一个高精度的量子光纤传感方案

陈娟　贾玉华

摘 要：近十几年来，基于在传感测量灵敏度和精确度等方面的特殊技术优势，量子传感技术得到了快速发展；量子传感技术将为提升国家信息技术水平提供非常重要的基础支撑。本文首先介绍了量子光纤传感的研究现状，提出了一个实现高分辨率的强度调制型量子光纤传感器方案，最后讨论了量子光纤传感技术的应用以及未来发展面临的问题。

关键词：量子光纤传感 量子信息 强度调制

中图分类号：TN911.2 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）03-000-02

一、概述

光纤传感器是伴随着光纤通信技术的发展而逐步形成的一种新型传感器。光纤传感器的基本原理是将光经过光纤传到调制感应区，待测参数在感应区对光施加相互作用后，光的相应参数发生变化并成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调和参变量转换后获得被测参数。光纤传感器用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的优点，抗干扰、耐腐蚀，还能适应各种恶劣的气象环境，可以进行长距离传输。光纤传感器已广泛用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变等测量。光纤传感器在精密测量和探测等领域发挥着十分重要的作用[1]，比如，光纤水听器在潜艇探测方面的应用、光纤陀螺仪在精确制导武器和导航方面的应用等。目前，传统光纤水听器和光纤陀螺仪的测量精确度和探测灵敏度基本都达到理论极限并且与高精度探测的需求还有一定差距，这已成为精密测量、精确探测和定位技术发展的瓶颈，并制约相关高精尖装备的发展。

光纤传感技术的迅速发展，满足了多种控制系统对信息获取与传输的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，作为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究非常重要。目前，光纤传感技术研究的主要方向包括（1）多用途，即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量；（2）提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度；（3）新型传感材料、传感技术等。近十几年来，基于在数据传输安全性、传感测量灵敏度和精确度等方面的特殊技术优势，量子通信和量子传感等量子信息技术[2-5]得到了快速发展，特别是具有较好应用前景的量子光纤传感技术也开始得到越来越多的研究。

量子传感器通常是指利用量子效应设计的用于感应或测量被测量的装置，量子传感器被认为是下一代高精确和高分辨率的传感系统。量子传感器的实现方法包括基于量子纠缠、激光冷原子和量子光纤传感的实现方式。按功能区分，量子传感技术主要包括量子光纤陀螺仪、量子光纤水听器、量子雷达、量子磁力仪和量子光纤传感器等。目前，量子光纤传感器具有更好的实用性。美国国防先期研究计划局DARPA已经立项量子传感器的研究专题。美国的NIST和Los Alamos国家实验室主要从事基于TES的微观粒子探测技术，基于超导SQUID的磁场探测技术等。

由于量子信号对干扰十分敏感，任何形式的传输损耗和干扰都将导致量子数据丢失或产生突发量子误码，利用这些原理可以用于设计量子光纤传感器，并将在精密测量、精确探测等技术领域发挥重要作用。

以下首先介绍强度调制型光纤传感器基本原理，然后介绍一种强度调制型的量子光纤传感器。

二、基本原理

传统强度调制型光纤传感器的工作原理是[1]，利用被测量的扰动改变光纤中的光信号（宽谱光或窄带光）的强度，通过测量输出光强的变化规律实现对被测量的测量。由于环境参数变化扰动与光强损耗存在较好的线性关系，强度调制型光纤传感器的性能比较稳定，灵敏度和测量精确度都比较高。目前强度调制型光纤传感器依然是应用最广泛的一种光纤传感器。由于强度调制型光纤传感器的理论模型还不够系统化，并且由于传感器的测量结果取决于射入光强变化特性、传感光纤的耦合损耗、传输损耗、光电器件的耦合损耗等綜合因素，因此测量精确度有限。传统强度调制型光纤位移传感器（比如图1所示的透射式光纤位移传感器）的分辨率很难达到nm量级。

通过对传统光纤传感器的性能分析发现，在传统光纤传感器的不敏感区域或盲区，对量子传感系统来说却是一个具有更高自由度的极其敏感的测量区域，这正好是设计量子光纤传感器的良好基础。

通过对光纤弯曲式强度调制型光纤传感器进行模拟发现，在光纤极度弯曲的情况下并缓慢松开的过程中，量子信号检测器对通过弯曲光纤的光子数极其敏感，而传统的光纤信号检测仪器存在一定的测量盲区。

下面介绍如何基于强度调制型透射式光纤位移传感器实现一个更高分辨率的强度调制型量子光纤传感器。对于多模透射式光纤位移传感器（如图1所示），其耦合系数与轴间距的关系为：

