Tecnologia ottica quantistica a microonde

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Tecnologia ottica a microondeLa fotonica quantistica a microonde è diventata un campo di ricerca di grande interesse, che combina i vantaggi della tecnologia ottica e a microonde nell'elaborazione del segnale, nella comunicazione, nella rilevazione e in altri aspetti. Tuttavia, i sistemi fotonici a microonde convenzionali presentano alcune limitazioni chiave, soprattutto in termini di larghezza di banda e sensibilità. Per superare queste sfide, i ricercatori stanno iniziando a esplorare la fotonica quantistica a microonde, un nuovo campo entusiasmante che combina i concetti della tecnologia quantistica con quelli della fotonica a microonde.

Fondamenti della tecnologia ottica quantistica a microonde
Il fulcro della tecnologia ottica quantistica a microonde è quello di sostituire la tradizionale tecnologia otticafotodiodonelcollegamento fotonico a microondeCon un fotodiodo a singolo fotone ad alta sensibilità. Ciò consente al sistema di operare a livelli di potenza ottica estremamente bassi, anche fino al livello del singolo fotone, aumentando potenzialmente anche la larghezza di banda.
I tipici sistemi di fotoni quantistici a microonde includono: 1. Sorgenti di fotoni singoli (ad esempio laser attenuati 2.Modulatore elettro-otticoper la codifica di segnali a microonde/RF 3. Componente di elaborazione del segnale ottico 4. Rilevatori di singoli fotoni (ad esempio rilevatori di nanofili superconduttori) 5. Dispositivi elettronici di conteggio di singoli fotoni dipendenti dal tempo (TCSPC)
La figura 1 mostra il confronto tra i collegamenti tradizionali dei fotoni a microonde e i collegamenti quantistici dei fotoni a microonde:

La differenza fondamentale è l'utilizzo di rivelatori a singolo fotone e moduli TCSPC al posto dei fotodiodi ad alta velocità. Questo consente il rilevamento di segnali estremamente deboli, spingendo auspicabilmente la larghezza di banda oltre i limiti dei fotorivelatori tradizionali.

Schema di rilevamento di singoli fotoni
Lo schema di rilevamento del singolo fotone è molto importante per i sistemi quantistici a microonde. Il principio di funzionamento è il seguente: 1. Il segnale di trigger periodico sincronizzato con il segnale misurato viene inviato al modulo TCSPC. 2. Il rivelatore di singolo fotone emette una serie di impulsi che rappresentano i fotoni rilevati. 3. Il modulo TCSPC misura la differenza di tempo tra il segnale di trigger e ciascun fotone rilevato. 4. Dopo diversi cicli di trigger, viene generato l'istogramma del tempo di rilevamento. 5. L'istogramma può ricostruire la forma d'onda del segnale originale. Matematicamente, si può dimostrare che la probabilità di rilevare un fotone in un dato istante è proporzionale alla potenza ottica in quel momento. Pertanto, l'istogramma del tempo di rilevamento può rappresentare accuratamente la forma d'onda del segnale misurato.

Principali vantaggi della tecnologia ottica quantistica a microonde
Rispetto ai tradizionali sistemi ottici a microonde, la fotonica quantistica a microonde presenta diversi vantaggi chiave: 1. Sensibilità ultraelevata: rileva segnali estremamente deboli fino al livello del singolo fotone. 2. Aumento della larghezza di banda: non limitata dalla larghezza di banda del fotodiodo, ma influenzata solo dal jitter temporale del rivelatore di singoli fotoni. 3. Anti-interferenza migliorata: la ricostruzione TCSPC può filtrare i segnali non agganciati al trigger. 4. Rumore inferiore: evita il rumore causato dal rilevamento e dall'amplificazione fotoelettrica tradizionali.