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专利名称：一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410532769.1

专利申请（专利权）人：太原理工大学
权利人地址：山西省晋中市榆次区大学街209号

专利发明（设计）人：闫宇,李嘉敏,韩双萍,秦成兵,肖连团

专利摘要：本发明公开了一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，属于非经典光源技术领域。该方法包括：种子源采用线性腔被动锁模的方式，输出脉冲信号光，传输给放大级；放大级采用主振荡功率放大结构对上述脉冲信号光进行放大，输出到混沌光源产生模块中；基于上述过程优化处理，由混沌光源产生模块制备超混沌光；基于混沌光源检测模块对超混沌光进行滤波和聚束特征测量，获得超混沌光源的二阶关联函数g(2)(τ)。本发明采用上述的一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，不仅便于光子集成，具有结构简单的特点，而且聚束特征可控性高，为量子通信、量子计算和量子精密测量等领域的研究和应用提供了高品质的非经典超混沌光源。

主权利要求：
1.一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、种子源采用线性腔被动锁模方式，输出脉冲信号光，单向传输给放大级；
S2、放大级采用主振荡功率放大结构对步骤S1提供的脉冲信号光进行放大，输出到混沌光源产生模块中；
S3、基于步骤S1产生输出的脉冲信号光和步骤S2对脉冲信号光的放大处理，并输入至混沌光源产生模块中，由混沌光源产生模块制备超混沌光；
所述混沌光源产生模块包括：包层光剥离器、模场适配器、光子晶体光纤、端帽；
将步骤S2放大处理的脉冲信号光输入至混沌光源产生模块中，其中包层光剥离器与模场适配器熔接，用于剥离包层中多余的泵浦光以及实现模场面积的转换；所述光子晶体光纤的长度范围为3m?6m；采用正向泵浦的方式，用于产生超混沌光；所产生的超混沌光由端帽输出；
S4、基于混沌光源检测模块对步骤S3产生的超混沌光进行滤波和聚束特征测量，并利(2)用HBT实验测量超混沌光源的二阶关联函数g (τ)，计算公式如下：(2)
g (τ)＝[]/[]其中，I(t)和I(t+τ)分别表示两个探测器上的瞬时光强，τ表示时间延迟，符号<>表示时间平均或系综平均。
2.根据权利要求1所述的一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述种子源包括：半导体可饱和吸收镜、泵浦源一、波分复用器一、增益光纤一、光纤光栅和光纤隔离器一；采用正向泵浦的方式。
3.根据权利要求2所述的一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，其特征在于：当所述泵浦源一的泵浦功率范围为60mW?100mW、增益光纤一的长度范围为50cm?70cm、谐振腔的腔长范围为2.57m?5.14m、光纤光栅的带宽范围为1nm?3nm时，种子源达到锁模状态，用于给放大级提供中心波长为1064nm±2nm、光谱线宽范围为1nm?3nm、脉冲宽度范围为50ps?
100ps、重复频率范围为20MHz?40MHz、输出功率范围为10mW?30mW的脉冲信号光。
4.根据权利要求1所述的一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述放大级包括第一放大级和第二放大级；
其中，第一放大级包括：泵浦源二、波分复用器二、增益光纤二、光纤隔离器二、光纤滤波器；第二放大级包括：泵浦源三、光纤合束器、双包层增益光纤、光纤隔离器三；采用正向泵浦的方式。
5.根据权利要求4所述的一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，其特征在于：所述第一放大级的泵浦源二的泵浦功率范围为100mW?150mW、增益光纤二的长度范围为
50cm?60cm、光纤滤波器的带宽范围为1nm?3nm，所述第二放大级的泵浦源三的泵浦功率范围为1W?3W、双包层增益光纤的长度范围内4m?5m，用于给混沌光源产生模块提供中心波长为1064nm±2nm、光谱线宽范围为1nm?3nm、脉冲宽度范围为50ps?150ps、重复频率范围为
20MHz?40MHz、输出功率范围为500mW?1W的脉冲信号光。
6.根据权利要求1所述的一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，其特征在于：通过调节所述种子源和放大级的调节范围的参数，调控超混沌光源的产生阈值；
在调节范围内，产生超聚束效应，表现为非经典超混沌光源的性质，光子统计为超泊松分布；超出调节范围则无超聚束效应，表现为激光的性质，光子统计为泊松分布。
7.根据权利要求1所述的一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，混沌光源检测模块包括：滤波器、分束比为50：50的分束镜、单光子探测器、时间相关单光子计数器。
8.根据权利要求7所述的一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，其特征在于：所述混沌光源检测模块中的滤波器为红外可调线宽滤波器或CWDM，中心波长覆盖900?
