基于光频梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统及方法

摘要

本发明公布了一种基于光学频率梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统及方法，由数字控制模块、参考源、混频器、光电探测器、偏振分光器、玻片、压电陶瓷、泵浦源、雪崩光电探测器、扩谱光纤、倍频晶体结构形成闭合环路，即光学频率梳，其物理输出包括偏振分光器的输出和数字控制模块的输出；基于光学频率梳，通过捕获和冷却交替的方法完成冷铷原子双光子跃迁，并绘出冷铷原子双光子跃迁的光谱。本发明结构简单、成本较低、性能优良，能够解决现有技术中环境噪声、放大器相位噪声高，增强冷铷原子双光子跃迁谐振，确定光通信频率标准等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及双光子跃迁、光通信和光学频率梳技术，具体为一种光通信中基于光学频率梳(光频梳)增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统及方法。

背景技术

光频梳(光学频率梳)提供了多种稳定相干光源，被认为是设置频率标准的理想选择，并已应用于基于光纤的光通信。光频梳符合基于光纤的光通信所需的波长。光频梳在时域上产生超短光脉冲，在频域中产生多个相干光，长距离光纤传输技术是目前国内国际上比较先进的一种光纤传输技术，可以有效的避开干扰，降低噪声，发挥通信效能。光频梳产生的多个相干光具有相关频率的宽谱，并且有可能建立可见光，紫外光和红外光之间的关系。一个稳定的光频梳也连接光学和微波频率，并可以提供最纯净的微波频率源。光通信的频率标准和频率计量学的发展是光频梳的重要应用。

现有的光通信技术存在着环境噪声高、放大器相位噪声高，难以增强冷铷原子双光子跃迁谐振，难以确定光通信频率标准等问题。目前尚未出现采用基于光学频率梳的用于增强冷铷原子双光子跃迁谐振的光通信系统。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光学频率梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统及方法，其可用于增强冷铷原子双光子跃迁谐振，并且可以用于制定光通信频率标准，结构简单、成本较低、性能优良，能够解决现有技术中环境噪声、放大器相位噪声高，增强冷铷原子双光子跃迁谐振，确定光通信频率标准等问题。

本发明的原理是：在光通信设备领域，信号处理包括波形生成和模数转换器等。光学频率梳(光频梳)的窄线宽和相干频率非常适合频率标准，这反过来又提供了对光通信设备非常重要的准确性和便利性。另外，光频梳内的等间隔频率可以被视为不同的信号通道，这对于光通信应用是非常有利的。与此同时，光频梳内的等间隔频率带来超宽通信频段，光通信设备也从超宽通信频段中受益。利用光频梳设定通信标准也可以满足实现有效信息传输的需求。因此，本发明提出基于光学频率梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统，其可用于增强冷铷原子双光子跃迁谐振，并且可以用于制定光通信频率标准；同时，系统的结构简单、成本较低、性能优良。

本发明提供的技术方案是：

一种基于光频梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统，包括雪崩光电探测器、多个倍频晶体、泵浦、开关、滤光片、声光调制器、光电探测器、单光子探测器、参考源、数字控制模块、压电陶瓷、多个玻片、多块偏振分光器、磁光阱、激光冷却器、泵浦源、扩谱光纤、混频器。所述参考源与混频器相连，所述混频器与泵浦源相连，所述泵浦源与压电陶瓷相连，所述泵浦源与玻片相连，第一玻片与第一偏振分光器相连，所述第一偏振分光器分别与另外两块玻片(第二玻片、第三玻片)串联，所述第三玻片与压电陶瓷相连，所述数字控制模块与压电陶瓷相连，所述数字控制模块与声光调制器相连，所述数字控制模块与开关相连，所述第二偏振分光器与光电探测器相连，所述光电探测器与混频器相连，所述参考源于混频器相连，所述混频器与数字控制模块相连，所述偏振分光片与倍频晶体相连，第一倍频晶体与扩谱光纤相连，所述扩谱光纤与雪崩光电探测器相连，所述雪崩光电探测器与混频器相连，所述偏振分光片与倍频晶体相连，所述倍频晶体与滤光片相连，所述滤光片与声光调制器相连，所述声光调制器与磁光阱相连，所述磁光阱与单光子探测器相连，所述开关与激光冷却器相连，所述激光冷却器与磁光阱相连，所述单光子探测器与数字控制模块相连，泵浦与第二倍频晶体相连，所述泵浦与第三偏振分光器相连。所述数字控制模块控制信号分为三路，第一路输出到压电陶瓷，第二路输出至声光调制器，第三路输出至开关。由数字控制模块、参考源、混频器、光电探测器、多块偏振分光器、多块玻片、压电陶瓷、泵浦源、雪崩光电探测器、扩谱光纤、第一倍频晶体结构可形成一个闭合环路，整个闭合环路即光学频率梳；光学频率梳的主要物理输出包括第三偏振分光器的输出，还包括数字控制模块的输出。

