是采用强光进行，如采用Pound-Drever-Hall、Hansch Coiullaud、饱和吸收等锁定方法。强光锁定方法是在光学谐振腔的输出侧用探测器提取锁腔参考信号，该锁腔信号经处理后反馈给光学谐振腔（的压电陶瓷），从而构成一个信号反馈系统来实现光学谐振腔的锁定。但是在量子保密通讯和其他微弱信号检测场合下，光信号非常弱，以致达到单光子量级，探测器无法提取到锁腔参考信号，所以无法实现锁定。因此，目前未见能够用微弱光信号（单光子量级）来锁定谐振腔的方法。

发明内容

本发明解决目前无法用微弱光信号（单光子量级）来锁定谐振腔的问题，提供一种单光子光学谐振腔的锁定方法及其装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：单光子光学谐振腔的锁定方法，用频率为9.2KHz、电压幅度为3伏的正弦波信号对频率为1Hz的三角波信号进行调制而形成调制扫腔信号，用调制扫腔信号扫描光学谐振腔（即将调制扫腔信号施加于光学谐振腔的偏置控制端）而实现对入射单光子的调制；利用积分时间为30ms（毫秒）的锁相放大器对光学谐振腔输出的被调制单光子信号的同步累积进行解调得到锁腔参考信号，将锁腔参考信号在示波器上进行显示；减小三角波信号的电压幅值并通过调节三角波信号的偏置保证锁腔参考信号始终位于示波器中心，最终使三角波的电压幅值为零，此时将锁腔参考信号经PID（比例积分微分）控制器加在光学谐振腔偏置控制端，而实现对光学谐振腔的锁定。

本发明采用了对单光子进行调制并利用锁相放大器解调获得锁腔参考信号，实现了利用微弱光信号对谐振腔的锁定。利用调制解调的方法提高了锁腔参考信号的信噪比，能够可靠提取到锁腔参考信号。该方法可应用于激光检测、光纤通讯、单光子检测、激光光谱等相关领域。适用于光学谐振腔应用于自由空间和光纤的场合。

附图说明

图1为实现本发明所述方法的装置结构示意图；

图2为单光子探测器输出信号的频谱图；

图3为锁腔参考信号幅度随调制信号电压的变化图；

图4为锁相放大器信号幅度随调制信号频率的变化图；

图5为锁定前后谐振腔输出信号的对比图；

图6为锁腔参考信号在示波器上的形状；

图7为光学谐振腔透射信号在示波器上的形状。

图中：1-单频半导体激光器（1550nm）, 2-衰减器, 3-法布里-泊罗光学谐振腔, 4-单光子探测器（SPAD）, 5-锁相放大器, 6-PID控制器, 7-示波器, 8-函数发生器, 9-偏置控制器, 10-偏振分束器, 11-光电探测器。

具体实施方式

单光子光学谐振腔的锁定方法，用频率为9.2KHz、电压幅度为3伏的正弦波信号对频率为1HZ的三角波信号进行调制而形成调制扫腔信号，用调制扫腔信号扫描光学谐振腔（即将调制扫腔信号施加于光学谐振腔的偏置控制端）而实现对入射单光子的调制；利用积分时间为30ms（毫秒）的锁相放大器对光学谐振腔输出的被调制单光子信号的同步累积进行解调得到锁腔参考信号，将锁腔参考信号在示波器上进行显示；减小三角波信号的电压幅值并通过调节三角波信号的偏置保证锁腔参考信号始终位于示波器中心，最终使三角波的电压幅值为零，此时将锁腔参考信号经PID（比例积分微分）控制器加在光学谐振腔偏置控制端，而实现对光学谐振腔的锁定。