1800nm，滤波带宽为10nm，泵浦波长隔离度为100dB，其他增益波段隔离度为50dB，分束镜分束比例为50：50；
经过滤波器后的超混沌光通过分束比为50：50的分束镜分为两路，经过200/220μm的多模光纤耦合分别入射到单光子探测器，单光子探测器与时间相关单光子计数器连接后，进行符合计数。 说明书 : 一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法技术领域[0001] 本发明涉及非经典光源技术领域，尤其涉及一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法。背景技术[0002] 超混沌光源具有不同于经典光的统计特性，在量子信息、量子通信、量子计算和量子精密测量等领域有着广泛的应用前景；具有光子通量大、抗噪声能力强、超高的相位灵敏与超分辨率等优点。如基于超混沌光源的量子计算在理论上可以实现经典计算机所无法达到的信息处理功能；基于超混沌光源的量子保密通信可提供更为安全的信息传输；超混沌光源用于精密测量可以超越经典极限实现高精度光学测量。[0003] 随着飞秒激光技术的不断发展，以及光子晶体光纤设计和拉锥技术的不断成熟，为发展超混沌光源新型的制备方式提供了重要的契机，进一步推动了超混沌光源在量子信息、量子通信、量子计算和量子精密测量等领域的广泛应用。超短脉冲激光可以将多光子的产生时间限制在脉宽内，高峰值功率可以显著提升多光子的产生速率；光子晶体光纤具有色散可控、无限单模以及高的非线性系数的特性；使用超短脉冲激光泵浦光子晶体光纤，利用光子晶体光纤结构的特殊性以及非线性效应的共同作用可以制备通信波段的超混沌光源。[0004] 目前超混沌光源主要的制备方式包括：(1)激光照射旋转的毛玻璃；(2)基于非线性介质的参量过程；(3)基于光与物质相互作用引起的能级跃迁与激子效应。但是以上的制备方式仍然存在的主要弊端为超混沌光源聚束特征不显著。特别地，在通信波段产生混沌(2) (2)光g (0)<2。因此，设计一种应用于通信波段的超混沌光源(g (0)>10)的制备方法尤为重要。发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，不仅便于集成，具有结构简单的特点，而且聚束特征可控性高，可以在通信波段实现超聚束效应，为量子信息、量子通信、量子计算和量子精密测量等领域的研究和应用提供了强有力的支持。[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，包括以下步骤：[0007] S1、种子源采用线性腔被动锁模方式，输出脉冲信号光，单向传输给放大级；[0008] S2、放大级采用主振荡功率放大结构对步骤S1提供的脉冲信号光进行放大，输出到混沌光源产生模块中；[0009] S3、基于步骤S1和S2的优化处理，由混沌光源产生模块制备超混沌光；[0010] S4、基于混沌光源检测模块对步骤S3产生的超混沌光进行滤波和聚束特征测量，(2)并利用HBT实验测量超混沌光源的二阶关联函数g (τ)。[0011] 优选的，在步骤S1中，所述种子源包括：半导体可饱和吸收镜、泵浦源一、波分复用器一、增益光纤一、光纤光栅和光纤隔离器一；采用正向泵浦的方式。[0012] 优选的，当所述泵浦源一的泵浦功率范围为60mW?100mW、增益光纤一的长度范围为50cm?70cm、谐振腔的腔长范围为2.57m?5.14m、光纤光栅的带宽范围为1nm?3nm时，种子源达到锁模状态，用于给放大级提供中心波长为1064nm±2nm、光谱线宽范围为1nm?3nm、脉冲宽度范围为50ps?100ps、重复频率范围为20MHz?40MHz、输出功率范围为10mW?30mW的脉冲信号光。[0013] 优选的，在步骤S2中，所述放大级包括第一放大级和第二放大级；[0014] 其中，第一放大级包括：泵浦源二、波分复用器二、增益光纤二、光纤隔离器二、光纤滤波器；第二放大级包括：泵浦源三、光纤合束器、双包层增益光纤、光纤隔离器三；采用正向泵浦的方式。