Quantum optics techniques for laser detecting and ranging

激光雷达是一种用于探测潜在目标的先进工具^[1-2]，在军民两用系统中都有着广泛的应用。其基本工作原理是将激光信号以定向方式发射到拟探测空间中，若该空间中存在潜在目标，发射的激光信号将被潜在目标漫反射回到雷达基站，并被接收装置检测到；进一步地，根据激光信号的发射角度、时间、频率以及被接收到反射信号的时间和频率等参量，激光雷达系统便可确定出潜在目标的方位、距离、速度和形状等信息^[3-6]。目前，激光雷达技术正面临着灵敏度、分辨率、抗干扰、反隐身能力等方面的技术瓶颈，已不能很好地满足日益增长的探测需求。

近年来，利用量子物理资源的激光雷达技术得到国内外研究机构的重视。该技术的基本思想是将量子力学的基本原理应用到激光雷达技术中，在灵敏度、定位精度和抗电磁干扰等关键性能上，实现对传统激光雷达的超越^[7-10]。由于使用到量子态叠加原理、任意量子态不可克隆原理、不确定性原理、量子增强探测和量子纠缠等量子物理基本原理、技术和资源，该新型雷达技术被称为量子雷达技术，其在雷达领域的应用前景正在接受各国研究人员的广泛论证^[11-13]。

具体地，量子光学技术有潜力在以下3个方面帮助激光雷达突破现有技术指标。一是将光学干涉增强、半导体非线性雪崩效应、超导材料相变机制应用到光电检测技术中，可以实现单光子水平的光信号探测，进而打破线性光电探测器在灵敏度和探测带宽之间的相互制约，可以提高激光雷达系统的灵敏度和探测距离^[14]。二是将检测外界对光量子态扰动的方法应用到激光雷达系统中，可以帮助激光雷达系统主动识别出被探测目标对雷达信号所做的扰动，从物理层面上解决传统激光雷达系统存在的“截取-重发”安全漏洞，实现抗电磁干扰能力强、更安全和更稳定的新型雷达系统^[15]。三是将量子光学技术中的量子纠缠、量子干涉等资源和技术引入到激光雷达系统中，把具有量子关联和纠缠特性的光子对(比如双光子偏振纠缠、能量-时间纠缠、频率-路径纠缠、多光子路径纠缠)作为新型雷达系统的照明光源，通过检测光子之间的量子关联和纠缠特性，可实现对隐身目标的探测和高精度的空间定位。量子光学技术还能够提供基于Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉的被探测目标空间信息检测方式，该检测方式使用全同光子的聚束特性，当全同光子波包宽度达到飞秒量级时，使用HOM干涉对被探测目标空间信息的分辨率可以达到十微米以下，可大大提升雷达系统的空间分辨率^[16-20]。

综上所述，将量子光学技术应用到雷达系统中具有十分重要的研究意义，可以在雷达系统的抗电磁干扰、高精度定位和目标识别等方面突破现有技术瓶颈，提升激光雷达的综合性能。针对量子光学技术研究在激光雷达领域的应用需求，目前作者所在课题小组已开展了量子光学技术的实验研究，取得了一定进展，已制备出基于色散位移光纤(dispersion-shifted fiber，DSF)的关联双光子源，测试了关联双光子源的量子关联特性；搭建HOM干涉检测平台，并进行了弱相干光-单光子源的HOM干涉检测，实验结果为后续研究奠定了基础。

关联双光子源实验系统结构如图 1所示。其中脉冲激光器提供抽运光，抽运光的频率为ω_p，中心波长为1552.36nm，信号光(频率为ω_s)和闲频光(频率为ω_i)的中心波长分别为1555.53nm和1549.21nm。在图 1的实验系统中，抽运源为窄脉冲激光器，由直接调制半导体激光二极管方案实现激光脉冲输出，激光脉冲的半峰全宽为5.78ps，重复频率为20MHz。脉冲激光的平均功率及峰值功率通过掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)和可调光衰减器(variable optical attenuator，VOA)进行调节。密集波分复用器1(dense wavelength division multiplexer, DWDM)的中心波长为1552.36nm，其作用为滤除由EDFA带来的放大自发辐射(amplified spontaneous emission，ASE)噪声，以提高脉冲抽运光的边带抑制比。脉冲抽运光经由EDFA, VOA和DWDM 1对功率和边带抑制比调节之后，通过DWDM 1的T端口入射到色散位移光纤(DSF)中，在DSF处发生四波混频过程并产生关联双光子对。双光子产生过程满足能量和动量守恒，即2ω_p=ω_s+ω_i，2k_p=k_s+k_i。其中ω_p, ω_s, ω_i分别表示抽运光、信号光、闲频光的频率，k_p, k_s, k_i分别表示抽运光、信号光、闲频光的波矢。

Figure 1.  Setup for generating correlated two-photon source

为了降低光纤中自发喇曼散射过程产生的噪声光子对关联双光子源性能的影响，实验中DSF静置于液氮(77K)环境，通过降低其环境温度抑制喇曼噪声光子的产生。产生的关联双光子和剩余抽运光紧接着进入到分光滤波装置中。分光滤波装置由密集波分复用器件(DWDM 2，DWDM 3)组成，可将满足能量守恒关系的信号/闲频光子和抽运光分离开，并分别从3个端口输出。实验中使用的分光滤波装置选取的信号和闲频光子的波长分别为1555.53nm和1549.21nm，对应光通信系统的C27和C35通道，每个通道设计的3dB滤波带宽约为1nm。信号/闲频光子的输出通道与剩余抽运光输出通道的隔离度大于120dB，保证输出双光子态的测量不会受到剩余抽运光子的影响。其中，波长为1549.21nm的光子由DWDM 2的T端口输出，波长为1555.53nm的光子由DWDM 3的T端口输出，残余抽运光由DWDM 3的R端口输出，并使用功率计对其进行功率监测。

