陳娟　賈玉華

摘 要：近十幾年來，基于在傳感測量靈敏度和精確度等方面的特殊技術(shù)優(yōu)勢，量子傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展；量子傳感技術(shù)將為提升國家信息技術(shù)水平提供非常重要的基礎(chǔ)支撐。本文首先介紹了量子光纖傳感的研究現(xiàn)狀，提出了一個實現(xiàn)高分辨率的強度調(diào)制型量子光纖傳感器方案，最后討論了量子光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用以及未來發(fā)展面臨的問題。

關(guān)鍵詞：量子光纖傳感 量子信息 強度調(diào)制

中圖分類號：TN911.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）03-000-02

一、概述

光纖傳感器是伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一種新型傳感器。光纖傳感器的基本原理是將光經(jīng)過光纖傳到調(diào)制感應(yīng)區(qū)，待測參數(shù)在感應(yīng)區(qū)對光施加相互作用后，光的相應(yīng)參數(shù)發(fā)生變化并成為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)和參變量轉(zhuǎn)換后獲得被測參數(shù)。光纖傳感器用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學測量的優(yōu)點，抗干擾、耐腐蝕，還能適應(yīng)各種惡劣的氣象環(huán)境，可以進行長距離傳輸。光纖傳感器已廣泛用于位移、震動、轉(zhuǎn)動、壓力、彎曲、應(yīng)變等測量。光纖傳感器在精密測量和探測等領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用[1]，比如，光纖水聽器在潛艇探測方面的應(yīng)用、光纖陀螺儀在精確制導武器和導航方面的應(yīng)用等。目前，傳統(tǒng)光纖水聽器和光纖陀螺儀的測量精確度和探測靈敏度基本都達到理論極限并且與高精度探測的需求還有一定差距，這已成為精密測量、精確探測和定位技術(shù)發(fā)展的瓶頸，并制約相關(guān)高精尖裝備的發(fā)展。

光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，滿足了多種控制系統(tǒng)對信息獲取與傳輸?shù)母咭?，使得各領(lǐng)域的自動化程度越來越高，作為系統(tǒng)信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。目前，光纖傳感技術(shù)研究的主要方向包括（1）多用途，即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠?qū)Χ喾N物理量進行同時測量；（2）提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度；（3）新型傳感材料、傳感技術(shù)等。近十幾年來，基于在數(shù)據(jù)傳輸安全性、傳感測量靈敏度和精確度等方面的特殊技術(shù)優(yōu)勢，量子通信和量子傳感等量子信息技術(shù)[2-5]得到了快速發(fā)展，特別是具有較好應(yīng)用前景的量子光纖傳感技術(shù)也開始得到越來越多的研究。

量子傳感器通常是指利用量子效應(yīng)設(shè)計的用于感應(yīng)或測量被測量的裝置，量子傳感器被認為是下一代高精確和高分辨率的傳感系統(tǒng)。量子傳感器的實現(xiàn)方法包括基于量子糾纏、激光冷原子和量子光纖傳感的實現(xiàn)方式。按功能區(qū)分，量子傳感技術(shù)主要包括量子光纖陀螺儀、量子光纖水聽器、量子雷達、量子磁力儀和量子光纖傳感器等。目前，量子光纖傳感器具有更好的實用性。美國國防先期研究計劃局DARPA已經(jīng)立項量子傳感器的研究專題。美國的NIST和Los Alamos國家實驗室主要從事基于TES的微觀粒子探測技術(shù)，基于超導SQUID的磁場探測技術(shù)等。

由于量子信號對干擾十分敏感，任何形式的傳輸損耗和干擾都將導致量子數(shù)據(jù)丟失或產(chǎn)生突發(fā)量子誤碼，利用這些原理可以用于設(shè)計量子光纖傳感器，并將在精密測量、精確探測等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

以下首先介紹強度調(diào)制型光纖傳感器基本原理，然后介紹一種強度調(diào)制型的量子光纖傳感器。

二、基本原理

傳統(tǒng)強度調(diào)制型光纖傳感器的工作原理是[1]，利用被測量的擾動改變光纖中的光信號（寬譜光或窄帶光）的強度，通過測量輸出光強的變化規(guī)律實現(xiàn)對被測量的測量。由于環(huán)境參數(shù)變化擾動與光強損耗存在較好的線性關(guān)系，強度調(diào)制型光纖傳感器的性能比較穩(wěn)定，靈敏度和測量精確度都比較高。目前強度調(diào)制型光纖傳感器依然是應(yīng)用最廣泛的一種光纖傳感器。由于強度調(diào)制型光纖傳感器的理論模型還不夠系統(tǒng)化，并且由于傳感器的測量結(jié)果取決于射入光強變化特性、傳感光纖的耦合損耗、傳輸損耗、光電器件的耦合損耗等綜合因素，因此測量精確度有限。傳統(tǒng)強度調(diào)制型光纖位移傳感器（比如圖1所示的透射式光纖位移傳感器）的分辨率很難達到nm量級。

通過對傳統(tǒng)光纖傳感器的性能分析發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)光纖傳感器的不敏感區(qū)域或盲區(qū)，對量子傳感系統(tǒng)來說卻是一個具有更高自由度的極其敏感的測量區(qū)域，這正好是設(shè)計量子光纖傳感器的良好基礎(chǔ)。

