徐 強(qiáng)，沈 思，謝修敏，吳 鵬，周 強(qiáng)，鄧光偉，王 浟,，宋海智,

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

引 言

激光雷達(dá)是一種用于探測(cè)潛在目標(biāo)的先進(jìn)工具[1-2]，在軍民兩用系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用。其基本工作原理是將激光信號(hào)以定向方式發(fā)射到擬探測(cè)空間中，若該空間中存在潛在目標(biāo)，發(fā)射的激光信號(hào)將被潛在目標(biāo)漫反射回到雷達(dá)基站，并被接收裝置檢測(cè)到；進(jìn)一步地，根據(jù)激光信號(hào)的發(fā)射角度、時(shí)間、頻率以及被接收到反射信號(hào)的時(shí)間和頻率等參量，激光雷達(dá)系統(tǒng)便可確定出潛在目標(biāo)的方位、距離、速度和形狀等信息[3-6]。目前，激光雷達(dá)技術(shù)正面臨著靈敏度、分辨率、抗干擾、反隱身能力等方面的技術(shù)瓶頸，已不能很好地滿足日益增長(zhǎng)的探測(cè)需求。

近年來，利用量子物理資源的激光雷達(dá)技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重視。該技術(shù)的基本思想是將量子力學(xué)的基本原理應(yīng)用到激光雷達(dá)技術(shù)中，在靈敏度、定位精度和抗電磁干擾等關(guān)鍵性能上，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)激光雷達(dá)的超越[7-10]。由于使用到量子態(tài)疊加原理、任意量子態(tài)不可克隆原理、不確定性原理、量子增強(qiáng)探測(cè)和量子糾纏等量子物理基本原理、技術(shù)和資源，該新型雷達(dá)技術(shù)被稱為量子雷達(dá)技術(shù)，其在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用前景正在接受各國(guó)研究人員的廣泛論證[11-13]。

具體地，量子光學(xué)技術(shù)有潛力在以下3個(gè)方面幫助激光雷達(dá)突破現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)。一是將光學(xué)干涉增強(qiáng)、半導(dǎo)體非線性雪崩效應(yīng)、超導(dǎo)材料相變機(jī)制應(yīng)用到光電檢測(cè)技術(shù)中，可以實(shí)現(xiàn)單光子水平的光信號(hào)探測(cè)，進(jìn)而打破線性光電探測(cè)器在靈敏度和探測(cè)帶寬之間的相互制約，可以提高激光雷達(dá)系統(tǒng)的靈敏度和探測(cè)距離[14]。二是將檢測(cè)外界對(duì)光量子態(tài)擾動(dòng)的方法應(yīng)用到激光雷達(dá)系統(tǒng)中，可以幫助激光雷達(dá)系統(tǒng)主動(dòng)識(shí)別出被探測(cè)目標(biāo)對(duì)雷達(dá)信號(hào)所做的擾動(dòng)，從物理層面上解決傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)存在的“截取-重發(fā)”安全漏洞，實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾能力強(qiáng)、更安全和更穩(wěn)定的新型雷達(dá)系統(tǒng)[15]。三是將量子光學(xué)技術(shù)中的量子糾纏、量子干涉等資源和技術(shù)引入到激光雷達(dá)系統(tǒng)中，把具有量子關(guān)聯(lián)和糾纏特性的光子對(duì)(比如雙光子偏振糾纏、能量-時(shí)間糾纏、頻率-路徑糾纏、多光子路徑糾纏)作為新型雷達(dá)系統(tǒng)的照明光源，通過檢測(cè)光子之間的量子關(guān)聯(lián)和糾纏特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)和高精度的空間定位。量子光學(xué)技術(shù)還能夠提供基于Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉的被探測(cè)目標(biāo)空間信息檢測(cè)方式，該檢測(cè)方式使用全同光子的聚束特性，當(dāng)全同光子波包寬度達(dá)到飛秒量級(jí)時(shí)，使用HOM干涉對(duì)被探測(cè)目標(biāo)空間信息的分辨率可以達(dá)到十微米以下，可大大提升雷達(dá)系統(tǒng)的空間分辨率[16-20]。

綜上所述，將量子光學(xué)技術(shù)應(yīng)用到雷達(dá)系統(tǒng)中具有十分重要的研究意義，可以在雷達(dá)系統(tǒng)的抗電磁干擾、高精度定位和目標(biāo)識(shí)別等方面突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，提升激光雷達(dá)的綜合性能。針對(duì)量子光學(xué)技術(shù)研究在激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，目前作者所在課題小組已開展了量子光學(xué)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定進(jìn)展，已制備出基于色散位移光纖(dispersion-shifted fiber，DSF)的關(guān)聯(lián)雙光子源，測(cè)試了關(guān)聯(lián)雙光子源的量子關(guān)聯(lián)特性；搭建HOM干涉檢測(cè)平臺(tái)，并進(jìn)行了弱相干光-單光子源的HOM干涉檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 關(guān)聯(lián)雙光子源的制備

