基于量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪的低频信号测量

利用低频光通信波段真空压缩态光场可实现基于光纤的量子精密测量.本文利用简并光学参量振荡器实验制备出1550 nm低频真空压缩态光场.在分析频段10—500 kHz范围内压缩态光场的压缩度均达3 dB.用实验制备的1550 nm真空压缩态光场填补光纤马赫-曾德尔干涉仪的真空通道,实现了量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪,完成了突破标准量子极限的相位调制频率为500 kHz的低频信号测量.与光纤马赫-曾德尔干涉仪相比,测量信噪比提高了2 dB.     

多普勒测风激光雷达中马赫-曾德尔干涉仪的视场展宽技术研究

火星大气风速廓线探测对研究火星大气环境具有重要意义,基于马赫-曾德尔干涉仪的多普勒测风激光雷达相对于一般的相干/非相干多普勒测风激光雷达更适合于火星地基探测。为使马赫-曾德尔干涉仪对激光雷达中望远镜接收到的大视场角回波光信号进行频移检测,需要对马赫-曾德尔干涉仪进行视场展宽。对马赫-曾德尔干涉仪中棱镜式视场展宽技术与"猫眼"光学系统的视场展宽技术进行研究后发现,棱镜式视场展宽技术更具优势。设计并搭建了一套光程差为219 mm的马赫-曾德尔干涉仪,使用压电晶体扫描反射镜片的方式测量其对以11 mrad视场角入射的准平行光束的透射谱,得到干涉仪最大的干涉对比度为0.87,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。结合地球大气环境分析了干涉仪干涉对比度随高度的变化,结果表明:虽然大光程差马赫-曾德尔干涉仪的干涉对比度在5 km以下低空大气中随高度增加有小幅下降,但仍可使用这种干涉仪进行大气风速探测。     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

频率非简并第I类自发参量下转换纠缠光子对量子特性

理论研究了频率非简并第I类自发参量下转换过程中产生的纠缠光子对的量子特性,且与频率简并的情况做了对比.通过纠缠光子对的联合谱强度分析了纠缠光子对的光谱特性及纠缠特性;通过洪-区-曼德尔干涉仪和马赫-曾德尔干涉仪分析了纠缠光子对的量子干涉特性.结果表明:脉冲泵浦作用下,由于频率非兼并使得相位匹配函数不对称,导致两纠缠光子可区分,量子干涉可见度减小.随着泵浦脉冲频宽的增加,这种效应更加明显.连续激光泵浦时,相位匹配函数是对称的,得到最大的纠缠度和量子干涉可见度.该研究为频率非简并纠缠光子源在各种量子信息方案中的应用提供理论指导.     

基于马赫-曾德尔干涉仪的单个光子操控

分别利用空间和光纤马赫—曾德尔干涉仪对空间和光纤传输中的单个光子的干涉现象进行了研究,干涉对比度可达到90％以上,实现了空间和光纤中的单个光子的路由操控。实验采用脉冲调制加衰减的方法产生单个光子,获得了每个脉冲中只包含0．1个光子的准单光子源。通过改变压电换能器的电压控制马赫—曾德尔干涉仪的单个光子在两个输出端的选择,实现了光子在节点上的路由。采用同步符合检测技术,利用重复频率为1kHz,脉冲宽度为100ns的同步信号对输出信号进行符合,实现了量子效率高于70％,暗计数小于0．2s^-1的单光子高灵敏度检测,观测到了单个光子在相位操控下出射到两个输出端的有序分配现象。验证了基于马赫—曾德尔干涉仪的单个光子路由操控实现的可能性。     

可双参量同时测量的光纤磁场传感器

设计并制作了一种马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)与光纤布喇格光栅级联的光纤磁场传感器,其中MZI由相当于分光器的锥结构和相当于耦合器的花生锥结构级联组成,封装在填充了磁流体的毛细管中.由于磁流体的有效折射率会随着外界磁场强度的改变而变化,故可通过观察干涉谱的特征波长的变化来测量外界磁场强度,而光纤布喇格光栅透射峰对磁场强度不敏感.当磁场强度由0mT变化到20mT时,马赫-曾德尔干涉峰的灵敏度为0.11nm/mT.温度特性实验测得马赫-曾德尔干涉峰和光纤布喇格光栅透射峰的温度灵敏度分别为0.401 5nm/℃和0.011 4nm/℃.因此,可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.     

