技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，特别涉及一种基于自干涉的两个独立激光器之间光频差的测量方法。
背景技术
通常情况下，两个独立的激光器发出的光的频率是存在差异的。当通信双方皆为发送方，第三方为接收方时，发送双方以两个独立激光器作为光源，并对产生的光脉冲进行相位编码，经过编码后的光脉冲在第三方接收方处干涉并进行测量。此时两个激光器之间的光频差就会引起错误率的升高。比如在现有的测量设备无关的量子密钥分发中，发送双方由于是在异地，所以常使用的光源就是两个独立的激光器。若发送方将信息编码在激光器产生的相邻两个脉冲的相位差上，因相邻两个脉冲本身有一个确定的相位差且不同激光器产生的相邻两个脉冲的相位差不同，这就会导致发送双方即使编码的信息相同，各自编码后的相邻两个脉冲的相位差也会不同。双方所使用的激光器的光频差越大，相邻两个脉冲的时间间隔越大，相同编码后的结果差异也就越大，接收方公布测量结果后发送双方估计的错误率也就越大。若发送方将信息编码在激光器产生的每个脉冲上，因光频差的存在，随着时间的推移，双方所编码的相位差异也会越来越大。这时候就需要将因光频差引起的相位差的差异进行补偿，或者至少能够将光频差测量出来。
在激光器发出的光是连续光的情况下，只需对两束连续光的干涉结果进行采样，然后利用离散傅里叶变换即可求得两束连续光的光频差。若将连续光斩波得到光脉冲，在光脉冲较强的情况下，可以利用零差探测等方式得到两个激光器发出的每对光脉冲的相位差，根据该相位差的变化求得两个激光器的光频差。然而在离散变量的量子密钥分发中，发出的光脉冲的光强一般在单光子水平，且使用的探测方式也是单光子探测，零差探测就无法适用于这种情况。这样就对在弱光情况下测量两个独立激光器光频差的方法提出了需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于自干涉的两个独立激光器之间光频差的测量方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于自干涉的两个独立激光器之间光频差的测量方法，包括以下步骤：
对第一激光器输出的连续激光信号进行斩波，生成多个第一光脉冲，以及对第二激光器输出的连续激光信号进行斩波，生成多个第二光脉冲；
对所述第一光脉冲和第二光脉冲分别进行相位调制，其中，在第[4(j-i)(i-1)+1]个至[4(j-i)(i-1)+3(j-i)]个脉冲上调制的相位为0，在第[4(j-i)(i-1)+3(j-i)+1]个至[4(j-i)i]个脉冲上调制的相位为π/2，所述第j个脉冲和第i个脉冲的时间间隔为Δt，j＞i＞0；
使多个所述第一光脉冲中时间间隔Δt的两个光脉冲在不等臂干涉仪中发生干涉，并利用两个光探测器对干涉结果进行探测，若两个脉冲之间所调制的相位差为0，则获得第一探测结果；若两个脉冲所调制的相位差为π/2或-π/2，则获得第二探测结果；
使多个所述第二光脉冲中时间间隔Δt的两个光脉冲在所述不等臂干涉仪中发生干涉，并利用所述两个光探测器对干涉结果进行探测，若两个脉冲之间所调制的相位差为0，则获得第三探测结果；若两个脉冲所调制的相位差为π/2或-π/2，则获得第四探测结果；
根据所述第一探测结果、所述第二探测结果、所述第三探测结果、所述第四探测结果和所述时间间隔Δt，计算所述第一激光器与所述第二激光器之间的光频差Δf。
其中，所述光探测器为单光子探测器；并且，
所述第一探测结果包括所述两个单光子探测器的统计计数
