非线性干涉型光纤传感器的实验研究

Linear interferometric fiber-optic sensors, can be used to measure various physical parameters utilizing the effect of the external perturbations to the interference inside the fiber, including temperature, strain, pressure, refractive index, curvature, gas concentration and so on. The reason why these are called linear interferometric fiber-optic sensors is that the output intensity of the interferometer depends linearly on the intensity of the optical field inside the interferometer. However, it should be noted that the measurement precision of the linear interferometric fiber-optic sensors is limited by shot noise limit (SNL), SNL can be beat by (1) injecting the squeezed state into the vacuum port of the interferometer or (2) replacing the linear beamsplitter with the nonlinear beamsplitter. The first method makes the interferometeric system hard to fabricate in fiber-optic sensing system. Therefore, in this project, we propose two types of nonlinear interferometric fiber-optic sensors (quadratically dependence), i. e., nonlinear Mach-Zehnder and Sagnac fiber-optic sensors. They both can be used to measure the aforementioned physical parameters etc. After the measurement process, the measured results of the nonlinear interferometric fiber-optic sensors can be compared with the ones of the linear interferometric fiber-optic sensors at the same experimental condition, and thus the performance of nonlinear interferometric fiber-optic sensors can be analyzed comprehensively. The expected results of this project may bring a new light to the practical applications of the interferometric fiber-optic sensors.

线性干涉型光纤传感器，利用外界扰动对光纤内部干涉的影响来测量各种物理量，例如温度，应力，压强，折射率，弯曲度和气体浓度等。它之所以被称之为线性干涉型，是因为这种干涉仪的输出端光强是线性依赖于干涉仪内部光场强度的。但是需要指出的是，线性干涉型光纤传感器的测量精度是受限于散粒噪声极限的，散粒噪声极限可以通过（1）在干涉仪的真空端注入一个单模压缩态或（2）用非线性分束器替代线性分束器来突破。第一种方案会使得干涉系统难以集成到光纤传感系统中。因此，在本项目中，我们提出了两种非线性干涉型光纤传感器（二次性依赖），分别是非线性马赫-曾德和萨格纳克光纤传感器。它们都可以被用来测量上面提到的物理量。测量完成之后，非线性光纤传感器的测量结果可以和同等实验条件下的线性光纤传感器的结果进行比较，从而分析非线性光纤传感器的性能。本项目的预期成果对于干涉型光纤传感器的实际应用提供了一种新的思路和途径。

线性干涉型光纤传感器，利用外界扰动对光纤干涉仪的影响来测量各种物理量，例如折射率，弯曲度等。但是它的测量精度受限于标准量子极限，而本项目提出的非线性干涉型光纤传感器可以突破这个限制。在这个主题之下，我们开展了以下研究：1. 非线性干涉仪与表面等离子体共振技术相结合，提出了一种非线性折射率传感器，其在折射率预测精度和信噪比等方面都要优于标准量子极限，成果发表在Opt. Express 29(7), 11194-11206 (2021)；2. 非线性光纤内的四波混频过程与光纤弯曲度传感器相结合，其中两路被弯曲度传感器和光纤衰减器衰减，获得了一个高信噪比的弯曲度传感器，成果已被杂志IEEE Sensors Journal接收；3. 基于上述方案，四波混频过程中的一路信号被弯曲度传感器所衰减，可获得一个高灵敏度的弯曲度传感器，成果正在投稿中。.除此之外，本人还研究了采用关联注入方案增强级联四波混频过程中量子关联与量子纠缠的可能性，成果发表在Opt. Express 28(7), 10633-10647 (2020)；在一个空间结构光泵浦的四波混频过程中，研究了产生六组份纠缠的可能性，成果发表在Phys. Rev. A 102(2), 022417 (2020)。综上所述，本项目的研究成果对于干涉型光纤传感器的实际应用以及量子关联的操控提供了新的思路和途径。