一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统
阅读：1发布：2020-07-20
专利汇可以提供一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于光学测量领域，提出了一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统，解决了 现有技术 中光场二阶相干时间测量准确度低、测量过程易受到噪声影响等问题。该系统包括 耦合器 ，HBT系统，第一恒比鉴相器，第一时数转换器，第一 光电倍增管 ，第二光电倍增管，第二恒比鉴相器，第二时数转换器， 存储器 和 数据处理 器，所述HBT系统包括滤波片和分光镜。本发明获得的混沌光场相干时间数值稳定、受噪声的影响较小、数学过程处理简单；可广泛应用于测量混沌光场、热光场的二阶相干时间，及提高得到光场相干时间实验 精度 等量子光学领域。，下面是一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统专利的具体信息内容。
1.一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统，其特征在于，包括耦合器，HBT系统，第一恒比鉴相器，第一时数转换器，第一光电倍增管，第二光电倍增管，第二恒比鉴相器，第二时数转换器，存储器和数据处理器，所述HBT系统包括滤波片和分光镜，混沌光场输出的光经耦合器进入所述HBT系统，经所述滤波片滤光后，由所述分光镜分成两束光输出后分别由第一光电倍增管和第二光电倍增管接收，所述第一光电倍增管的信号输出端与第一恒比鉴相器的输入端连接，所述第一恒比鉴相器的输出端与第一时数转换器的输入端连接，第一时数转换器的输出端与所述存储器连接，所述第二光电倍增管的信号输出端与第二恒比鉴相器的输入端连接，所述第二恒比鉴相器的输出端与所述第二时数转换器的输入端连接，所述第二时数转换器的输出端与所述存储器连接，所述第一时数转换器和第二时数转换器分别用于记录所述第一恒比鉴相器和第二恒比鉴相器输入脉冲的时间，并将记录时间的数字信号其发送给所述存储器，所述存储器用于存储所述第一时数转换器和第二时数转换器的发送的数字信号，并发送给所述数据处理器，所述数据处理器用于根据所述存储器的输出信号，计算得到混沌光场的相干时间。
2.根据权利要求1所述的一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统，其特征在于，所述第一光电倍增管和第二光电倍增管为Aurea Technology LYNXEA.NTR.M2型的双通道单光子探测器。
3.根据权利要求1所述的一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统，其特征在于，所述数据处理器计算混沌光场相干时间的步骤为：
将采集到的数据进行归一化得到数据D1(τ)；
将归一化后的数据D1(τ)做卷积运算，得到卷积的九阶值D9(τ)，卷积公式为其中，τ表示时间，n＝2，3，4，……9；
去掉九阶值D9(τ)数据中下降的部分，然后对九阶值D9(L)进行归一化处理，得到光场的九阶二阶相干度
根据公式g(2)(τ)＝1+b*exp(2τ/τc)，将光场的九阶二阶相干度 代入进行拟合，得到光场的相干时间。
一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统
技术领域
[0001] 本发明属于光学测量领域，具体涉及一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统。
背景技术
[0002] 混沌激光场由于其频谱宽、类噪声、长期不可预测、复杂度大等特性满足信息安全及密码学的基本要求，在当今电子商务和金融证券网上交易普及的趋势下，已引起了人们的广泛关注和深入的研究，并被应用到高速远程混沌保密通信、快速物理随机数产生、基于公共信道的混沌密钥分发等诸多领域。1994年，Colet等首先讨论了两个固体激光器实现混沌同步的可能性(参见文献P.Colet，R.Roy.Digital communication with synchronized chaotic lasers[J].Opt.Lett.，1994，19(24):2056～2058)，从此，以光信号为混沌载波的混沌光通信开始发展起来。