通過對光纖彎曲式強度調(diào)制型光纖傳感器進行模擬發(fā)現(xiàn)，在光纖極度彎曲的情況下并緩慢松開的過程中，量子信號檢測器對通過彎曲光纖的光子數(shù)極其敏感，而傳統(tǒng)的光纖信號檢測儀器存在一定的測量盲區(qū)。

下面介紹如何基于強度調(diào)制型透射式光纖位移傳感器實現(xiàn)一個更高分辨率的強度調(diào)制型量子光纖傳感器。對于多模透射式光纖位移傳感器（如圖1所示），其耦合系數(shù)與軸間距的關(guān)系為：

其中N是光纖纖芯折射率與包層折射率的比值，r是光纖纖芯半徑，x是軸間距。根據(jù)公式（1）計算，多模透射式光纖位移傳感器的耦合系數(shù)與軸間距具有較好的線性關(guān)系（如圖2所示）。

通過計算可以可知，在射入光強度為0dBm、多模纖芯半徑r=1×10-4m的情況下，當耦合系數(shù)達到-70dB量級時，即位移x與纖芯半徑r之比接近1.9999時，輸出光強已達到幾十到幾百pW的變化量，由于光纖傳感器的工作方式和檢測方法的局限性，傳統(tǒng)光纖位移傳感器已不敏感。本文稱x/r大于1.9999并小于2的取值區(qū)間為傳統(tǒng)強度調(diào)制型光纖傳感器的極限區(qū)域。但是這個極限區(qū)域?qū)τ诰哂懈邷y量精度的測量儀器（比如pW量級分辨率的功率計或具有更高分辨率的單光子計數(shù)器）來說依然是一個較強的光信號，并且能夠被準確測量出來。

三、強度調(diào)制型量子光纖傳感器

與傳統(tǒng)強度調(diào)制型光纖傳感器的思路不同，我們采用如圖3所示的傳感方式（其中隔光板的作用是消除環(huán)境噪聲干擾，同時避免強光進入傳感光纖），即從傳統(tǒng)光纖傳感器耦合系數(shù)的極限值開始移動（并且僅僅在極限值區(qū)域內(nèi)進行精確測量），任意小的位移都將導致一定數(shù)量級的光子進入傳感器，可以根據(jù)單光子計數(shù)器檢測到的光子數(shù)量水平或光強大小測量位移等環(huán)境變化量，同時也可以采用高分辨率的功率計進行直接測量。

如圖3所示的透射式光纖位移傳感器，在不考慮實際傳感器的硬件系統(tǒng)參數(shù)影響的情況下，當耦合系數(shù)為-140dB時，位移量為10-9r； 當耦合系數(shù)為-125dB時，位移量為10-8r，以此類推。比如對于r=1×10-4m的多模光纖傳感器，當傳感光纖位移從0.001nm變化到0.01nm時，即軸間距從1.99999999r移動到1.9999999r，其耦合系數(shù)相差約15dB，也即一個數(shù)量級的位移具有大約15dB的自由度，因此靈敏度更高。由于此時的耦合系數(shù)小于-110dB，它對于傳統(tǒng)的傳感器和檢測器來說是一個不可分辨的光強波動，而對于具有量子分辨率的功率計或單光子計數(shù)器來說依然是一個較強的光信號，并且只要有任何一點位移，就會導致光子射入傳感光纖，進而被單光子計數(shù)器測量出來，因此可以根據(jù)光子數(shù)的多少判別這種微小位移量的大小。

根據(jù)公式（1）計算，當比值x/r從1.9999增加到1.99999999時，光強損耗約為60dB，相當于位移在10-4r到10-8r之間，每一個數(shù)量級上有15dB的自由度，因此，對于具有量子分辨率的功率計或單光子計數(shù)器來說是可以利用的自由度。從圖4可以看出，當x/r從1.99999增加到1.999999時，耦合系數(shù)相差約15個dB，位移與耦合系數(shù)具有更好的線性關(guān)系，可以通過直接測量微弱傳感光信號的光功率或單光子數(shù)量水平對微弱環(huán)境干擾（位移、溫度、壓力、輻射等）進行直接測量。因此這個區(qū)域是進行高精度測量的理想?yún)^(qū)域，在這個區(qū)域進行測量具有更高的靈敏度和分辨率。

研究表明，量子光纖傳感器的分辨率比傳統(tǒng)光纖傳感器高2個數(shù)量級以上。

四、結(jié)束語

傳統(tǒng)高、精、尖技術(shù)發(fā)展瓶頸問題的解決需要新型的技術(shù)途徑，量子光纖傳感器技術(shù)在突破測量精確度、探測靈敏度和準確度等方面將發(fā)揮重要作用， 基于本文提出的方法可以設(shè)計量子光纖水聽器，在海洋探測和測量領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。但是設(shè)計可投入實用的量子光纖水聽器等量子光纖傳感器依然具有較大的難度，加大投入對于相關(guān)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。

總之，近十年，量子傳感技術(shù)發(fā)展迅速，方興未艾。量子傳感的新型應(yīng)用途徑也值得深入發(fā)掘。毋庸置疑，量子傳感在信息技術(shù)領(lǐng)域中的實際應(yīng)用將改變未來信息對抗的格局。

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作者簡介：陳娟（1982.12-），女，漢族，河南商水，工程師/本科，目前主要從事高性能光纖傳感技術(shù)研發(fā)。