信号接收装置与信号接收方法
文献发布时间：2023-06-19 16:04:54
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于里德堡原子天线的信号接收装置与信号接收方法。
背景技术
近年来，基于原子传感和量子测量技术的电磁场测量引起了极大关注，基于上述技术的原子微波磁场计、原子微波电场计已经走出实验室，进入工程样机验证阶段。原子微波测量和传感是一种新的量子测量技术，它通过原子与微波电场的耦合，把微波场强与基本物理常量直接联系起来，其理论测量准确度远高于传统微波测量技术。基于该技术发展的微波测量技术、测量方法具有高宽带、高灵敏度、高动态范围等优点，已开始应用于多通道微波接收机，实验验证雷达成像、定向通信等无线电应用领域。
原子天线通过激光制备原子的量子态实现电磁场传感，通过光信号实现传输信息收集和识别，具备高带宽、低损耗和抵抗电磁干扰的优势,结合经典调制解调技术发展原子天线技术，其可以直接兼容现有光纤通信的技术优势，实现光纤通信和无线通信有机结合。在传统光载无线通信(Radio-over-fiber)中，光源需要借助电光晶体的强度调制或幅度相位调制加载信号,传统电气技术将微波信号高效转换为光信号是一项巨大的技术挑战，这一过程需要复杂的电气连接、放大和滤波技术，针对特定通讯波段需要设计相应的无线信号收发器件和激光器件，整体系统复杂。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供了一种信号接收装置，包括：
透明信号生成组件，用于生成电磁感应透明信号；
多个微波信号源，配置成发射出不同频率的微波场作为多个载波，将待传输的多个信号分别加载到所述多个载波上，辐射至所述透明信号生成组件处，以使所述电磁感应透明信号发生变化；
光电探测器，接收经所述透明信号生成组件透出并发生变化后的光信号，并将所述光信号转换为电信号。
根据本发明的一个方面，其中所述透明信号生成组件进一步包括：
原子蒸汽气室，所述原子蒸汽气室内含有碱金属原子蒸汽；
第一激光器，配置成发射出第一激光到所述原子蒸汽气室内，用以将所述碱金属原子蒸汽中的碱金属原子从基态激发到第一激发态；
第二激光器，配置成发射出第二激光到所述原子蒸汽气室内，用以将所述碱金属原子从所述第一激发态激发到第一里德堡态，从而生成电磁感应透明信号。
根据本发明的一个方面，其中所述多个微波信号源配置成能够耦合所述碱金属原子的第一里德堡态与相邻的多个第二里德堡态。
根据本发明的一个方面，其中所述多个载波上分别施加有多个不同频率的调幅信号，并且所述待传输的多个信号以调幅的方式分别加载在调制后的所述多个载波上。
根据本发明的一个方面，所述信号接收装置进一步包括：
解调单元，与所述光电探测器的输出端耦接，配置成根据所述光电探测器输出的电信号解调出所述待传输的多个信号。
根据本发明的一个方面，其中所述解调单元进一步包括：
信号处理单元，与所述光电探测器的输出端耦接，配置成根据所述光电探测器输出的电信号幅值变化，实时计算电场强度；
多个锁相放大器，与所述信号处理单元的输出端耦接，配置成根据实时计算的电场强度计算并解调出所述待传输的多个信号。
根据本发明的一个方面，所述信号接收装置进一步包括：
第一频率锁定单元，包括饱和吸收装置，配置成接收所述第一激光器发出的第一激光，并对接收到的第一激光进行饱和吸收，所述第一频率锁定单元将饱和吸收后的光信号反馈给所述第一激光器，用以锁定所述第一激光器的发射频率；
第二频率锁定单元，包括电磁感应透明装置，配置成根据所述第一激光器发出的第一激光、所述第二激光器发出的第二激光，制备电磁感应透明光谱，所述第二频率锁定单元将所述电磁感应透明光谱反馈给所述第二激光器，用以锁定所述第二激光器的发射频率。
