基于光子计数调制的光学时域反射测量

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1、第37卷第3期光电工程Vol.37,No.32010年3月Opto-ElectronicEngineeringMarch,2010文章编号：1003-501X(2010)03-0034-05基于光子计数调制的光学时域反射测量臧鹏程，王晓波，肖连团，贾锁堂(山西大学物理电子工程学院量子光学与光量子器件国家重点实验室，太原030006)摘要：针对光学时域反射测量的信噪比受到光子计数的量子起伏的影响，本文提出了光子计数调制技术应用于1.55μm单光子探测光时域反射测量系统，该方法根据相干光场量子涨落的噪声功率在频

2、域上具有均匀分布的特性，采用光子计数调制与锁相放大器解调的方法抑制了量子起伏。实验结果表明，通过改变锁相放大器的积分时间设置滤波带宽，改善了光子计数的信噪比。与光子计数直接测量的结果相比，光子计数调制的光学时域反射测量的信噪改善比达到28.3dB。关键词：单光子探测；光学时域反射测量；光子计数；量子起伏；调制中图分类号：O431.2；TN247文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.03.007OpticsTimeDomainReflectionMeasuremen

3、tbyUsingPhotonCountingModulationZANGPeng-cheng，WANGXiao-bo，XIAOLian-tuan，JIASuo-tang(StateKeyLaboratoryofQuantumOpticsandQuantumOpticsDevices,CollegeofPhysicsandElectronicsEngineering,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)Abstract:Thelowsignal-to-noiseratio

4、ofphotoncountinglimiteditsapplicationinthefiledofOpticsTimeDomainReflection(OTDR)becauseofthequantumfluctuation.WepresentedamethodusingphotoncountingmodulationspectroscopyinOTDRwithsinglephotondetectionat1.55μm.Itisfoundthatthenoiseamplitudeofthequantumflu

5、ctuationhasauniformdistributinginthefrequencydomain.Theeffectfromquantumfluctuationhasbeeneffectivelyrestrainedbyusingthephotoncountingmodulationanddemodulatedwithlock-inamplifier.Theenhancementofsignal-to-noiseratiocanbeachievedbyusingsettingthefilterband

6、widthviachangingtheintegrationtimeofthelock-inamplifier.Comparedwiththedirectphotoncountingmeasurement,thesignal-to-noiseimprovementratiocouldreach28.3dB.Keywords:singlephotondetection;opticstimedomainreflection;photoncounting;quantumfluctuation;modulation

7、0引言[1-4]光学时域反射(OTDR)通过探测光纤内返回的光脉冲信息获得相关的时间与空间光物理特性。传统[1-3]的OTDR采用光电器件直接探测光脉冲，光电器件响应的迟豫特性导致OTDR存在测试盲区。单光子[4-5]探测器用于实时检测入射光子，具有动态范围宽、响应速度快和空间分辨率高等特点，消除了其它光电器件响应迟豫特性的影响。当光束照射在单光子探测器上时，探测器吸收光子而产生光电子，通过信号放大以及脉冲整形与计数电路可以记录所探测到的光子数目。光子计数方法利用光电计数测量光场的光子概[4]率分布，Lac

8、aita等人基于单光子探测的光子计数OTDR有效地消除了系统的测试盲区。他们在1330nm收稿日期：2009-09-29；收到修改稿日期：2009-11-17基金项目：国家863计划(2009AA01Z319)；973课题(2006CB921603,2006CB921102,2010CB923103)；国家自然科学基金(10674086)；国家基金创新团队(60821004)和新世纪优秀人才支持计划资助(NCET