Quanten-Mikrowellenoptik

QuantenMikrowellenoptikTechnologie
Mikrowellenoptische TechnologieDie Mikrowellenphotonik hat sich zu einem leistungsstarken Forschungsgebiet entwickelt, das die Vorteile optischer und Mikrowellentechnologie in Signalverarbeitung, Kommunikation, Sensorik und anderen Bereichen vereint. Konventionelle mikrowellenphotonische Systeme stoßen jedoch auf einige wesentliche Einschränkungen, insbesondere hinsichtlich Bandbreite und Empfindlichkeit. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, erforschen Wissenschaftler die Quantenmikrowellenphotonik – ein vielversprechendes neues Feld, das die Konzepte der Quantentechnologie mit der Mikrowellenphotonik verbindet.

Grundlagen der Quantenmikrowellenoptik
Der Kern der Quanten-Mikrowellenoptik-Technologie besteht darin, die traditionelle optische Technologie zu ersetzen.FotodetektorimMikrowellen-Photonenverbindungmit einem hochempfindlichen Einzelphotonen-Photodetektor. Dies ermöglicht den Betrieb des Systems bei extrem niedrigen optischen Leistungspegeln, bis hin zum Einzelphotonenbereich, und erhöht gleichzeitig potenziell die Bandbreite.
Typische Quantenmikrowellen-Photonensysteme umfassen: 1. Einzelphotonenquellen (z. B. abgeschwächte Laser 2.Elektrooptischer Modulator3. Optische Signalverarbeitungskomponente zur Codierung von Mikrowellen-/HF-Signalen 4. Einzelphotonendetektoren (z. B. supraleitende Nanodrahtdetektoren) 5. Elektronische Geräte zur zeitabhängigen Einzelphotonenzählung (TCSPC)
Abbildung 1 zeigt den Vergleich zwischen herkömmlichen Mikrowellenphotonenverbindungen und Quantenmikrowellenphotonenverbindungen:

Der entscheidende Unterschied liegt in der Verwendung von Einzelphotonendetektoren und TCSPC-Modulen anstelle von Hochgeschwindigkeits-Photodioden. Dies ermöglicht den Nachweis extrem schwacher Signale und erweitert die Bandbreite idealerweise über die Grenzen herkömmlicher Photodetektoren hinaus.

Einzelphotonendetektionsschema
Das Einzelphotonendetektionsverfahren ist für Quantenmikrowellen-Photonensysteme von großer Bedeutung. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: 1. Ein periodisches Triggersignal, synchronisiert mit dem Messsignal, wird an das TCSPC-Modul gesendet. 2. Der Einzelphotonendetektionsdetektor gibt eine Impulsfolge aus, die die detektierten Photonen repräsentiert. 3. Das TCSPC-Modul misst die Zeitdifferenz zwischen dem Triggersignal und jedem detektierten Photon. 4. Nach mehreren Triggerschleifen wird ein Detektionszeithistogramm erstellt. 5. Das Histogramm ermöglicht die Rekonstruktion der Wellenform des ursprünglichen Signals. Mathematisch lässt sich zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Photon zu einem bestimmten Zeitpunkt zu detektieren, proportional zur optischen Leistung zu diesem Zeitpunkt ist. Daher kann das Detektionszeithistogramm die Wellenform des Messsignals präzise darstellen.

Wichtigste Vorteile der Quantenmikrowellenoptik
Im Vergleich zu herkömmlichen optischen Mikrowellensystemen bietet die Quantenmikrowellenphotonik mehrere entscheidende Vorteile: 1. Extrem hohe Empfindlichkeit: Detektiert extrem schwache Signale bis hin zum Einzelphotonenbereich. 2. Erhöhte Bandbreite: Nicht durch die Bandbreite des Photodetektors begrenzt, sondern nur durch den Timing-Jitter des Einzelphotonendetektors beeinflusst. 3. Verbesserte Störfestigkeit: Die TCSPC-Rekonstruktion filtert Signale heraus, die nicht mit dem Trigger synchronisiert sind. 4. Geringeres Rauschen: Vermeidet das Rauschen, das durch herkömmliche photoelektrische Detektion und Verstärkung entsteht.