根据本发明的一个方面，其中所述碱金属原子为铯原子；
所述第一激光器发出波长为852nm的第一激光，并通过所述第一频率锁定单元将所述第一激光的频率锁定在基态6S
所述第二激光器发出波长为509nm的第二激光，并通过所述第二频率锁定单元将所述第二激光的频率锁定在第一激发态6P
根据本发明的一个方面，所述的信号接收装置进一步包括：
反射镜，配置成使所述第一激光器发出的第一激光经所述反射镜反射后入射到所述原子蒸汽气室内；
二向色镜，配置成使所述第二激光器发出的第二激光经所述二向色镜反射后入射到所述原子蒸汽气室内，所述第一激光与所述第二激光在所述原子蒸汽气室内基本共线；
其中，所述原子蒸汽气室内透出的光信号经所述二向色镜透射，由所述光电探测器接收。
根据本发明的一个方面，其中所述多个微波信号源的频率范围为1GHz至1000GHz，所述多个待传输信号具有预定波形。
本发明还提供一种使用如上文所述的信号接收装置接收信号的方法，包括：
通过所述透明信号生产组件生成电磁感应透明信号；
通过所述多个微波信号源发射出不同频率的微波场作为多个载波，将待传输的多个信号分别加载到所述多个载波上，辐射至所述透明信号生成组件处，使所述电磁感应透明信号发生变化；
通过光电探测器接收经所述透明信号生成组件透出并发生变化后的光信号，并将光信号转换为电信号。
根据本发明的一个方面，其中所述透明信号生成组件进一步包括：原子蒸汽气室，所述原子蒸汽气室内含有碱金属原子蒸汽；第一激光器；第二激光器，所述方法进一步包括：
通过所述第一激光器发射出第一激光到所述原子蒸汽气室内，用以将所述碱金属原子蒸汽中的碱金属原子从基态激发到第一激发态；
通过所述第二激光器发射出第二激光到所述原子蒸汽气室内，用以将所述碱金属原子从第一激发态激发到第一里德堡态，从而生成电磁感应透明信号。
根据本发明的一个方面，所述方法进一步包括：
通过所述多个微波信号源耦合所述碱金属原子的第一里德堡态与相邻的多个第二里德堡态。
根据本发明的一个方面，所述方法进一步包括：
在所述多个载波上分别施加多个不同频率的调幅信号，并将所述多个待传输信号以调幅的方式分别加载在所述多个调制后的载波上。
根据本发明的一个方面，其中所述信号接收装置进一步包括解调单元，与所述光电探测器的输出端耦接，所述方法进一步包括：
通过所述解调单元根据所述光电探测器输出的电信号解调出所述待传输的多个信号。
根据本发明的一个方面，其中所述解调单元还包括信号处理单元，与所述光电探测器的输出端耦接；多个锁相放大器，与所述信号处理单元的输出端耦接，所述方法进一步包括：
通过所述信号处理单元根据所述光电探测器输出电信号的幅值变化，实时计算电场强度；
所述多个锁相放大器根据实时计算的电场强度计算并解调出所述待传输的多个信号。
根据本发明的一个方面，其中信号接收装置进一步包括：
第一频率锁定单元，包括饱和吸收装置；第二频率锁定单元，包括电磁感应透明装置，所述方法进一步包括：
所述饱和吸收装置接收所述第一激光器发出的第一激光，并对接收到的第一激光进行饱和吸收，所述第一频率锁定单元将饱和吸收后的光信号反馈给所述第一激光器，用以锁定第一激光器的发射频率；
所述电磁感应透明装置接收所述第一激光器发出的第一激光、所述第二激光器发出的第二激光，制备电磁感应透明光谱，所述第二频率锁定单元将所述电磁感应透明光谱反馈给所述第二激光器，用以锁定第二激光器的发射频率。
根据本发明的一个方面，其中所述碱金属原子为铯原子，所述方法进一步包括：
通过所述第一激光器发出波长为852nm的第一激光，并通过所述第一频率锁定单元将所述第一激光的频率锁定在基态6S
通过所述第二激光器发出波长为509nm的第二激光，并通过所述第二频率锁定单元将所述第二激光锁定在第一激发态6P