之后的十多年间，相关混沌光场的产生及应用方面得到迅速发展.2005年，欧洲七个国家共八个研究组织在商用的光通信网络中完成了基于半导体激光-7器传输距离120km，速率1Gb/s，误码率10 的混沌保密通信。2007年，台湾清华大学林凡异博士等研究了混沌光通信在Radio Over Fiber通信技术中的应用。(参见文献F.Y.Lin，M.C.Tsai.Chaotic communication in radio-over-fiber transmission based on optoelectronic feedbacksemiconductor lasers[J].Opt.Express，2007，15(2):302～
311)之后在光通信高速发展的推动下，有关混沌激光保密通信的研究一直十分活跃。但相关混沌光场的研究主要集中在时域和频域等宏观动力学特性，而判别分析混沌光场的方法主要是通过观测时域强度起伏、频谱宽度，分析系统的李雅普诺夫指数(Lyapunov exponent)、分叉图等来确定分岔点、普适费根鲍姆常数(universal Feigenbaumconstant)及周期性等多方面的信息，最终确定混沌状态并与噪声进行区分，但是并不能得到光场的高阶相干性及光子统计分布等方面的更多信息。相干时间作为混沌光场的重要参数，混沌光的相干时间相比于普通激光器相比很小，测量得到更加准确的相干时间对提高混沌光的特性有着重要的作用。
311)之后在光通信高速发展的推动下，有关混沌激光保密通信的研究一直十分活跃。但相关混沌光场的研究主要集中在时域和频域等宏观动力学特性，而判别分析混沌光场的方法主要是通过观测时域强度起伏、频谱宽度，分析系统的李雅普诺夫指数(Lyapunov exponent)、分叉图等来确定分岔点、普适费根鲍姆常数(universal Feigenbaumconstant)及周期性等多方面的信息，最终确定混沌状态并与噪声进行区分，但是并不能得到光场的高阶相干性及光子统计分布等方面的更多信息。相干时间作为混沌光场的重要参数，混沌光的相干时间相比于普通激光器相比很小，测量得到更加准确的相干时间对提高混沌光的特性有着重要的作用。
[0003] 光场的相干时间与其二阶相干度相关，测量二阶相干度的理论公式为其中，n1(t)，n2(t+τ)为两个探测器分别为在t，t+τ时记录到的光子数，延迟时间为τ。如果要得到实际的二阶相干度函数曲线，需要人为取τ描点作图，非常麻烦。
发明内容
[0004] 本发明为了解决现有技术中，混沌光场二阶相干度和相干时间的测量值与理论值相差较大的问题，提供了一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统，利用高速时数转换以及卷积的数据处理，可以精确测量混沌光场的相干时间。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统，包括耦合器，HBT系统，第一恒比鉴相器，第一时数转换器，第一光电倍增管，第二光电倍增管，第二恒比鉴相器，第二时数转换器，存储器和数据处理器，所述HBT系统包括滤波片和分光镜，混沌光场输出的光经耦合器进入所述HBT系统，经所述滤波片滤光后，由所述分光镜分成两束光输出后分别由第一光电倍增管和第二光电倍增管接收，所述第一光电倍增管的信号输出端与第一恒比鉴相器的输入端连接，所述第一恒比鉴相器的输出端与第一时数转换器的输入端连接，第一时数转换器的输出端与所述存储器连接，所述第二光电倍增管的信号输出端与第二恒比鉴相器的输入端连接，所述第二恒比鉴相器的输出端与所述第二时数转换器的输入端连接，所述第二时数转换器的输出端与所述存储器连接，所述第一时数转换器和第二时数转换器分别用于记录所述第一恒比鉴相器和第二恒比鉴相器输入脉冲的时间，并将记录时间的数字信号其发送给所述存储器，所述存储器用于存储所述第一时数转换器和第二时数转换器的发送的数字信号，并发送给所述数据处理器，所述数据处理器用于根据所述存储器的输出信号，计算得到混沌光场的相干时间。
[0006] 所述第一光电倍增管和第二光电倍增管为Aurea Technology LYNXEA.NTR.M2型的双通道单光子探测器。
[0007] 所述数据处理器计算混沌光场相干时间的步骤为：
[0008] 将采集到的数据进行归一化得到数据D1(τ)；