HOM干涉检测平台如图 2所示。作者用一个自制的被动锁模激光器产生的飞秒光脉冲(重复频率：5MHz，脉冲宽度：约800fs)作为光源，然后使用VOA调节光脉冲功率到单光子水平后得到弱相干态。衰减后的光脉冲经过50:50的分束器后分成两路，依次通过VOA，偏振控制器(polarization controller，PC)，可调延时线以及偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)后，两路光脉冲在光子数、时延以及偏振方向这些自由度上保持全同，随后两个光脉冲在50:50的保偏耦合器处发生干涉。干涉后的光脉冲分别送到两个单光子探测器(single-photon detector，SPD)SPD 1和SPD 2中，探测效率70%，死时间50ns，暗计数小于100Hz)进行探测，探测器输出的电信号输入到符合计数装置(ID Quantique，ID 900，符合门宽2ns)中来进行符合测量。

Figure 2.  Setup of the HOM interferometer

在不同的抽运光功率下，测量了信号/闲频输出端口的光子数量，其结果如图 3所示。两输出端口的光子主要含有四波混频过程产生的信号/闲频光子以及自发喇曼散射过程产生的光子。可以看到, 1549.21nm和1555.53nm的光子数随着抽运功率的增加而增加，两条曲线之间有细微差别，其主要原因为1549.21nm和1555.53nm的光子到达输出端口的路径不同，损耗也不相同，所以1555.53nm的光子数比1549.21nm的光子数小。

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

此外，在不同的抽运光功率下，作者对信号/闲频输出端口的光子分别进行了符合计数(coincidence count，CC)和偶然符合计数(accidental coincidence count，AC)，通过二者的比值得到符合偶然符合计数比(coincidence count to accidental coincidence count ratio，CAR)，用以对关联源的性能进行判定。不同功率下的CC, AC, CAR值如图 4所示。可以看到, 随着抽运光功率的增大，CC和AC值也逐渐增大，双光子产生率最大约为8000Hz；CAR最大值约为15(大于1)，说明双光子源的确具有量子关联特性，且随着抽运光功率增大而逐渐减小，其主要原因是自发喇曼散射过程随着抽运光功率的增大也愈发明显，造成偶然符合计数值增大。因此在后续的研究工作中，作者将重点研究如何降低DSF中自发喇曼散射过程产生的噪声光子数量，以及如何提高四波混频过程中信号/闲频光子对的产生效率，得到高CAR值的关联双光子源。

Figure 4.  The coincidence counts, accidental coincidence counts and CAR as functions of the pump power

通过调节可调延时线，作者进行了弱相干光-单光子源的HOM干涉测量，结果如图 5所示，点表示测试数据，实线为拟合结果。HOM干涉结果的半峰全宽(full width at half maximum，FWHM)为284.06μm±9.94nm，干涉可见度V=0.41±0.01。HOM干涉结果的半峰全宽对应的时间值(约950fs)与飞秒脉冲的脉宽(约800fs)相当，一定程度上反映了弱相干光源的时域特性。由于实验中部分器件与理论模型存在差异，导致实验结果与理论计算值(0.5)存在一定的偏差，在接下来的工作中，作者将进一步优化测量装置，提升干涉可见度。

Figure 5.  The coincidence counts of HOM interference

量子力学的基本原理表明，对量子信号的任何操作都将毁坏或扰动其原有量子状态，因此, 量子雷达系统还可以通过分析返回量子信号的量子状态是否改变，识别雷达信号是否被潜在目标干扰，这对于提升雷达系统识别和对抗干扰的能力具有很大的帮助。

在基于双光子态的量子照射雷达系统中，两个全同光子的双光子HOM干涉效应，可以进一步将量子雷达系统的定位精度提高到亚毫米量级。例如在作者所搭建的HOM干涉平台中，采用频率简并的双光子源作为激光雷达的照射光源，将其中一路光子局域在本地，另一路光子模拟为雷达的回波信号，当光子波包宽度达到飞秒量级时，通过HOM干涉测量回波光子的到达时间，被探测目标空间信息的时间分辨率可以达到0.95ps±0.03ps，其对应空间分辨率为284.06μm±9.94μm，这大大有利于提升激光雷达的空间分辨率。此外，由于HOM干涉是2阶强度的干涉，与干涉仪两臂的相位差无关，所以在使用HOM干涉方式检测信号的过程中，不要求干涉仪本身的稳定性，这对于远距离探测目标的空间位置信息意义重大。

针对激光雷达突破经典探测极限的需求，本文中研究了量子关联测量和HOM干涉测量在激光雷达探测上的可能应用。制备了基于色散位移光纤的关联双光子源，该关联双光子源的产生率最大约为8kHz，符合/偶然符合计数比最大值约为15；对弱相干光源进行了HOM干涉检测，干涉可见度达到0.41±0.01，用于激光雷达将提升空间分辨率到微米级(284.06μm±9.94μm)。在未来的工作中，作者将进一步提升关联双光子源的性能，优化HOM干涉检测平台，并研究偏振纠缠、能量-时间纠缠、路径纠缠等双光子源。