环形谐振器辅助马赫-曾德尔干涉仪型波长交错滤波器的研究

将环形谐振器与马赫-曾德尔干涉仪相结合,利用谐振器反馈回路引入的相位调节效应,选择合适的谐振器耦合角,设计出一种具有最大平坦滤波响应的环形谐振器辅助马赫-曾德尔干涉型波长交错滤波器.与普通马赫-曾德尔干涉型波长交错滤波器相比,不仅阻带抑制(>38dB)和过渡带滚降特性明显加强,而且在通带中心15 GHz范围,将色散降低到±10 ps/nm以内,从而可以有效避免对传输信号造成失真.在此基础上,进一步研究环周长(Lr)与马赫-曾德尔干涉臂长差(△L)之间的关系,指出波长交错滤波器奇偶输出端口的带宽分配比直接决定于Lr/△L,当调整Lr/△L=1/2,可以实现具有1;2非对称带宽分配特性的新型波长交错滤波器,为10 Gb/s向10 Gb/s 40 Gb/s系统升级提供一种简单、灵活的方式.     

基于光子晶体自准直和带隙效应的马赫-曾德尔干涉仪设计

结合能带图和等频图分析,基于光子晶体自准直和光子带隙效应,设计了一种紧凑、高效的全光子晶体马赫-曾德尔(MZ)干涉仪.相应的光分束器和反射镜均由缺陷结构的光子晶体实现.讨论了干涉仪的输出机理,并与时域有限差分法(FDTD)模拟结果进行了比较.结果分析表明可以把MZ干涉仪作为一种气体、液体微型探测器.可在集成光学中起到重要的作用. 关键词： 光子晶体 自准直 MZ干涉仪     

基于线性光放大器的全光逻辑异或门理论分析

基于速率方程建立了线性光放大器(LOA)的数值模型,模拟了线性光放大器的增益钳制特性。与对称结构马赫曾德尔干涉仪(MZI)的传输矩阵相结合,构建了线性光放大器马赫曾德尔干涉仪全光逻辑异或门模型,实现了两路40Gbit/s信号的异或运算。与传统的半导体光放大器(SOA)构成的马赫曾德尔干涉仪型异或门进行了比较,从器件结构上对两种异或门运算结果的差异给出了解释。结果表明,线性光放大器具有平坦的增益特性,对输入信号的扰动具有不敏感性,垂直光场缩短了载流子恢复时间;线性光放大器马赫曾德尔干涉仪结构可以实现异或运算;利用差分相位法可以解决载流子恢复时间对信号处理速度的限制,合理地选择延迟时间能获得较好的运算结果;输出信号具有眼图张开度大、消光比高、峰值啁啾小、对波长变化不敏感等优点。     

基于双通道马赫曾德尔调制器调制边带滤波的微波光子移相器

提出了一种基于双通道马赫曾德尔调制器(DPMZM)调制边带滤波的微波光子移相器。在双通道马赫曾德尔调制器的结构中,在一路马赫曾德尔干涉仪上实现抑制光载波的双边带调制输出,而在另一路马赫曾德尔的相位调节臂上通过调节偏置电压实现光载波信号的光学移相,两路光信号经过干涉合路后由光纤布拉格光栅(FBG)滤除其中一个一阶边带,最后输入到光电探测器(PD)进行光电转换得到移相的微波信号。实验结果表明,基于DPMZM调制边带滤波的微波光子移相器具有传输特性稳定、输出幅度波动小的优点。该结构还具有相移调节响应速度快、应用频带宽以及移相范围大于360°等特点。     

InAs/GaAs量子点1.3 μm单光子发射特性

采用双层耦合量子点的分子束外延生长技术生长了InAs/GaAs量子点样品,把量子点的发光波长成功地拓展到1.3 μm.采用光刻的工艺制备了直径为3 μm的柱状微腔,提高了量子点荧光的提取效率.在低温5 K下,测量得到量子点激子的荧光寿命约为1 ns;单量子点荧光二阶关联函数为0.015,显示单量子点荧光具有非常好的单光子特性;利用迈克耳孙干涉装置测量得到单光子的相干时间为22 ps,对应的谱线半高全宽度为30 μeV,且荧光谱线的线型为非均匀展宽的高斯线型.     

Mach–Zehnder interferometer with squeezed and EPR entangled optical fields

We study a scheme for Mach-Zehnder(MZ) interferometer as a quantum linear device by injecting two-mode squeezed input states into two ports of interferometer.Two-mode squeezed states can be changed into two types of inputs for MZ interferometer:two squeezed states and Einstein-Podolsky-Rosen(EPR) entangled states.The interference patterns of the MZ interferometer vary periodically as the relative phase of the two arms of the interferometer is scanned,and are measured by the balanced homodyne detection system.Our experiments show that there are different interference patterns and periodicity of the output quantum states for two cases which depend on the relative phase of input optical fields.Since MZ interferometer can be used to realize some quantum operations,this work will have the important applications in quantum information and metrology.     