优选的，所述开关为电开关。

本发明中，泵浦源的输出进入到回路中，即由压电陶瓷，三块玻片和第一偏振分光器构成的锁相环路，再被第一偏振分光器分为两束。其中一束用于在回路中，构成锁相环，循环完成锁定功能，以稳定频率梳的中心频率。另一束光在经过第二偏振分光器分成两束，其中第一束光用于进入光电探测器，完成光信号到电信号的转换功能，转换为电信号，再经由参考源提供的频率在混频器中进行混频，将混频后的信号输入到数字控制模块中，作为反馈给数字控制模块的信息，提取出重复频率。第二束光输入到第三偏振分光器中再次分为两束，其中一束光通过泵浦提升功率后输入到倍频晶体，通过倍频晶体完成频率整数倍倍增功能，将倍频后的光输入到扩谱光纤中，完成光纤频谱扩展，再输入雪崩光电探测器中，从而探测并提取所需的初始频率。将雪崩光电探测器的输出经由参考源提供的频率在混频器中进行混频，混频后信号通过泵浦源提高功率，并进入到锁相环路中。另一束第三偏振分光器输出的光通过泵浦提升功率后进入倍频晶体，完成频率整数倍倍增功能，在将倍频后的光进入滤光片，完成带通滤光功能，滤除其他频率，仅输出特定频率的光，再输入到声光调制器，结合控制信号，完成原输出与频移输出的功能。再将光输入到磁光阱中，结合连续光与控制信号控制的开关，通断激光冷却器进行双光子跃迁。其可以通过单光子探测器，探测一个周期内光子并计数，从而可以描绘出来离散光谱。单光子探测器描绘离散光谱后输入到数字控制模块中，完成信号收集功能。并将控制信号中的一路输入到压电陶瓷中，从而控制对于频率梳的腔长，调整输出光的参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的基于光频梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统科学合理，简单方便。较之现有的增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统，本发明模块化清晰，结构更简单、性能更优良。本发明提出的系统，其工作波段在1550nm位于光通信所在波段，该系统可以为光通信提供硬件基础，为光通信的反正起到了推动作用。

本发明包括雪崩光电探测器、倍频晶体、泵浦、开关、滤光片、声光调制器、光电探测器、单光子探测器、参考源、数字控制模块、压电陶瓷、玻片、偏振分光器、磁光阱、激光冷却器、泵浦源、扩谱光纤、混频器，各模块均为集成化处理电路，各个模块集成在一个装置中，结构简单、使用方便、体积小、成本低。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图中：1—雪崩光电探测器；2—倍频晶体；3—泵浦；4—开关；5—滤光片；6—声光调制器；7—光子探测器；8—单光子探测器；9—混频器；10—数字控制模块；11—压电陶瓷；12—玻片；13—参考源；14—泵浦源；15—偏振分光器；16—磁光阱；17—激光冷却器；18—扩谱光纤。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种基于光学频率梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的光通信系统，可用于增强冷铷原子双光子跃迁谐振，并且可以用于制定光通信频率标准，结构简单、成本较低、性能优良。

图1是本发明提供的基于光学频率梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统的一种实施例的结构：包括雪崩光电探测器1；倍频晶体2；泵浦3；开关4；滤光片5；声光调制器6；光子探测器7；单光子探测器8；混频器9；数字控制模块10；压电陶瓷11；玻片12；参考源13；泵浦源14；偏振分光器15；磁光阱16；激光冷却器17；扩谱光纤18。

其中，参考源与混频器相连，混频器与泵浦源相连，泵浦源与压电陶瓷相连，泵浦源与玻片相连，玻片与第一偏振分光器相连，第一偏振分光器分别与另外两块玻片串联，玻片与压电陶瓷相连，数字控制模块与压电陶瓷相连，数字控制模块与声光调制器相连，数字控制模块与开关相连，第二偏振分光器与光电探测器相连，光电探测器与混频器相连，参考源于混频器相连，混频器与数字控制模块相连，偏振分光片与倍频晶体相连，倍频晶体与扩谱光纤相连，扩谱光纤与雪崩光电探测器相连，雪崩光电探测器与混频器相连，偏振分光片与倍频晶体相连，倍频晶体与滤光片相连，滤光片与声光调制器相连，声光调制器与磁光阱相连，磁光阱与单光子探测器相连，开关与激光冷却器相连，激光冷却器与磁光阱相连，单光子探测器与数字控制模块相连，泵浦与倍频晶体相连，泵浦与第三偏振分光器相连。数字控制模块控制信号分为三路，第一路输出到压电陶瓷，第二路输出至声光调制器，第三路输出至开关。