[0009] 将归一化后的数据D1(τ)做卷积运算，得到卷积的九阶值D9(τ)，卷积公式为其中，τ表示时间，n＝2，3，4，……9；
[0010] 去掉九阶值D9(τ)数据中下降的部分，然后对九阶值D9(τ)进行归一化处理，得到光场的九阶二阶相干度
[0011] 根据公式g(2)(τ)＝1+b*exp(2τ/τc)，将光场的九阶二阶相干度 代入进行拟合，得到光场的相干时间。
[0012] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0013] (1)、本发明可以测量半导体激光器产生的混沌光场相干时间，与传统的方法相比，不需要手动的改变单光子探测器上的延迟时间，而是在一次测量中将从0过渡到设定的门宽值的延迟时间全部记录下来并进行数值统计(时数转换器记录的两光子之间的时间间隔相当于后一个光子落后于前一个光子的延迟时间)，有效的避免了人为设定延迟时间的不准确性导致不能有效的得到二阶相干度变化的全部信息，从而为得到准确的混沌光场相干时间提供了方便；
[0014] (2)、通过对采集数据进行自卷积，得到光子对时间间隔分布，并通过9阶二阶相干度g(2)9(τ)进行相干时间拟合，提高了相干时间的测量精度；
[0015] (3)、当探测器的分辨时间越高时，测量的光子对的分布就越接近理论光子对的时间间隔分布，利用这一趋于理论值的分布，通过数学处理方法就能理论上无限的卷积得到趋于理论值的实验值。这为得到测量精度更高的二阶相干度提供了一个思路即通过技术革新手段提高探测器的分辨时间从而能得到准确度更高光子对的时间间隔分布，得到的光场二阶相干度越准确，通过拟合得出的光场的相干时间也就越准确。利用本专利提供的方法，可以用来得到不同光场如热光、混沌光、及聚束类型光的精度更高的二阶相干度，从而为能够得到更准确的光场相干时间，从而能够了解混沌光在量子水平上的微观性质。附图说明
[0016] 图1是本发明一种一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统的结构示意图；
[0017] 图2是得到的最好混沌状态的时序图；
[0018] 图3是得到的最好混沌状态的频谱图；
[0019] 图4是通过图1装置测量所得原始数据；
[0020] 图5是数据处理得到的各阶值的二阶相干度，图中，由下到上，依次为一阶二阶相干度 到九阶二阶相干度
[0021] 图6是对 进行拟合后的结果；
[0022] 图1中：1-分布式反馈半导体激光器；2-温控电压源；3-温控电流源；4-偏振控制器；5-环形器；6-80:20光纤耦合器；7-第一可变光衰减器；8-50:50非偏振分束器；9-光电探测器；10-带宽示波器或频谱仪；11-第二可变光衰减器；12-分光镜；13-HBT系统；14-滤波片；15-第一光电倍增管；16-第二光电倍增管；17-第一恒比鉴相器；18-第二恒比鉴相器；19-第一时数转换器；20-第二时数转换器；21-累积缓冲区。
具体实施方式
[0023] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024] 如图1所示，为本发明实施例提供的一种利用高速时数转换精确测量混沌光场相干时间的系统的结构示意图，该装置包括耦合器，HBT系统13，第一光电倍增管15，第一恒比鉴相器7，第一时数转换器19，第二光电倍增管16，第二恒比鉴相器18，第二时数转换器20，存储器21和数据处理器。所述HBT系统包括滤波片14和分光镜12，滤波片14设置在光经过分束器12之前，用于将空间中的杂散光给滤除。
[0025] 本实施例中，混沌光源主要由一台分布式反馈半导体激光器1外加一个外腔光反馈系统构成。在温控电压源2和温控电流源3控制下将分布式反馈半导体激光器1的中心波长稳定在1554nm，其阈值电流为Ith＝10.6mA。分布式反馈半导体激光器1发出的光经过偏振控制器4和环形器5之后进入80:20的光纤耦合器6，80％的部分经过第一可变光衰减器7之后，进入环形器5反馈回激光器1，形成外腔延迟时间为125ns的光反馈回路。将20％的一端再接入50:50的非偏振分束器8分成强度相等的两束：其中一束作为监控信号打入光电探测器9后，接入36GHz带宽示波器或者26.5G频谱仪10，用于经过反馈环路形成的光是否是混沌状态确保所测光为混沌光场，另一束进入第二可变光衰减器11，第二可变光衰减器11可用来调节入射混沌光场的强度。