[0015] 优选的，所述第一放大级的泵浦源二的泵浦功率范围为100mW?150mW、增益光纤二的长度范围为50cm?60cm、光纤滤波器的带宽范围为1nm?3nm，所述第二放大级的泵浦源三的泵浦功率范围为1W?3W、双包层增益光纤的长度范围内4m?5m，用于给混沌光源产生模块提供中心波长为1064nm±2nm、光谱线宽范围为1nm?3nm、脉冲宽度范围为50ps?150ps、重复频率范围为20MHz?40MHz、输出功率范围为500mW?1W的脉冲信号光。[0016] 优选的，在步骤S3中，所述混沌光源产生模块包括：包层光剥离器、模场适配器、光子晶体光纤、端帽，所述光子晶体光纤的长度范围为3m?6m；采用正向泵浦的方式，用于产生超混沌光。[0017] 优选的，通过调节所述种子源和放大级的调节范围的参数，调控超混沌光源的产生阈值；[0018] 在调节范围内，产生超聚束效应，表现为非经典超混沌光源，光子统计为超泊松分布；超出调节范围则无超聚束效应，表现为激光的性质，光子统计为泊松分布。[0019] 优选的，在步骤S4中，混沌光源检测模块包括：滤波器、分束比为50：50的分束镜、单光子探测器、时间相关单光子计数器。[0020] 优选的，所述混沌光源检测模块中的滤波器为红外可调线宽滤波器或CWDM，中心波长覆盖900?1800nm，滤波带宽为10nm，泵浦波长隔离度为100dB，其他增益波段隔离度为50dB，分束镜分束比例为50：50；[0021] 经过滤波器后的超混沌光通过分束比为50：50的分束镜分为两路，经过200/220μm的多模光纤耦合分别入射到单光子探测器，单光子探测器与时间相关单光子计数器连接后，进行符合计数。[0022] 优选的，利用HBT实验测量超混沌光源的二阶关联函数g(2)(τ)，当时间延迟τ为0(2)时，g (0)值最高可达41，计算公式如下：[0023] g(2)(τ)＝[]/[][0024] 其中，I(t)和I(t+τ)分别表示两个探测器上的瞬时光强，τ表示时间延迟，符号<>表示时间平均或系综平均。[0025] 因此，本发明采用上述一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，不仅便于集成，具有结构简单的特点，而且聚束特征可控性高，可以在通信波段实现超聚束效应，为量子信息、量子通信、量子计算和量子精密测量等领域的研究和应用提供了强有力的支持。[0026] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明[0027] 图1是本发明一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法的流程示意图；[0028] 图2是本发明一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法的混沌光源检测模块示意图；[0029] 图3是本发明一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法在1550nm处的光谱；[0030] 图4是本发明一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法在1550nm处的二阶关(2)联函数g (τ)值。[0031] 图中：[0032] 100、种子源；101、半导体可饱和吸收镜；102、泵浦源一、103、波分复用器一；104、增益光纤一；105、光纤光栅；106、光纤隔离器一；200、放大级；210、第一放大级；211、泵浦源二；212、波分复用器二；213、增益光纤二；214、光纤隔离器二；215、光纤滤波器；220、第二放大级；221、泵浦源三；222、光纤合束器；223、双包层增益光纤；224、光纤隔离器三；300、混沌光源产生模块；301、包层光剥离器；302、模场适配器；303、光子晶体光纤；304、端帽；400、混沌光源检测模块；401、滤波器；402、分束比为50：50的分束镜；403、单光子探测器；404、时间相关单光子计数器。具体实施方式[0033] 为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。