[发明专利]基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及弱光探测或者光子计数技术领域，更具体涉及一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的方法，同时还涉及一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的装置，适用于自由空间量子通信、(星-地)激光通信、荧光型(测温，测风)激光雷达等系统在宽频谱的背景光中提取弱光或者光子信号，也适用于制作光储存器、高频光子计数器和光子开关等量子器件。

背景技术

利用原子滤波方法制作的高效率量子器件，已经应用在长距离(机-机、星-星)激光通信演示、海洋温度测量、温度和风等大气特性的荧光型激光雷达探测等领域。由于在量子通信里，使用nm带宽量级的干涉滤波片，大气空间的背景噪声(日光等)相对于携带信息的光子信号具有较高光强和宽频谱范围的特性，携带信息的光子信号会淹没在日光背景噪声中。如何减少自由空间量子通信中由背景光噪声引起的误码率，从而实现在日光环境下大气空间背景条件探测携带信息的微弱光子信号，是方法或者技术上的挑战。

针对本发明应用背景的已有相关文章和专利的技术方案如下：

1)从“使用原子滤光器的空间量子通信装置”[孙献平，李若虹，罗军，詹明生.，中国发明专利号：ZL200310111370.4]和“Free-space quantum keydistribution with Rb vapor filters”[Xin Shan，Xianping Sun，Jun Luo，Zheng Tanand Mingsheng Zhan.，Applied Physics Letter，89，191121(2006)]可知：A、技术方案——因为色散型原子滤光器的～GHz带宽比干涉滤波片的nm带宽要窄～3个多数量级以上，对于自由空间量子通信，选择使用色散原子滤光器抑制背景光噪声；B、其原理是利用的传统法拉第反常色散效应——强的磁光作用使得信号光偏振面发生旋转；C、其结构是一对偏振面正交放置的格兰棱镜中间放置一个蒸汽泡，蒸汽泡的外面加有磁场；D、存在的问题：尽管实验演示表明在量子通信里使用色散型原子滤光器是一个较好的选择，减少了通信误码率，量子通信系统性能获得显著改进。但是，当接收光学与太阳相对、且不使用微孔空间滤波和时间窗口滤波方法时，仍会增加误码率，影响安全密钥的获取。

2)为了解决上述问题，在“喇曼光放大的原子滤波方法及装置”[单欣，孙献平，罗军，詹明生，中国发明专利号：200810046862.2]和“Ultranarrow-bandwidth atomic filter with Raman light amplification”[Xin Shan，Xianping Sun，Jun Luo and Mingsheng Zhan.，Optics Letters，3316(2008)，1842.]建立了一种喇曼光放大的原子滤波方法和装置，其具有超窄带宽(几十MHz)特性并能实现数十倍量级微弱信号的有效光放大，从而更有效地抑制背景光噪声。A、技术方案——利用喇曼光放大方法，加上色散原子滤波方法；B、其原理是将信号进行喇曼光放大，再使用色散原子滤光器抑制背景光，选通信号光；C、其结构是：一束耦合光和一个蒸汽泡组合用作喇曼光放大器，再加上一个蒸汽泡用作色散原子滤波器，我们称为双泡型；D、存在的问题：由于使用了双原子蒸汽泡组合方式，复杂化了装置。

3)为了克服上述双泡型喇曼光放大的原子滤波方法中存在的问题，我们在发明专利申请“集合式拉曼增强原子蒸汽滤波信号方法与装置”[孙献平，谭政，罗军，詹明生.，中国发明专利申请号：200910273490.1]中实现了一种新方法，A、技术方案——使用单个蒸汽泡，即用作喇曼光放大，也用作原子滤波；B、其原理是当耦合光与微弱信号光传输通过单个蒸汽泡前一部分时，其的部分放置于磁场里)，能够满足原子受激拉曼增益条件，而通过蒸汽泡后一部分时，因为外面加有磁场，又能满足原子蒸汽的法拉第反常色散条件，达到喇曼光放大和色散原子滤波由一个蒸汽泡实现；C、其结构是：在一个原子蒸汽泡外面部分地加有磁场，信号光入射好出射蒸汽泡的两端放置有偏振面相互垂直的格兰棱镜；D、存在的问题：尽管单泡型方法简化了双泡型喇曼光放大的原子滤波的装置，获得了增益因子大于10倍的光放大信号。与色散原子滤波器相比，保持了高抑制比等特性，但是，其滤波透射峰的线宽减窄的不理想，仍然需要进一步地改进。

另外，对于效率提高、性能改进、应用更广泛的目的，发展全新方法的超窄带宽原子滤波总是迫切的需求。而且，随着量子信息技术的发展，在光速调控以及量子存储等领域也需要一种不同于色散型滤波器的、工作频率可以调谐至原子共振频率的超窄带宽原子滤波方法和装置。

发明内容