上述基于光学频率梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统的组成结构中，雪崩光电探测器用来探测并提取初始频率；倍频晶体用来完成倍频功能，即频率呈倍数扩增；泵浦用于提升功率；开关(电开关)用于接收控制信号，通过控制信号判断是否开启激光冷却器；滤光片用于滤除其他频率光，只允许特性频率光通过；声光调制器有两种输出，一种是原频率光输出，一种是对原频率光进行几十兆赫兹移频后输出，通过控制信号选择哪种输出方式；光电探测器用于完成光信号和电信号转换的功能；单光子探测器用于检测单光子数量，从而可以画出离散的光谱；参考源用于提供混频所需要的频率；数字控制模块用于结合单光子探测器的输出来确定各项输出的状态，完成几项控制功能：①.调节压电陶瓷，从而改变频率梳腔长；②.控制开关通断，从而决定激光冷却器是否打开；③.控制声光调制器，选择输出方式。压电陶瓷用于接收数字控制模块的控制信号，从而调节进而改变频率梳腔长。玻片用于对光进行相移；泵浦源用于提升功率，进而将混频后的光叠加到环路中。偏振分光器用于完成分光功能，将一路输出进入分光器的光分成两路输出。磁光阱用于通过连续光、间歇激光冷却与声光调制器的输出进行反应，完成双光子跃迁过程。并可通过单光子探测器，实时测量光谱。激光冷却器通过利用反亥姆霍兹线圈，通电时产生磁场，对铷原子进行冷却。通过扩谱光纤对光纤输入的光进行扩频，即扩宽频谱。

利用上述基于光学频率梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统完成了基于光学频率梳的冷却系统中的冷铷原子双光子跃迁谐振实验。为了满足光通信波长要求，本实施例中，采用连续光作为激发的来源。系统采用了捕获和冷却的方法来降低原子速度和缩小原子共振线宽，其中捕获与冷却是由于在磁光阱中，若铷原子温度过高，则原子会产生多普勒频移，使得测量不精确，而若在测量时，激光冷却器依然处于打开状态，其内部的反亥姆霍兹线圈会导致铷原子发生塞曼分裂使得原子能级的原子跃迁谱变宽，也使得测量不精确。故必须采用捕获与冷却方法，具体步骤为先通过控制信号打开激光冷却器，待铷原子冷却到一定温度后，断开激光冷却器，同时立刻控制声光调制器完成单光子探测器的测量，再重新打开激光冷却器，循环往复测量，从而使得参考线宽的限制或锁定光学频率梳的参考点更加准确。

本发明提供的基于光学频率梳增强冷铷原子双光子跃迁谐振的系统的工作过程如下：

首先参考源与雪崩探测器输出进行混频，得到的混频信号通过泵浦源进行功率提升后进入到回路中，回路由压电陶瓷，三块玻片和第一偏振分光器构成，泵浦源输出在经由第二偏振分光器分为两部分，第一部分光用于在回路中循环，从而构成锁相环，循环完成锁定功能，用来稳定频率梳的中心频率。另一部分光再通过第二偏振分光器分为两路，第一路光用于进入光电探测器，在光电探测器中，转换成电信号，并将电信号与参考源提供的频率在混频器中进行混频，得到的混频信号输入到数字控制模块中，完成环路中对数字控制信号的反馈信息，同时可通过该信号提取出重复频率。第二路光通过偏振分光片再次分为两路，其中一束光通过泵浦提升功率后输入到倍频晶体，完成频率整数倍倍增，再将倍频后的信号通过扩谱光纤，进行其频谱的扩展，扩展后输入到雪崩光电探测器中，通过雪崩光电探测器提取出所需的初始频率，作为雪崩光电探测器的输出。第三偏振分光器输出的另一束光通过泵浦提升功率后进入倍频晶体，同样完成频率整数倍倍增功能，再将倍频后的光输入到滤光片中，滤除其他频率，仅输出特定频率的光，再将特定频率的光输入到声光调制器中，结合数字控制模块提供给声光调制器的控制信号，完成原输出和频移输出这两种输出方式的交替输出。该交替输出信号进入到磁光阱，结合连续光和由控制信号通断的激光冷却器完成双光子跃迁，磁光阱中的光谱可由单光子探测器通过在一个周期内光子并计数，从而可以描绘出来离散光谱。单光子探测器描绘离散光谱后输入到数字控制模块中，完成信号收集功能，并将控制信号中的一路输入到压电陶瓷中，从而控制对于频率梳的腔长，调整输出光的参数。

本发明可以通过该系统的上述结构实现一种频率梳架构，同时，基于这种频率梳，通过捕获和冷却交替的方法在1550nm工作波段上完成冷铷原子双光子跃迁，并绘出冷铷原子双光子跃迁的光谱，为光通信的基准波段提供通信基础。

需要注意的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。