Optisk kvantmikrovågsteknik

Kvantoptisk mikrovågsugnteknologi
Optisk mikrovågsteknikhar blivit ett kraftfullt område, som kombinerar fördelarna med optisk och mikrovågsteknik inom signalbehandling, kommunikation, avkänning och andra aspekter. Konventionella fotoniska mikrovågssystem står dock inför några viktiga begränsningar, särskilt när det gäller bandbredd och känslighet. För att övervinna dessa utmaningar börjar forskare utforska kvantmikrovågsfotonik – ett spännande nytt område som kombinerar begreppen kvantteknologi med mikrovågsfotonik.

Grunderna för optisk kvantmikrovågsteknik
Kärnan i den optiska kvantmikrovågstekniken är att ersätta den traditionella optiskafotodetektorimikrovågsfoton länkmed en högkänslig enfotonfotodetektor. Detta gör att systemet kan arbeta med extremt låga optiska effektnivåer, även ner till enfotonnivån, samtidigt som bandbredden potentiellt ökar.
Typiska kvantmikrovågsfotonsystem inkluderar: 1. Enfotonkällor (t.ex. försvagade lasrar 2.Elektrooptisk modulatorför kodning av mikrovågs/RF-signaler 3. Optisk signalbehandlingskomponent4. Enkelfotondetektorer (t.ex. supraledande nanotrådsdetektorer) 5. Tidsberoende elektroniska apparater för enkelfotonräkning (TCSPC)
Figur 1 visar jämförelsen mellan traditionella mikrovågsfotonlänkar och kvantmikrovågsfotonlänkar:

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

Enkelfotondetektionsschema
Enkelfotondetektionsschemat är mycket viktigt för kvantmikrovågsfotonsystem. Arbetsprincipen är följande: 1. Den periodiska triggersignalen synkroniserad med den uppmätta signalen skickas till TCSPC-modulen. 2. Enkelfotondetektorn 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 detekteringstid. 5. Histogrammet kan rekonstruera vågformen för den ursprungliga signalen. Matematiskt kan det visas att sannolikheten att detektera en foton vid en given tidpunkt är proportionell mot den optiska effekten vid den tidpunkten. Därför kan histogrammet för detektionstiden exakt representera vågformen för den uppmätta signalen.

Viktiga fördelar med optisk kvantmikrovågsteknik
Jämfört med traditionella optiska mikrovågssystem har kvantmikrovågsfotonik flera viktiga fördelar: 1. Ultrahög känslighet: Upptäcker extremt svaga signaler ner till en fotonnivå. 2. Bandbreddsökning: inte begränsat av fotodetektorns bandbredd, endast påverkad av timing-jitter för singelfotondetektorn. 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 detektering och förstärkning.