可用于激光雷達的量子光學技術

徐 強，沈 思，謝修敏，吳 鵬，周 強，鄧光偉，王 浟,，宋海智,

(1.西南技術物理研究所，成都 610041; 2.電子科技大學 基礎與前沿研究院，成都 610054)

引 言

激光雷達是一種用于探測潛在目標的先進工具[1-2]，在軍民兩用系統中都有著廣泛的應用。其基本工作原理是將激光信號以定向方式發射到擬探測空間中，若該空間中存在潛在目標，發射的激光信號將被潛在目標漫反射回到雷達基站，并被接收裝置檢測到；進一步地，根據激光信號的發射角度、時間、頻率以及被接收到反射信號的時間和頻率等參量，激光雷達系統便可確定出潛在目標的方位、距離、速度和形狀等信息[3-6]。目前，激光雷達技術正面臨著靈敏度、分辨率、抗干擾、反隱身能力等方面的技術瓶頸，已不能很好地滿足日益增長的探測需求。

近年來，利用量子物理資源的激光雷達技術得到國內外研究機構的重視。該技術的基本思想是將量子力學的基本原理應用到激光雷達技術中，在靈敏度、定位精度和抗電磁干擾等關鍵性能上，實現對傳統激光雷達的超越[7-10]。由于使用到量子態疊加原理、任意量子態不可克隆原理、不確定性原理、量子增強探測和量子糾纏等量子物理基本原理、技術和資源，該新型雷達技術被稱為量子雷達技術，其在雷達領域的應用前景正在接受各國研究人員的廣泛論證[11-13]。

具體地，量子光學技術有潛力在以下3個方面幫助激光雷達突破現有技術指標。一是將光學干涉增強、半導體非線性雪崩效應、超導材料相變機制應用到光電檢測技術中，可以實現單光子水平的光信號探測，進而打破線性光電探測器在靈敏度和探測帶寬之間的相互制約，可以提高激光雷達系統的靈敏度和探測距離[14]。二是將檢測外界對光量子態擾動的方法應用到激光雷達系統中，可以幫助激光雷達系統主動識別出被探測目標對雷達信號所做的擾動，從物理層面上解決傳統激光雷達系統存在的“截取-重發”安全漏洞，實現抗電磁干擾能力強、更安全和更穩定的新型雷達系統[15]。三是將量子光學技術中的量子糾纏、量子干涉等資源和技術引入到激光雷達系統中，把具有量子關聯和糾纏特性的光子對(比如雙光子偏振糾纏、能量-時間糾纏、頻率-路徑糾纏、多光子路徑糾纏)作為新型雷達系統的照明光源，通過檢測光子之間的量子關聯和糾纏特性，可實現對隱身目標的探測和高精度的空間定位。量子光學技術還能夠提供基于Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉的被探測目標空間信息檢測方式，該檢測方式使用全同光子的聚束特性，當全同光子波包寬度達到飛秒量級時，使用HOM干涉對被探測目標空間信息的分辨率可以達到十微米以下，可大大提升雷達系統的空間分辨率[16-20]。

綜上所述，將量子光學技術應用到雷達系統中具有十分重要的研究意義，可以在雷達系統的抗電磁干擾、高精度定位和目標識別等方面突破現有技術瓶頸，提升激光雷達的綜合性能。針對量子光學技術研究在激光雷達領域的應用需求，目前作者所在課題小組已開展了量子光學技術的實驗研究，取得了一定進展，已制備出基于色散位移光纖(dispersion-shifted fiber，DSF)的關聯雙光子源，測試了關聯雙光子源的量子關聯特性；搭建HOM干涉檢測平臺，并進行了弱相干光-單光子源的HOM干涉檢測，實驗結果為后續研究奠定了基礎。