所述第二探测结果包括所述两个单光子探测器的统计计数
所述第三探测结果包括所述两个单光子探测器的统计计数
所述第四探测结果包括所述两个单光子探测器的统计计数
其中，
利用所述第一探测结果计算
利用所述第二探测结果计算
利用所述第三探测结果计算
利用所述第四探测结果计算
根据cos(Δθ
计算
根据Δθ
其中，所述光探测器为光电二极管，并且，
所述第一探测结果包括所述两个光电二极管的输出电流
所述第二探测结果包括所述两个光电二极管的输出电流
所述第三探测结果包括所述两个光电二极管的输出电流
所述第四探测结果包括所述两个光电二极管的输出电流
其中，
利用所述第一探测结果计算
利用所述第二探测结果计算
利用所述第三探测结果计算
利用所述第四探测结果计算
根据cos(Δθ
计算
根据Δθ
其中，所述Δθ
其中，所述时间间隔Δt被选择成使-π＜Δθ
其中，所述斩波借助幅度调制器来实现，和/或，所述相位调制借助相位调制器来实现。
其中，所述不等臂干涉仪包括第一分束器BS1、第二分束器BS2、偏振分束器PBS、法拉第旋转镜FM、以及具有Δt/2延时的延时线DL，所述法拉第旋转镜FM和延时线DL用于实现所述不等臂干涉仪的长臂。
其中，所述不等臂干涉仪包括第一环形器CIR1、第二环形器CIR2、分束器BS、第一法拉第旋转镜FM1、第二拉法第旋转镜FM2、以及具有Δt/2延时的延时线DL，所述第二法拉第旋转镜FM2和延时线DL用于实现所述不等臂干涉仪的长臂。
基于上述技术方案可知，本发明的基于自干涉的两个独立激光器之间光频差的测量方法相对于现有技术至少具有如下有益效果的一部分：
本发明通过将难以测量的快变量Δθ
附图说明
图1示出了用于本发明的基于自干涉的两个独立激光器之间光频差的测量系统的一种实施方式；
图2示出了用于本发明的基于自干涉的两个独立激光器之间光频差的测量系统的另一种实施方式。
具体实施方式
本发明公开了一种基于自干涉的两个独立激光器之间光频差的测量方法，其中将难以测量的快变量Δθ
具体的，本发明公开了基于自干涉的两个独立激光器之间光频差的测量方法，包括以下步骤：
对第一激光器输出的连续激光信号进行斩波，生成多个第一光脉冲，以及对第二激光器输出的连续激光信号进行斩波，生成多个第二光脉冲；
对所述第一光脉冲和第二光脉冲分别进行相位调制，其中，在第[4(j-i)(i-1)+1]个至[4(j-i)(i-1)+3(j-i)]个脉冲上调制的相位为0，在第[4(j-i)(i-1)+3(j-i)+1]个至[4(j-i)i]个脉冲上调制的相位为π/2，所述第j个脉冲和第i个脉冲的时间间隔为Δt，j＞i＞0；
使多个所述第一光脉冲中时间间隔Δt的两个光脉冲在不等臂干涉仪中发生干涉，并利用两个光探测器对干涉结果进行探测，若两个脉冲之间所调制的相位差为0，则获得第一探测结果；若两个脉冲所调制的相位差为π/2或-π/2，则获得第二探测结果；
使多个所述第二光脉冲中时间间隔Δt的两个光脉冲在所述不等臂干涉仪中发生干涉，并利用所述两个光探测器对干涉结果进行探测，若两个脉冲之间所调制的相位差为0，则获得第三探测结果；若两个脉冲所调制的相位差为π/2或-π/2，则获得第四探测结果；
根据所述第一探测结果、所述第二探测结果、所述第三探测结果、所述第四探测结果和所述时间间隔Δt，计算所述第一激光器与所述第二激光器之间的光频差Δf。
其中，所述光探测器为单光子探测器；并且，
所述第一探测结果包括所述两个单光子探测器的统计计数
所述第二探测结果包括所述两个单光子探测器的统计计数