金纳米颗粒光散射提高InAs单量子点荧光提取效率

采用光学方法确定InAs/GaAs单量子点在样品外延面上的位置坐标, 利用AlAs牺牲层把含有量子点的GaAs层剥离并放置在含有金纳米颗粒或平整金膜上, 研究量子点周围环境不同对量子点自发辐射寿命及发光提取效率的影响. 实验结果显示, 剥离前后量子点发光寿命的变化小于13%, 含有金纳米颗粒的量子点发光强度是剥离前的7倍, 含有金属薄膜的量子点发光强度是剥离前的2倍. 分析表明在金纳米颗粒膜上的量子点荧光强度的增加主要来自于金纳米颗粒对量子点荧光的散射效应, 从而提高量子点发光的提取效率.     

InAs 单量子点中级联辐射光子的关联测量

利用分子束外延生长InAs单量子点样品,温度为5 K时,测量了单量子点中单、双激子自发辐射的荧光(PL)光谱.研究了单、双激子发光强度随激发功率的变化及对应发光峰的偏振特性和精细结构劈裂.基于Hanbury-Brown Twiss(HBT) 实验,测量了单、双激子间发光光谱的关联函数,证实了其发光过程为级联发射过程. 关键词： InAs 单量子点 单、双激子 荧光光谱 级联辐射     

等离子体增强InAs单量子点荧光辐射的研究

通过测量光致发光(PL)谱、PL时间分辨光谱及不同激发功率下PL发光强度,研究了低温(5 K)下等离子体对InAs单量子点PL光谱的增强效应.采用电子束蒸发镀膜技术在InAs量子点样品表面淀积了5 nm厚度的金膜,形成纳米金岛膜结构.实验发现,金岛膜有利于量子点样品发光强度的增加,最大PL强度增加了约5倍,其主要物理机理是金岛膜纳米结构提高了量子点PL光谱的收集效率.     

InAs/GaAs单量子点中电子/空穴自旋弛豫

利用分子束外延制备了三种类型量子点样品,它们分别是:未掺杂样品、n型Si调制掺杂样品和p型Be调制掺杂样品。在5 K温度下,采用共聚焦显微镜系统,测量了单量子点的光致发光谱和时间分辨光谱, 研究了单量子点中三种类型激子(本征激子、负电荷激子和正电荷激子)的电子/空穴自旋翻转时间。它们的自旋翻转时间常数分别为: 本征激子的自旋翻转时间约16 ns, 正电荷激子中电子的自旋翻转时间约2 ns, 负电荷激子中空穴的自旋翻转时间约50 ps。     

Triggered single-photon emission and cross-correlation properties in InAlAs quantum dot

Triggered single-photon generation from InAlAs quantum dot (QD) was demonstrated for the first time. Emitted photon energy coincides with high detection efficiency range of Si single-photon detectors, which is highly suitable for free-space communication. Single-QD spectroscopy and crossed photon correlation measurements unambiguously revealed that several emitting lines observed in a single mesa structure originated from the identical QD, and two temporary competing decay processes associated with neutral states and charged states were identified. Presence of the competing process is also inferred from an analysis of steady-state photoluminescence intensities. Formation process of charged exciton in QD is also discussed.     

Passively stabilized single-photon interferometer

A single-photon interferometer is a fundamental element in quantum information science. In most previously reported works, single-photon interferometers use an active feedback locking system to stabilize the relative phase between two arms of the interferometer. Here, we use a pair of beam displacers to construct a passively stable single-photon interferometer. The relative phase stabilization between the two arms is achieved by stabilizing the temperature of the beam displacers. A purely polarized single-photon-level pulse is directed into the interferometer input port. By analyzing and measuring the polarization states of the single-photon pulse at the output port, the achieved polarization fidelity of the interferometer is about 99.1 ±0.1%. Our passively stabilized single-photon interferometer provides a key element for generating high-fidelity entanglement between a photon and atomic memory.     

Practical Implementation of a Test of Event-Based Corpuscular Model as an Alternative to Quantum Mechanics

We describe in detail the first experimental test that distinguishes between an event-based corpuscular model of the interaction of photons with matter and quantum mechanics. The test looks at the interference that results as a single photon passes through a Mach-Zehnder interferometer. The experimental results, obtained with a low-noise single-photon source, agree with the predictions of standard quantum mechanics.