關(guān)聯(lián)雙光子源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中脈沖激光器提供抽運(yùn)光，抽運(yùn)光的頻率為ωp，中心波長(zhǎng)為1552.36nm，信號(hào)光(頻率為ωs)和閑頻光(頻率為ωi)的中心波長(zhǎng)分別為1555.53nm和1549.21nm。在圖1的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，抽運(yùn)源為窄脈沖激光器，由直接調(diào)制半導(dǎo)體激光二極管方案實(shí)現(xiàn)激光脈沖輸出，激光脈沖的半峰全寬為5.78ps，重復(fù)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(diào)光衰減器(variable optical attenuator，VOA)進(jìn)行調(diào)節(jié)。密集波分復(fù)用器1(dense wavelength division multiplexer,DWDM)的中心波長(zhǎng)為1552.36nm，其作用為濾除由EDFA帶來的放大自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission，ASE)噪聲，以提高脈沖抽運(yùn)光的邊帶抑制比。脈沖抽運(yùn)光經(jīng)由EDFA,VOA和DWDM 1對(duì)功率和邊帶抑制比調(diào)節(jié)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(fā)生四波混頻過程并產(chǎn)生關(guān)聯(lián)雙光子對(duì)。雙光子產(chǎn)生過程滿足能量和動(dòng)量守恒，即2ωp=ωs+ωi，2kp=ks+ki。其中ωp,ωs,ωi分別表示抽運(yùn)光、信號(hào)光、閑頻光的頻率，kp,ks,ki分別表示抽運(yùn)光、信號(hào)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(fā)喇曼散射過程產(chǎn)生的噪聲光子對(duì)關(guān)聯(lián)雙光子源性能的影響，實(shí)驗(yàn)中DSF靜置于液氮(77K)環(huán)境，通過降低其環(huán)境溫度抑制喇曼噪聲光子的產(chǎn)生。產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)雙光子和剩余抽運(yùn)光緊接著進(jìn)入到分光濾波裝置中。分光濾波裝置由密集波分復(fù)用器件(DWDM 2，DWDM 3)組成，可將滿足能量守恒關(guān)系的信號(hào)/閑頻光子和抽運(yùn)光分離開，并分別從3個(gè)端口輸出。實(shí)驗(yàn)中使用的分光濾波裝置選取的信號(hào)和閑頻光子的波長(zhǎng)分別為1555.53nm和1549.21nm，對(duì)應(yīng)光通信系統(tǒng)的C27和C35通道，每個(gè)通道設(shè)計(jì)的3dB濾波帶寬約為1nm。信號(hào)/閑頻光子的輸出通道與剩余抽運(yùn)光輸出通道的隔離度大于120dB，保證輸出雙光子態(tài)的測(cè)量不會(huì)受到剩余抽運(yùn)光子的影響。其中，波長(zhǎng)為1549.21nm的光子由DWDM 2的T端口輸出，波長(zhǎng)為1555.53nm的光子由DWDM 3的T端口輸出，殘余抽運(yùn)光由DWDM 3的R端口輸出，并使用功率計(jì)對(duì)其進(jìn)行功率監(jiān)測(cè)。

1.2 HOM干涉檢測(cè)平臺(tái)

HOM干涉檢測(cè)平臺(tái)如圖2所示。作者用一個(gè)自制的被動(dòng)鎖模激光器產(chǎn)生的飛秒光脈沖(重復(fù)頻率：5MHz，脈沖寬度：約800fs)作為光源，然后使用VOA調(diào)節(jié)光脈沖功率到單光子水平后得到弱相干態(tài)。衰減后的光脈沖經(jīng)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(diào)延時(shí)線以及偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)后，兩路光脈沖在光子數(shù)、時(shí)延以及偏振方向這些自由度上保持全同，隨后兩個(gè)光脈沖在50∶50的保偏耦合器處發(fā)生干涉。干涉后的光脈沖分別送到兩個(gè)單光子探測(cè)器(single-photon detector，SPD)SPD 1和SPD 2中，探測(cè)效率70%，死時(shí)間50ns，暗計(jì)數(shù)小于100Hz)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)器輸出的電信號(hào)輸入到符合計(jì)數(shù)裝置(ID Quantique，ID 900，符合門寬2ns)中來進(jìn)行符合測(cè)量。

Fig.2 Setup of the HOM interferometer

2 結(jié)果與討論

2.1 關(guān)聯(lián)雙光子源的性能表征

在不同的抽運(yùn)光功率下，測(cè)量了信號(hào)/閑頻輸出端口的光子數(shù)量，其結(jié)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(chǎn)生的信號(hào)/閑頻光子以及自發(fā)喇曼散射過程產(chǎn)生的光子?？梢钥吹?1549.21nm和1555.53nm的光子數(shù)隨著抽運(yùn)功率的增加而增加，兩條曲線之間有細(xì)微差別，其主要原因?yàn)?549.21nm和1555.53nm的光子到達(dá)輸出端口的路徑不同，損耗也不相同，所以1555.53nm的光子數(shù)比1549.21nm的光子數(shù)小。

