Kvantmikrovågsoptisk teknik

Kvantmikrovågsoptiskteknologi
Mikrovågsoptisk teknikhar blivit ett kraftfullt område som kombinerar fördelarna med optisk och mikrovågsteknik inom signalbehandling, kommunikation, avkänning och andra aspekter. Konventionella mikrovågsfotoniska system står dock inför vissa viktiga begränsningar, särskilt när det gäller bandbredd och känslighet. För att övervinna dessa utmaningar börjar forskare utforska kvantmikrovågsfotonik – ett spännande nytt område som kombinerar koncepten kvantteknik med mikrovågsfotonik.

Grunderna i kvantmikrovågsoptisk teknik
Kärnan i kvantmikrovågsoptisk teknik är att ersätta den traditionella optiskafotodetektorimikrovågsfotonlänkmed en högkänslig enfotonfotodetektor. Detta gör att systemet kan arbeta vid extremt låga optiska effektnivåer, även ner till enfotonnivå, samtidigt som det potentiellt ökar bandbredden.
Typiska kvantmikrovågsfotonsystem inkluderar: 1. Enfotonkällor (t.ex. dämpade lasrar 2.Elektrooptisk modulator3. Optisk signalbehandlingskomponent 4. Enstaka fotondetektorer (t.ex. supraledande nanotrådsdetektorer) 5. Tidsberoende elektroniska enheter för räkning av enstaka fotoner (TCSPC)
Figur 1 visar jämförelsen mellan traditionella mikrovågsfotonlänkar och kvantmikrovågsfotonlänkar:

Den viktigaste skillnaden är användningen av enstaka fotondetektorer och TCSPC-moduler istället för höghastighetsfotodioder. Detta möjliggör detektering av extremt svaga signaler, samtidigt som förhoppningsvis bandbredden flyttas bortom gränserna för traditionella fotodetektorer.

Schema för detektion av enstaka fotoner
Schemat för detektion av enstaka fotoner är mycket viktigt för kvantmikrovågsfotonsystem. Funktionsprincipen är följande: 1. Den periodiska triggersignalen, synkroniserad med den uppmätta signalen, skickas till TCSPC-modulen. 2. Enstaka fotondetektorn matar ut en serie pulser som representerar de detekterade fotonerna. 3. TCSPC-modulen mäter tidsskillnaden mellan triggersignalen och varje detekterad foton. 4. Efter flera triggerloopar upprättas histogrammet för detektionstid. 5. Histogrammet kan rekonstruera vågformen för den ursprungliga signalen. Matematiskt kan det visas att sannolikheten för att detektera en foton vid en given tidpunkt är proportionell mot den optiska effekten vid den tidpunkten. Därför kan histogrammet för detektionstid korrekt representera vågformen för den uppmätta signalen.

Viktiga fördelar med kvantmikrovågsoptisk teknik
Jämfört med traditionella mikrovågsoptiska system har kvantmikrovågsfotonik flera viktiga fördelar: 1. Ultrahög känslighet: Detekterar extremt svaga signaler ner till nivån för enskilda fotoner. 2. Bandbreddsökning: begränsas inte av fotodetektorns bandbredd, påverkas endast av tidsjittern hos den enskilda fotondetektorn. 3. Förbättrad anti-interferens: TCSPC-rekonstruktion kan filtrera bort signaler som inte är låsta till avtryckaren. 4. Lägre brus: Undvik bruset som orsakas av traditionell fotoelektrisk detektion och förstärkning.