1 實驗方案

1.1 關聯雙光子源的制備

關聯雙光子源實驗系統結構如圖1所示。其中脈沖激光器提供抽運光，抽運光的頻率為ωp，中心波長為1552.36nm，信號光(頻率為ωs)和閑頻光(頻率為ωi)的中心波長分別為1555.53nm和1549.21nm。在圖1的實驗系統中，抽運源為窄脈沖激光器，由直接調制半導體激光二極管方案實現激光脈沖輸出，激光脈沖的半峰全寬為5.78ps，重復頻率為20MHz。脈沖激光的平均功率及峰值功率通過摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)和可調光衰減器(variable optical attenuator，VOA)進行調節。密集波分復用器1(dense wavelength division multiplexer,DWDM)的中心波長為1552.36nm，其作用為濾除由EDFA帶來的放大自發輻射(amplified spontaneous emission，ASE)噪聲，以提高脈沖抽運光的邊帶抑制比。脈沖抽運光經由EDFA,VOA和DWDM 1對功率和邊帶抑制比調節之后，通過DWDM 1的T端口入射到色散位移光纖(DSF)中，在DSF處發生四波混頻過程并產生關聯雙光子對。雙光子產生過程滿足能量和動量守恒，即2ωp=ωs+ωi，2kp=ks+ki。其中ωp,ωs,ωi分別表示抽運光、信號光、閑頻光的頻率，kp,ks,ki分別表示抽運光、信號光、閑頻光的波矢。

Fig.1 Setup for generating correlated two-photon source

為了降低光纖中自發喇曼散射過程產生的噪聲光子對關聯雙光子源性能的影響，實驗中DSF靜置于液氮(77K)環境，通過降低其環境溫度抑制喇曼噪聲光子的產生。產生的關聯雙光子和剩余抽運光緊接著進入到分光濾波裝置中。分光濾波裝置由密集波分復用器件(DWDM 2，DWDM 3)組成，可將滿足能量守恒關系的信號/閑頻光子和抽運光分離開，并分別從3個端口輸出。實驗中使用的分光濾波裝置選取的信號和閑頻光子的波長分別為1555.53nm和1549.21nm，對應光通信系統的C27和C35通道，每個通道設計的3dB濾波帶寬約為1nm。信號/閑頻光子的輸出通道與剩余抽運光輸出通道的隔離度大于120dB，保證輸出雙光子態的測量不會受到剩余抽運光子的影響。其中，波長為1549.21nm的光子由DWDM 2的T端口輸出，波長為1555.53nm的光子由DWDM 3的T端口輸出，殘余抽運光由DWDM 3的R端口輸出，并使用功率計對其進行功率監測。

1.2 HOM干涉檢測平臺

HOM干涉檢測平臺如圖2所示。作者用一個自制的被動鎖模激光器產生的飛秒光脈沖(重復頻率：5MHz，脈沖寬度：約800fs)作為光源，然后使用VOA調節光脈沖功率到單光子水平后得到弱相干態。衰減后的光脈沖經過50∶50的分束器后分成兩路，依次通過VOA，偏振控制器(polarization controller，PC)，可調延時線以及偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)后，兩路光脈沖在光子數、時延以及偏振方向這些自由度上保持全同，隨后兩個光脈沖在50∶50的保偏耦合器處發生干涉。干涉后的光脈沖分別送到兩個單光子探測器(single-photon detector，SPD)SPD 1和SPD 2中，探測效率70%，死時間50ns，暗計數小于100Hz)進行探測，探測器輸出的電信號輸入到符合計數裝置(ID Quantique，ID 900，符合門寬2ns)中來進行符合測量。

Fig.2 Setup of the HOM interferometer

2 結果與討論

2.1 關聯雙光子源的性能表征

在不同的抽運光功率下，測量了信號/閑頻輸出端口的光子數量，其結果如圖3所示。兩輸出端口的光子主要含有四波混頻過程產生的信號/閑頻光子以及自發喇曼散射過程產生的光子?？梢钥吹?1549.21nm和1555.53nm的光子數隨著抽運功率的增加而增加，兩條曲線之間有細微差別，其主要原因為1549.21nm和1555.53nm的光子到達輸出端口的路徑不同，損耗也不相同，所以1555.53nm的光子數比1549.21nm的光子數小。