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

此外，在不同的抽運(yùn)光功率下，作者對(duì)信號(hào)/閑頻輸出端口的光子分別進(jìn)行了符合計(jì)數(shù)(coincidence count，CC)和偶然符合計(jì)數(shù)(accidental coincidence count，AC)，通過二者的比值得到符合偶然符合計(jì)數(shù)比(coincidence count to accidental coincidence count ratio，CAR)，用以對(duì)關(guān)聯(lián)源的性能進(jìn)行判定。不同功率下的CC,AC,CAR值如圖4所示。可以看到,隨著抽運(yùn)光功率的增大，CC和AC值也逐漸增大，雙光子產(chǎn)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(guān)聯(lián)特性，且隨著抽運(yùn)光功率增大而逐漸減小，其主要原因是自發(fā)喇曼散射過程隨著抽運(yùn)光功率的增大也愈發(fā)明顯，造成偶然符合計(jì)數(shù)值增大。因此在后續(xù)的研究工作中，作者將重點(diǎn)研究如何降低DSF中自發(fā)喇曼散射過程產(chǎn)生的噪聲光子數(shù)量，以及如何提高四波混頻過程中信號(hào)/閑頻光子對(duì)的產(chǎn)生效率，得到高CAR值的關(guān)聯(lián)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(cè)

通過調(diào)節(jié)可調(diào)延時(shí)線，作者進(jìn)行了弱相干光-單光子源的HOM干涉測(cè)量，結(jié)果如圖5所示，點(diǎn)表示測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)線為擬合結(jié)果。HOM干涉結(jié)果的半峰全寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)為284.06μm±9.94nm，干涉可見度V=0.41±0.01。HOM干涉結(jié)果的半峰全寬對(duì)應(yīng)的時(shí)間值(約950fs)與飛秒脈沖的脈寬(約800fs)相當(dāng)，一定程度上反映了弱相干光源的時(shí)域特性。由于實(shí)驗(yàn)中部分器件與理論模型存在差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值(0.5)存在一定的偏差，在接下來的工作中，作者將進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)量裝置，提升干涉可見度。

Fig.5 The coincidence counts of HOM interference

量子力學(xué)的基本原理表明，對(duì)量子信號(hào)的任何操作都將毀壞或擾動(dòng)其原有量子狀態(tài)，因此,量子雷達(dá)系統(tǒng)還可以通過分析返回量子信號(hào)的量子狀態(tài)是否改變，識(shí)別雷達(dá)信號(hào)是否被潛在目標(biāo)干擾，這對(duì)于提升雷達(dá)系統(tǒng)識(shí)別和對(duì)抗干擾的能力具有很大的幫助。

在基于雙光子態(tài)的量子照射雷達(dá)系統(tǒng)中，兩個(gè)全同光子的雙光子HOM干涉效應(yīng)，可以進(jìn)一步將量子雷達(dá)系統(tǒng)的定位精度提高到亞毫米量級(jí)。例如在作者所搭建的HOM干涉平臺(tái)中，采用頻率簡(jiǎn)并的雙光子源作為激光雷達(dá)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(dá)的回波信號(hào)，當(dāng)光子波包寬度達(dá)到飛秒量級(jí)時(shí)，通過HOM干涉測(cè)量回波光子的到達(dá)時(shí)間，被探測(cè)目標(biāo)空間信息的時(shí)間分辨率可以達(dá)到0.95ps±0.03ps，其對(duì)應(yīng)空間分辨率為284.06μm±9.94μm，這大大有利于提升激光雷達(dá)的空間分辨率。此外，由于HOM干涉是2階強(qiáng)度的干涉，與干涉儀兩臂的相位差無關(guān)，所以在使用HOM干涉方式檢測(cè)信號(hào)的過程中，不要求干涉儀本身的穩(wěn)定性，這對(duì)于遠(yuǎn)距離探測(cè)目標(biāo)的空間位置信息意義重大。

3 結(jié) 論

針對(duì)激光雷達(dá)突破經(jīng)典探測(cè)極限的需求，本文中研究了量子關(guān)聯(lián)測(cè)量和HOM干涉測(cè)量在激光雷達(dá)探測(cè)上的可能應(yīng)用。制備了基于色散位移光纖的關(guān)聯(lián)雙光子源，該關(guān)聯(lián)雙光子源的產(chǎn)生率最大約為8kHz，符合/偶然符合計(jì)數(shù)比最大值約為15；對(duì)弱相干光源進(jìn)行了HOM干涉檢測(cè)，干涉可見度達(dá)到0.41±0.01，用于激光雷達(dá)將提升空間分辨率到微米級(jí)(284.06μm±9.94μm)。在未來的工作中，作者將進(jìn)一步提升關(guān)聯(lián)雙光子源的性能，優(yōu)化HOM干涉檢測(cè)平臺(tái)，并研究偏振糾纏、能量-時(shí)間糾纏、路徑糾纏等雙光子源。