[0034] 需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。[0035] 相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。[0036] 本发明本发明提供了一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，包括以下步骤：[0037] S1、种子源采用线性腔被动锁模方式，输出脉冲信号光，单向传输给放大级；[0038] S2、放大级采用主振荡功率放大结构对步骤S1提供的脉冲信号光进行放大，输出到混沌光源产生模块中；[0039] S3、基于步骤S1和S2的优化处理，由混沌光源产生模块制备超混沌光；[0040] S4、基于混沌光源检测模块对步骤S3产生的超混沌光进行滤波和聚束特征测量，(2)并利用HBT实验测量超混沌光源的二阶关联函数g (τ)。[0041] 超混沌光源的发生装置包括：种子源、放大级、混沌光源产生模块以及混沌光源检测模块。[0042] S1、种子源采用线性腔被动锁模，包括半导体可饱和吸收镜、泵浦源一、波分复用器一、增益光纤一、光纤光栅、光纤隔离器一，采用正向泵浦的方式。[0043] 种子源中使用的连接光纤为单模光纤，增益光纤一为掺镱光纤，通过控制泵浦源一的泵浦功率以及增益光纤一的长度可以调控输出功率，通过改变谐振腔的腔长可以调控重复频率，通过改变光纤光栅的带宽可以调控光谱线宽，通过改变单模光纤的长度可以调控脉冲宽度。[0044] 当泵浦源一的泵浦功率范围为60mW?100mW、增益光纤一的长度范围为50cm?70cm、谐振腔的腔长范围为2.57m?5.14m、光纤光栅的带宽范围为1nm?3nm时，种子源达到锁模状态，用于给放大级提供中心波长为1064nm±2nm、光谱线宽范围为1nm?3nm、脉冲宽度范围为50ps?100ps、重复频率范围为20MHz?40MHz、输出功率范围为10mW?30mW的脉冲信号光。[0045] S2、放大级采用主振荡功率放大结构，放大级包括第一放大级和第二放大级；第一放大级包括：泵浦源二、波分复用器二、增益光纤二、光纤隔离器二、光纤滤波器；第二放大级包括：泵浦源三、光纤合束器、双包层增益光纤、光纤隔离器三；采用正向泵浦的方式。[0046] 种子源的光纤隔离器一输出尾纤与第一放大级的波分复用器二输入尾纤熔接，实现信号光的有效传输。[0047] 第一放大级使用的连接光纤为单模光纤，增益光纤二为掺镱光纤，通过控制泵浦源二的泵浦功率以及增益光纤二的长度可以调控输出功率，利用单模光纤等色散元件可以改变脉冲信号光的啁啾特性，通过改变光纤滤波器的带宽可以调控光谱线宽。[0048] 第二放大级使用的连接光纤为双包层单模光纤，双包增益光纤为双包层掺镱光纤，通过控制泵浦源三的泵浦功率以及双包层增益光纤的长度可以调控输出功率，利用双包层单模光纤等色散元件可以改变脉冲信号光的啁啾特性。[0049] 第一放大级泵浦源二的泵浦功率范围为100mW?150mW、增益光纤二的长度范围为50cm?60cm、光纤滤波器的带宽范围为1nm?3nm，第二放大级泵浦源三的泵浦功率范围为1W?3W、双包增益光纤的长度范围内4m?5m，用于给混沌光源产生模块提供中心波长为1064nm±2nm、光谱线宽范围为1nm?3nm、脉冲宽度范围为50ps?150ps、重复频率范围为20MHz?40MHz、输出功率范围为500mW?1W的脉冲信号光。[0050] 混沌光源产生模块包括包层光剥离器、模场适配器、光子晶体光纤、端帽。光子晶体光纤的长度范围为3m?6m，可以产生典型波长为1550nm的超混沌光。[0051] 第二放大级的光纤隔离器三与包层光剥离器熔接，用于给混沌光源产生模块输出脉冲信号光；包层光剥离器与模场适配器熔接，用于剥离包层中多余的泵浦光以及实现模场面积的转换。