其中N是光纤纤芯折射率与包层折射率的比值，r是光纤纤芯半径，x是轴间距。根据公式（1）计算，多模透射式光纤位移传感器的耦合系数与轴间距具有较好的线性关系（如图2所示）。

通过计算可以可知，在射入光强度为0dBm、多模纤芯半径r=1×10-4m的情况下，当耦合系数达到-70dB量级时，即位移x与纤芯半径r之比接近1.9999时，输出光强已达到几十到几百pW的变化量，由于光纤传感器的工作方式和检测方法的局限性，传统光纤位移传感器已不敏感。本文称x/r大于1.9999并小于2的取值区间为传统强度调制型光纤传感器的极限区域。但是这个极限区域对于具有更高测量精度的测量仪器（比如pW量级分辨率的功率计或具有更高分辨率的单光子计数器）来说依然是一个较强的光信号，并且能够被准确测量出来。

三、强度调制型量子光纤传感器

与传统强度调制型光纤传感器的思路不同，我们采用如图3所示的传感方式（其中隔光板的作用是消除环境噪声干扰，同时避免强光进入传感光纤），即从传统光纤传感器耦合系数的极限值开始移动（并且仅仅在极限值区域内进行精确测量），任意小的位移都将导致一定数量级的光子进入传感器，可以根据单光子计数器检测到的光子数量水平或光强大小测量位移等环境变化量，同时也可以采用高分辨率的功率计进行直接测量。

如图3所示的透射式光纤位移传感器，在不考虑实际传感器的硬件系统参数影响的情况下，当耦合系数为-140dB时，位移量为10-9r； 当耦合系数为-125dB时，位移量为10-8r，以此类推。比如对于r=1×10-4m的多模光纤传感器，当传感光纤位移从0.001nm变化到0.01nm时，即轴间距从1.99999999r移动到1.9999999r，其耦合系数相差约15dB，也即一个数量级的位移具有大约15dB的自由度，因此灵敏度更高。由于此时的耦合系数小于-110dB，它对于传统的传感器和检测器来说是一个不可分辨的光强波动，而对于具有量子分辨率的功率计或单光子计数器来说依然是一个较强的光信号，并且只要有任何一点位移，就会导致光子射入传感光纤，进而被单光子计数器测量出来，因此可以根据光子数的多少判别这种微小位移量的大小。

根据公式（1）计算，当比值x/r从1.9999增加到1.99999999时，光强损耗约为60dB，相当于位移在10-4r到10-8r之间，每一个数量级上有15dB的自由度，因此，对于具有量子分辨率的功率计或单光子计数器来说是可以利用的自由度。从图4可以看出，当x/r从1.99999增加到1.999999时，耦合系数相差约15个dB，位移与耦合系数具有更好的线性关系，可以通过直接测量微弱传感光信号的光功率或单光子数量水平对微弱环境干扰（位移、温度、压力、辐射等）进行直接测量。因此这个区域是进行高精度测量的理想区域，在这个区域进行测量具有更高的灵敏度和分辨率。

研究表明，量子光纤传感器的分辨率比传统光纤传感器高2个数量级以上。

四、结束语

传统高、精、尖技术发展瓶颈问题的解决需要新型的技术途径，量子光纤传感器技术在突破测量精确度、探测灵敏度和准確度等方面将发挥重要作用， 基于本文提出的方法可以设计量子光纤水听器，在海洋探测和测量领域有重要应用前景。但是设计可投入实用的量子光纤水听器等量子光纤传感器依然具有较大的难度，加大投入对于相关技术发展至关重要。

总之，近十年，量子传感技术发展迅速，方兴未艾。量子传感的新型应用途径也值得深入发掘。毋庸置疑，量子传感在信息技术领域中的实际应用将改变未来信息对抗的格局。

参考文献

[1]李川.光纤传感器技术[M].科学出版社，2012：24-35.

[2]CHBennett，andGBrassard.Quantumcryptography：publickeydistributionandcointossing[C].InternationalConferenceonComputers，Systems&SignalProcessing;，Bagalore，India，1984：175-179.

[3]C.Elliott.Buildingthequantumnetwork.NewJPhys，2002，4：46.

[4]M.Auzinsh，D.Budker，D.F.Kimball，etal.CanaQuantumNondemolitionMeasurementImprovetheSensitivityofanAtomicMagnetometer？Phys.Rev.Lett. 93，173002（2004）.

[5]YonatanIsrael，ShamirRosen，andYaronSilberberg.SupersensitivePolarizationMicroscopyUsingNOONStatesofLight.Phys.Rev.Lett. 112，103604（2014）.

作者简介：陈娟（1982.12-），女，汉族，河南商水，工程师/本科，目前主要从事高性能光纤传感技术研发。