一种基于强度调制的平衡零差探测装置

本发明涉及量子测量领域，具体来说涉及量子测量的平衡零差探测技术，更具体地说，涉及一种基于强度调制的平衡零差探测装置。

背景技术：

1、平衡零差探测技术有着广泛的应用场景，例如经典光通信、量子通信、量子测量和连续变量量子计算等领域都有重要的应用和研究价值。而量子光学中的平衡零差探测（homodyne detection）则是一种重要的光学测量技术，用于测量连续变量的量子态（光子数表象下无穷维的量子态）的某个正交分量信息。用于实现平衡零差探测的装置包括待测光源、相位调制器、分束器以及光电探测器。该装置是基于光束间的干涉来实现的，其通过相位调制器调节参考光和被测光之间的相位差来实现待测信号的不同正交分量的测量。

2、现有平衡零差探测技术多数都是依赖相位调制器，相位调制器通过激光相位调制来控制其他物理量以实现对光场的调控，例如：电光调制器（electro-optic modulator），该调制器通过施加电场以改变介质的折射率，从而改变通过其的光的相位。常见的电光调制器包括基于晶体（如锂钛酸钽）、半导体（如锗）或者液晶的设备；声光调制器（acousto-optic modulator），该调制器利用声波的影响来改变光的相位。声光调制器中包含一个声波传播的介质，当施加声波时，会改变介质的折射率，从而引起通过其的光的相位变化；光纤相位调制器（fiber optic phase modulator），该调制器利用在光纤中施加电场或应变来改变光的相位。通过在光纤中引入电极或者施加应变，以改变光在光纤中的传播速度，进而影响光的相位。

3、现有的平衡零差探测装置大多为基于相位调制方式实现的平衡零差探测方案，此类平衡零差探测方案存在以下缺点：1.相位调制需要精确地控制光场的相位，以实现特定的调制功能。这需要对调制器施加的电场、声场或应变进行精确控制，才能确保所需的相位调制效果；2.相位调制器对环境条件（如温度、机械振动等）的稳定性要求较高。环境变化可能会导致调制器性能的变化，进而影响光学系统的性能和稳定性；3.相位调制器通常需要较复杂的设计和制造工艺，以及较高的成本。例如，电光调制器需要高性能的电子驱动器和稳定的光学组件，这增加了系统的复杂性和成本；4.相位调制器可能会引入非线性效应，例如相位噪声或非线性失真，这可能会影响光学系统的性能和测量的准确性。

4、综上所述，现有平衡零差探测装置常采用相位调制方式改变平衡零差探测的观测量以获取不同的正交分量的信息，然而基于相位调制平衡零差探测装置存在以下难点：对探测环境的稳定性要求高，如磁场、温度、机械振动等环境变化都有可能影响探测结果的准确性；平衡零差探测装置的复杂性和成本高，相位调制器通常需要较复杂的设计和制造工艺与较高的成本。因此，亟需一种结构简单、稳定性高且探测结果准确度高的平衡零差探测装置。

5、需要说明的是：本背景技术仅用于介绍本发明的相关信息，以便于帮助理解本发明的技术方案，但并不意味着相关信息必然是现有技术。在没有证据表明相关信息已在本发明的申请日以前公开的情况下，相关信息不应被视为现有技术。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于强度调制的平衡零差探测装置。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、根据本发明的第一方面，提出一种基于强度调制的平衡零差探测装置，用于获取待测光信号的指定正交分量的信息，所述平衡零差探测装置包括：本地谐振光生成模块，用于生成两个相位固定的本地谐振光信号，其中，基于指定正交分量的相位调控两个本地谐振光信号的强度比例；多模干涉模块，用于接收待测光信号和本地谐振光生成模块生成的两个本地谐振光信号并基于预设方法调控待测光信号与两个谐振光信号的干涉过程，以生成包括第一输出态、第二输出态、第三输出态的三个输出态并输出所述三个输出态或者所述三个输出态中的指定的两个输出态，其中，所述本地谐振光、所述待测光信号、所述第一输出态、所述第二输出态、所述第三输出态由其自身对应的光模式湮灭算符与光模式产生算符表示；平衡零差探测模块，用于探测所述多模干涉模块输出的多个输出态中的指定两个输出态的瞬时光强并将探测到的两个瞬时光强转化为两个电压信号，以及计算两个电压信号的差值并基于预先建立的电压信号差值与待测光信号的正交分量的信息的对应关系获得待测光信号的指定正交分量的信息。

4、优选地，在所述本地谐振光生成模块中，两个本地谐振光信号的相位差为。

5、优选地，通过如下方式基于指定正交分量的相位调控两个本地谐振光信号的强度比例：

6、

7、其中，k表示两个本地谐振光信号的强度比例，表示指定正交分量的相位。

8、优选地，所述预设方法被配置为：

9、通过以下方式获取第一输出态、第二输出态、第三输出态的光模式湮灭算符：

10、

11、其中，、分别表示本地谐振生成模块生成的两个本地谐振光的光模式湮灭算符，表示待测光信号的光模式湮灭算符，、、依次表示由待测光信号与两个本地谐振光信号干涉产生第一输出态、第二输出态、第三输出态的光模式湮灭算符，表示预设酉矩阵；

12、通过以下方式获取第一输出态、第二输出态、第三输出态的光模式产生算符：

13、

14、其中，、分别表示本地谐振生成模块生成的两个本地谐振光的光模式产生算符，表示待测光信号的光模式湮灭算符，、、依次表示由待测光信号与两个本地谐振光信号干涉产生的第一输出态、第二输出态、第三输出态的光模式产生算符，表示预设酉矩阵的共轭矩阵。

15、优选地，所述预设酉矩阵被配置为：

16、

17、其中，表示x轴的旋转角度，表示y轴的旋转角度，表示z轴的旋转角度。

18、优选地，所述x轴的旋转角度配置为，所述y轴的旋转角度配置为，所述z轴的旋转角度配置为。

19、优选地，所述多模干涉模块被配置为3*3或3*2多模干涉仪，当所述多模干涉模块被配置为3*3多模干涉仪时，该多模干涉模块输出第一输出态、第二输出态、第三输出态，当所述多模干涉模块被配置为3*2多模干涉仪时，该多模干涉模块输出第一输出态、第二输出态。

20、优选地，所述平衡零差探测模块被配置为：探测所述多模干涉模块输出的第一输出态、第二输出态。

21、根据本发明的第二方面，提出一种计算机可读存储介质，其上存储有如本发明第一方面中任一所述装置。

22、根据本发明的第三方面，提出一种电子设备，所述设备上配置有如本发明第一方面中任一所述装置以获取待测光信号的指定正交分量的信息。

23、与现有技术相比，本发明的优点在于：

24、本发明提出的基于强度调制的平衡零差探测装置采用强度调制的方式控制两个本地谐振光的强度比例以获取待测光信号的不同正交分量信息，由于强度调制相较于相位调制对探测环境稳定性要求较低且实现强度调制所需的设备成本更低、稳定性更高，因此，本发明提出的平衡零差探测装置结构简单，稳定性高以及探测结果准确度高并且不易受探测环境影响。