[0052] 混沌光源产生模块通过改变空气孔直径、空气孔间距、纤芯直径、有效模场面积以及光子晶体光纤的长度可以调控光子晶体光纤的色散以及折射率分布；通过在调节范围内改变种子源和放大级的泵浦功率、增益光纤长度、光纤滤波器带宽的参数，可以调控超混沌光源的产生阈值；在调节范围内，产生超聚束效应，表现为非经典超混沌光源，光子统计为超泊松分布；超出调节范围，则无超聚束效应，表现为激光的性质，光子统计为泊松分布；通过调控放大级输出信号光的输出功率、脉宽改变光子晶体光纤非线性效应的强度，从而改变超混沌光源的产生阈值。[0053] 在光子晶体光纤的长度范围内，可以产生超混沌光源，光子统计表现为超泊松分布。由于光子晶体光纤的特殊结构分布，导致了特定的折射率和色散分布，在四波混频、自相位调制、交叉相位调制等非线性效应的共同作用下，满足相位匹配条件，双光子和多双子事件的概率显著提升，光子统计呈现超泊松分布，即出现了光子超聚束现象，用于产生超混沌光。[0054] 混沌光源检测模块包括：滤波器、分束比为50：50的分束镜、单光子探测器、时间相关单光子计数器。[0055] 滤波器为红外可调线宽滤波器或CWDM，中心波长覆盖900?1800nm，滤波带宽为10nm，泵浦波长隔离度为100dB，其他增益波段隔离度为50dB，分束镜分束比例为50：50。[0056] 经过滤波器后的超混沌光通过分束比为50：50的分束镜分为两路，经过200/220μm的多模光纤耦合分别入射到单光子探测器，单光子探测器与时间相关单光子计数器连接(2)后，进行符合计数，利用HBT实验测量超混沌光源的二阶关联函数g (τ)值，计算公式如下：[0057] g(2)(τ)＝[]/[][0058] 其中，I(t)和I(t+τ)分别表示两个探测器上的瞬时光强，τ表示时间延迟，符号<>表示时间平均或系综平均。[0059] 实施例[0060] 本实施例以产生典型波长为1550nm的通信波段超混沌光源为例，具体过程如下：[0061] 如图1所示，当种子源100的泵浦源一泵浦功率为70mW、增益光纤一长度为50cm、谐振腔的腔长为5.14m、光纤光栅的带宽为3nm时，产生中心波长为1064nm、光谱线宽为3nm、脉冲宽度为100ps、重复频率为20MHz、输出功率为22mW的脉冲信号光。[0062] 种子源100的光纤隔离器一106输出尾纤与第一放大级210的波分复用器二212熔接，实现信号光的放大且单向传输。[0063] 在第一放大级210中，泵浦源二211的泵浦功率为200mW、增益光纤二213的长度为50cm、光纤滤波器215的带宽为3nm；在第二放大级220中，泵浦源三221的泵浦功率为2.5W、双包层增益光纤223的长度为4m。[0064] 第二放大级220的光纤隔离器三224与混沌光源产生模块300的包层光剥离器301熔接，用于给混沌光源产生模块300提供中心波长为1064nm、光谱线宽为3nm、脉冲宽度为150ps、重复频率为20MHz、输出功率为500mW的脉冲信号光。[0065] 如图2所示，混沌光源产生模块300的包层光剥离器301与模场适配器302熔接，用于剥离包层中多余的泵浦光以及实现模场面积的转换。来自于放大级200的脉冲信号光泵浦光子晶体光纤303，产生典型波长为1550nm的通信波段超混沌光源，其光谱如图3所示。[0066] 在混沌光源检测模块400中，将滤波器401的带宽设置为10nm，对1550nm进行滤波，经过分束比为50：50分束镜402分为两路，利用200/220μm的多模光纤耦合入射到单光子探(2)测器403，再通过时间相关单光子计数器404进行符合计数，通过计算机程序计算g (τ)，当(2)时间延迟τ为0时，在1550nm处的g (0)值为41，如图4所示，表明产生了超混沌光源。[0067] 因此，本发明采用上述一种应用于通信波段的超混沌光源的制备方法，不仅便于集成，具有结构简单的特点，而且聚束特征可控性高，可以在通信波段实现超聚束效应，为量子信息、量子通信、量子计算和量子精密测量等领域的研究和应用提供了强有力的支持。[0068] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

专利地区：山西

专利申请日期：2024-04-29

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118508215B