Fig.3 The two-photon generation rate as a function of the pump power

此外，在不同的抽運光功率下，作者對信號/閑頻輸出端口的光子分別進行了符合計數(coincidence count，CC)和偶然符合計數(accidental coincidence count，AC)，通過二者的比值得到符合偶然符合計數比(coincidence count to accidental coincidence count ratio，CAR)，用以對關聯源的性能進行判定。不同功率下的CC,AC,CAR值如圖4所示?？梢钥吹?隨著抽運光功率的增大，CC和AC值也逐漸增大，雙光子產生率最大約為8000Hz；CAR最大值約為15(大于1)，說明雙光子源的確具有量子關聯特性，且隨著抽運光功率增大而逐漸減小，其主要原因是自發喇曼散射過程隨著抽運光功率的增大也愈發明顯，造成偶然符合計數值增大。因此在后續的研究工作中，作者將重點研究如何降低DSF中自發喇曼散射過程產生的噪聲光子數量，以及如何提高四波混頻過程中信號/閑頻光子對的產生效率，得到高CAR值的關聯雙光子源。

Fig.4 The coincidence counts, accidental coincidence counts and CAR as functions of the pump power

2.2 弱相干光的HOM干涉檢測

通過調節可調延時線，作者進行了弱相干光-單光子源的HOM干涉測量，結果如圖5所示，點表示測試數據，實線為擬合結果。HOM干涉結果的半峰全寬(full width at half maximum，FWHM)為284.06μm±9.94nm，干涉可見度V=0.41±0.01。HOM干涉結果的半峰全寬對應的時間值(約950fs)與飛秒脈沖的脈寬(約800fs)相當，一定程度上反映了弱相干光源的時域特性。由于實驗中部分器件與理論模型存在差異，導致實驗結果與理論計算值(0.5)存在一定的偏差，在接下來的工作中，作者將進一步優化測量裝置，提升干涉可見度。

Fig.5 The coincidence counts of HOM interference

量子力學的基本原理表明，對量子信號的任何操作都將毀壞或擾動其原有量子狀態，因此,量子雷達系統還可以通過分析返回量子信號的量子狀態是否改變，識別雷達信號是否被潛在目標干擾，這對于提升雷達系統識別和對抗干擾的能力具有很大的幫助。

在基于雙光子態的量子照射雷達系統中，兩個全同光子的雙光子HOM干涉效應，可以進一步將量子雷達系統的定位精度提高到亞毫米量級。例如在作者所搭建的HOM干涉平臺中，采用頻率簡并的雙光子源作為激光雷達的照射光源，將其中一路光子局域在本地，另一路光子模擬為雷達的回波信號，當光子波包寬度達到飛秒量級時，通過HOM干涉測量回波光子的到達時間，被探測目標空間信息的時間分辨率可以達到0.95ps±0.03ps，其對應空間分辨率為284.06μm±9.94μm，這大大有利于提升激光雷達的空間分辨率。此外，由于HOM干涉是2階強度的干涉，與干涉儀兩臂的相位差無關，所以在使用HOM干涉方式檢測信號的過程中，不要求干涉儀本身的穩定性，這對于遠距離探測目標的空間位置信息意義重大。

3 結 論

針對激光雷達突破經典探測極限的需求，本文中研究了量子關聯測量和HOM干涉測量在激光雷達探測上的可能應用。制備了基于色散位移光纖的關聯雙光子源，該關聯雙光子源的產生率最大約為8kHz，符合/偶然符合計數比最大值約為15；對弱相干光源進行了HOM干涉檢測，干涉可見度達到0.41±0.01，用于激光雷達將提升空間分辨率到微米級(284.06μm±9.94μm)。在未來的工作中，作者將進一步提升關聯雙光子源的性能，優化HOM干涉檢測平臺，并研究偏振糾纏、能量-時間糾纏、路徑糾纏等雙光子源。