[0026] 如图1所示，从第二可变光衰减器11射出的光，即为强度可以调节的混沌光。混沌光经耦合器进入所述HBT系统13，经所述滤波片14滤光后，由所述分光镜12分成两束光输出后分别由第一光电倍增管115和第二光电倍增管16接收，所述第一光电倍增管15的信号输出端与第一恒比鉴相器17的输入端连接，所述第一恒比鉴相器17的输出端与第一时数转换器19的输入端连接，第一时数转换器19的输出端与所述存储器21连接，所述第二光电倍增管16的信号输出端与第二恒比鉴相器18的输入端连接，所述第二恒比鉴相器18的输出端与所述第二时数转换器20的输入端连接，所述第二时数转换器20的输出端与所述存储器21连接，所述第一时数转换器19和第二时数转换器20分别用于记录所述第一恒比鉴相器17和第二恒比鉴相器19输入脉冲的时间，并将记录时间的数字信号其发送给所述存储器21，所述存储器21用于存储所述第一时数转换器19和第二时数转换器20的发送的数字信号，并发送给所述数据处理器，所述数据处理器用于根据所述存储器的输出信号，计算得到混沌光场的相干时间。
[0027] 其中，所述第一光电倍增管和第二光电倍增管可以为Aurea Technology LYNXEA.NTR.M2型的双通道单光子探测器。
[0028] 其中，调节分布式反馈半导体激光器1的输出时，使激光器处于偏置电流为1.5倍阈值即15.9mA时，温控在9.5kΩA时，使半导体激光器产生的光输出经过偏振器经过环形器、衰减器输出通过一部分进入反馈回路，另一部份作为输出端，在衰减的前一路通过可调旋钮使反馈光的强度由小变大，激光器的输出先后经历单周期、倍周期和混沌状态。利用36GHz带宽示波器或者26.5G频谱仪可以确定最好的混沌状态，如图2和图3所示，为最好混沌状态的时序图和频谱图。然后，调节可编程光衰减器VA2使光强强度不超过单光子探测器SPD接受的最大光强，设定单光子探测器SPD量子效率为25％.死时间为4us，延迟时间为
0ns，门宽设为100ns，触发频率设为312.5k，打开单光子探测器SPD的符合测量界面开始进行统计并得到混沌光场光子对的分布概率，使存储器21经过足够长的时间记录数据并保存，记录得到的数据如何4所示。
0ns，门宽设为100ns，触发频率设为312.5k，打开单光子探测器SPD的符合测量界面开始进行统计并得到混沌光场光子对的分布概率，使存储器21经过足够长的时间记录数据并保存，记录得到的数据如何4所示。
[0029] 其中，所述数据处理器计算混沌光场相干时间的步骤为：
[0030] (1)将采集到的数据(如图4所示)进行归一化得到数据D1(τ)，归一化处理具体是指，将各数据除以各延迟时间统计数量总和。
[0031] (2)将归一化后的数据D1(τ)做卷积运算，得到九阶卷积D9(τ)，卷积公式为：
[0032]
[0033] 其中，τ表示时间，n＝2，3，4，……9。
[0034] (3)去掉九阶卷积D9(τ)数据中下降的部分，并对九阶卷积D9(τ)进行归一化处理，得到光场的九阶二阶相干度 归一化处理的过程可以为：计算九阶卷积值数据中平的部分的平均值A，将卷积的九阶值D9(τ)除以平均值A，即得到光场的九阶二阶相干度g(2)9(τ)。
[0035] 二阶相干度的理论公式为：
[0036]
[0037] 其中 是探测器探测到的光场的平均光强度，如图5所示，为各阶卷积Dn(τ)(n＝2，…，9)和D1(τ)进行归一化后，得到的各阶值的二阶相干度 的曲线图，从图5中可以看出，随着卷积阶数的增加，实验数据进行数据处理的结果越来越接近于理论值，因此，通过九阶二阶相干度进行相干时间的数据拟合，即可以得到较为准确的相干时间。由于卷积的过程中省略了九阶以上的高阶部分，这部分带来的误差随着延迟时间变大而变大，所以本发明在计算过程中将九阶数据中下降的部分去掉，取九阶卷积中平的部分，即图5中最上面一条曲线40至60ns区间的数据计算平均值A，从而对数据进行归一化处理。
[0038] (4)根据公式g(2)(τ)＝1+b*exp(2τ/τc)，将光场的九阶二阶相干度 代入进行拟合，得到光场的相干时间。
[0039] 如图6所示，为利用九阶二阶相干度 进行拟合的曲线图，拟合得到相干时间为0.65ns，校正决定系数为5.14E-4。
[0040] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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