Tecnologia óptica quântica de microondas

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Tecnologia óptica de microondastornou-se um campo poderoso, combinando as vantagens da tecnologia óptica e de microondas no processamento de sinais, comunicação, detecção e outros aspectos. No entanto, os sistemas fotônicos de microondas convencionais enfrentam algumas limitações importantes, especialmente em termos de largura de banda e sensibilidade. Para superar esses desafios, os pesquisadores estão começando a explorar a fotônica quântica de micro-ondas – um campo novo e estimulante que combina os conceitos da tecnologia quântica com a fotônica de micro-ondas.

Fundamentos da tecnologia óptica quântica de microondas
O núcleo da tecnologia óptica quântica de microondas é substituir a tecnologia óptica tradicionalfotodetectornolink de fótons de microondascom um fotodetector de fóton único de alta sensibilidade. Isso permite que o sistema opere em níveis de potência óptica extremamente baixos, até mesmo no nível de fóton único, ao mesmo tempo que aumenta potencialmente a largura de banda.
Os sistemas quânticos de fótons de micro-ondas típicos incluem: 1. Fontes de fóton único (por exemplo, lasers atenuados 2.Modulador eletro-ópticopara codificação de sinais de microondas/RF 3. Componente de processamento de sinal óptico4. Detectores de fótons únicos (por exemplo, detectores de nanofios supercondutores) 5. Dispositivos eletrônicos de contagem de fótons únicos dependentes do tempo (TCSPC).
A Figura 1 mostra a comparação entre links de fótons de micro-ondas tradicionais e links de fótons de micro-ondas quânticos:

A principal diferença é o uso de detectores de fóton único e módulos TCSPC em vez de fotodiodos de alta velocidade. Isso permite a detecção de sinais extremamente fracos, ao mesmo tempo em que empurra a largura de banda além dos limites dos fotodetectores tradicionais.

Esquema de detecção de fóton único
O esquema de detecção de fóton único é muito importante para sistemas quânticos de fótons de micro-ondas. O princípio de funcionamento é o seguinte: 1. O sinal de disparo periódico sincronizado com o sinal medido é enviado ao módulo TCSPC. 2. O detector de fóton único emite uma série de pulsos que representam os fótons detectados. 3. O módulo TCSPC mede a diferença de tempo entre o sinal de disparo e cada fóton detectado. 4. Após vários loops de disparo, o histograma do tempo de detecção é estabelecido. 5. O histograma pode reconstruir a forma de onda do sinal original. Matematicamente, pode-se mostrar que a probabilidade de detectar um fóton em um determinado momento é proporcional à potência óptica naquele momento. Portanto, o histograma do tempo de detecção pode representar com precisão a forma de onda do sinal medido.

Principais vantagens da tecnologia óptica quântica de microondas
Em comparação com os sistemas ópticos de micro-ondas tradicionais, a fotônica quântica de micro-ondas tem várias vantagens importantes: 1. Sensibilidade ultra-alta: detecta sinais extremamente fracos até o nível de um único fóton. 2. Aumento da largura de banda: não limitado pela largura de banda do fotodetector, afetado apenas pelo jitter de temporização do detector de fóton único. 3. Anti-interferência aprimorada: a reconstrução do TCSPC pode filtrar sinais que não estão bloqueados no gatilho. 4. Menor ruído: Evite o ruído causado pela detecção e amplificação fotoelétrica tradicional.