所述第三探测结果包括所述两个单光子探测器的统计计数
所述第四探测结果包括所述两个单光子探测器的统计计数
其中，
利用所述第一探测结果计算
利用所述第二探测结果计算
利用所述第三探测结果计算
利用所述第四探测结果计算
根据cos(Δθ
计算
根据Δθ
其中，所述光探测器为光电二极管，并且，
所述第一探测结果包括所述两个光电二极管的输出电流
所述第二探测结果包括所述两个光电二极管的输出电流
所述第三探测结果包括所述两个光电二极管的输出电流
所述第四探测结果包括所述两个光电二极管的输出电流
其中，
利用所述第一探测结果计算
利用所述第二探测结果计算
利用所述第三探测结果计算
利用所述第四探测结果计算
根据cos(Δθ
计算
根据Δθ
其中，所述Δθ
其中，所述时间间隔Δt被选择成使-π＜Δθ
其中，所述斩波借助幅度调制器来实现，和/或，所述相位调制借助相位调制器来实现。
其中，所述不等臂干涉仪包括第一分束器BS1、第二分束器BS2、偏振分束器PBS、法拉第旋转镜FM、以及具有Δt/2延时的延时线DL，所述法拉第旋转镜FM和延时线DL用于实现所述不等臂干涉仪的长臂。
其中，所述不等臂干涉仪包括第一环形器CIR1、第二环形器CIR2、分束器BS、第一法拉第旋转镜FM1、第二拉法第旋转镜FM2、以及具有Δt/2延时的延时线DL，所述第二法拉第旋转镜FM2和延时线DL用于实现所述不等臂干涉仪的长臂。
为了能够更全面地理解本发明的基于自干涉实现的两个独立激光器之间光频差测量方法，本文中首先介绍本发明的测量方法所依据的原理，其中将以彼此独立的激光器A和激光器B为例进行说明。
对于通过对连续光激光器A输出的连续激光信号进行斩波获得的一系列光脉冲而言，理想情况下，第i个光脉冲的相位
对连续光激光器B输出的连续激光信号进行同样地斩波，以获得一系列光脉冲，其中，理想情况下，第i个光脉冲的相位
因此，当激光器A和B之间存在光频差Δf＝f
相应地，激光器A和B中第j对脉冲之间的相位差Δθ
Δθ
其中，
由此可见，由于第j个光脉冲与第i个光脉冲之间的时间差Δt已知，因此只要测量相位差Δθ
且基于上述公式可知，可以将快变量Δθ
因此，优选可以将Δt选取为较小值，即Δt可以被选取成使-π＜Δθ
基于本发明提出的用于计算独立激光器之间光频差的上述理论基础，下文具体提出了利用同一激光器的光脉冲之间的自干涉分别获取慢变量Δθ
首先，分别对连续光激光器A和B输出的连续激光信号斩波以产生一系列弱光脉冲A和B，并对这些光脉冲进行相位调制，在第[4(j-i)(i-1)+1]个至[4(j-i)(i-1)+3(j-i)]个脉冲上调制的相位为0，在第[4(j-i)(i-1)+3(j-i)+1]个至[4(j-i)i]个脉冲上调制的相位为π/2，所述第j个脉冲和第i个脉冲的时间间隔为Δt，j＞i＞0。
使系列光脉冲A中时间间隔Δt的两个光脉冲(强度相同)在不等臂干涉仪中发生干涉，若两个脉冲之间所调制的相位差为0，记录两个单光子探测器的统计计数
使系列光脉冲B中时间间隔Δt的两个光脉冲(强度相同)在不等臂干涉仪中发生干涉，若两个脉冲之间所调制的相位差为0，记录两个单光子探测器的统计计数
由此，可以根据相位差Δθ
本发明的测量方法不仅可以在弱光(例如用于量子密钥分发的单光子)环境下测量两个独立激光器之间的光频差，还可以用于在强光环境下测量两个独立激光器之间的光频差。
在强光环境下，可以利用光电二极管作为探测器对不等臂干涉仪的两个输出端进行探测，探测结果可以根据光电二极管的输出电流来确定，即：
探测结果可以为电流值，例如
在用于自干涉的两个光脉冲因路径不同导致光强有差异时，可以利用tan(Δθ
图1和2分别示出了用于本发明的基于自干涉的两个独立激光器之间光频差测量系统的实施方式。
如图所示，测量系统可以包括第一激光器CW1、第一幅度调制器AM1、第一相位调制器PM1、不等臂干涉仪、第二激光器CW2、第二幅度调制器AM2、第二相位调制器PM2、以及第一探测器PD1和第二探测器PD2。
激光器CW1和CW2均为连续光激光器，用于生成连续激光信号。
第一幅度调制器AM1和第二幅度调制器AM2分别用于对激光器CW1和CW2输出的连续激光脉冲进行幅度调制，从而将连续激光脉冲斩波产生一系列光脉冲A和B。
第一相位调制器PM1和第二相位调制器PM2分别用于对光脉冲A和B进行相位调制。
不等臂干涉仪用于使同一激光器的时间间隔Δt的两个光脉冲发生干涉，对干涉结果进行探测并输出探测结果。因此，不等臂干涉仪中的长臂与短臂之间的光程差应该被设置为Δt。
图1示出了不等臂干涉仪的一种实施方式。
如图1所示，不等臂干涉仪可以包括第一分束器BS1、第二分束器BS2、偏振分束器PBS、法拉第旋转镜FM、具有Δt/2延时的延时线DL。其中，法拉第旋转镜FM和延时线用于实现不等臂干涉仪的长臂。
探测器可以为光电二极管(用于强光)或者单光子探测器(用于弱光)。
对于时间间隔为Δt的前后两个光脉冲，前一个脉冲进入第一分束器BS1后分为两个分量，分别沿长臂和短臂传播。其中，长臂上的分量经偏振分束器的P1端口进入偏振分束器，从P3端口输出经延时线DL被法拉第旋转镜FM反射，其偏振方向发生90度旋转并再次经延时线DL返回P3端口，并被偏振分束器反射从P2端口离开，朝向第二分束器BS2传播。此时，长臂上的分量相对于短臂上的分量出现了Δt的延时。
与前一个脉冲时间间隔Δt的后一个脉冲进入第一分束器BS1后分为两个分量，分别沿长臂和短臂传播。本领域技术人员容易理解，前一个脉冲的沿长臂传播的分量将在第二分束器BS2处与后一个脉冲沿短臂传播的分量发生干涉。
分别与第二分束器BS2的两个输出端口连接的第一和第二探测器PD1和PD2则分别对干涉结果进行探测。
图2示出了不等臂干涉仪的另一种实施方式。
如图2所示，不等臂干涉仪可以包括第一环形器CIR1、第二环形器CIR2、分束器BS、第一法拉第旋转镜FM1、第二拉法第旋转镜FM2、具有Δt/2延时的延时线DL。其中，第二法拉第旋转镜FM2和延时线DL用于实现不等臂干涉仪的长臂。
探测器可以为光电二极管(用于强光)或者单光子探测器(用于弱光)。
对于时间间隔为Δt的前后两个光脉冲，前一个脉冲先后经由第一环形器CIR1的端口P1和P2进入分束器BS后分为两个分量，分别沿长臂和短臂传播。其中，沿长臂传播的分量将两次经历延时线DL的延时后返回分束器BS，其返回分束器BS的时间相对于沿短臂传播的分量存在Δt的延时。
与前一个脉冲时间间隔Δt的后一个脉冲先后经由第一环形器CIR1的端口P1和P2进入分束器BS后分为两个分量，分别沿长臂和短臂传播。本领域技术人员容易理解，前一个脉冲的沿长臂传播的分量将在分束器BS处与后一个脉冲沿短臂传播的分量发生干涉。
分别与第一和第二环形器的端口P3连接的第一和第二探测器PD1和PD2则分别对干涉结果进行探测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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