根据本发明的一个方面，其中所述信号接收装置进一步包括：反射镜、二向色镜，所述方法进一步包括：
使所述第一激光器发出的第一激光经所述反射镜反射后入射到所述原子蒸汽气室内；
使所述第二激光器发出的第二激光经所述二向色镜反射后入射到所述原子蒸汽气室内，所述第一激光与所述第二激光在所述原子蒸汽气室内基本共线；
使所述原子蒸汽气室内透出的光信号经所述二向色镜透射，由所述光电探测器接收。
本发明提供了一种信号接收装置与信号接收方法，通过激光制备电磁感应透明光谱，并将多路传输信号分别加载在多个微波信号场上，通过已制备的电磁感应透明光谱，将传输信号转化为光信号传递，由光电探测器接收，通过解调器解调出原始的多路传输信号。本发明所提供的信号接收装置与信号接收方法，实现了多路信号无串扰的信息传输，实现了信号的精准传输，且装置结构简单，易于轻型化，并可以实现1GHz至1000GHz的宽频带或跨频带同时通信。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。
图1示出了根据本发明的一个实施例的信号接收装置；
图2示出了根据本发明的一个实施例的里德堡原子阶梯型三能级系统；
图3示出了根据本发明的一个实施例的里德堡原子阶梯型五能级系统；
图4示出了根据本发明的一个实施例的电磁感应透明(EIT)光谱；
图5示出了根据本发明的一个实施例的EIT信号受到微波场影响后的光谱；
图6示出了根据本发明的一个实施例在不同的微波场上加载不同的调制信号；
图7示出了根据本发明的一个实施例的信号接收装置；
图8示出了根据本发明的一个实施例的信号接收装置；
图9示出了根据本发明的一个实施例的信号接收装置；
图10示出了根据本发明的一个实施例的信号接收方法；
图11示出了根据本发明的一个实施例解调信号与原始传输信号。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，本发明提供一种信号接收装置100，包括：
透明信号生成组件，该透明信号生成组件包括：原子蒸汽气室110、第一激光器120、第二激光器130；多个微波信号源140(图中所示为两个微波信号源140-1、140-2)以及光电探测器150。
其中，原子蒸汽气室110内含有碱金属原子蒸汽。通常选择原子序数较大，外层电子能级较高的原子，容易被激发到里德堡态。并且，碱金属原子的外层单电子适于做单激发，因此本实施例中选择碱金属原子制备里德堡原子。
第一激光器120配置成发射出第一激光到原子蒸汽气室110内，用以将所述碱金属原子从基态激发到第一激发态。通过第一激光激发碱金属原子，碱金属原子吸收光量子发生跃迁，从基态跃迁到第一激发态，其中，第一激光的频率与碱金属原子从基态到激发态的跃迁频率相等。
第二激光器130配置成发射出第二激光到原子蒸汽气室110内，用以将所述碱金属原子从第一激发态激发到第一里德堡态。通过第二激光激发处于第一激发态的碱金属原子，使得碱金属原子吸收光量子发生进一步跃迁，从第一激发态跃迁到第一里德堡态，其中第二激光的频率与碱金属原子从第一激发态到第一里德堡态的跃迁频率相等。此时，第一激光器发出的第一激光与第二激光器发出的第二激光在原子蒸汽气室内发生双光子共振，原本的吸收模式发生了改变，碱金属原子对第一激光的吸收减少甚至完全透明，通过光电探测器150探测可得无多普勒背景的电磁感应透明光谱(EIT光谱)。此时，里德堡原子的主量子数极大，电子离核远，相当于电偶极子，对于微波场敏感。
多个微波信号源140，如图中所示的微波信号源140-1、140-2，微波信号源140-1发出频率为ωRF1的微波场、微波信号源140-2发出频率为ωRF2的微波场，ωRF1、ωRF2频率不同，将微波场ωRF1、微波场ωRF2作为载波，将待传输的多个信号分别加载到所述多个载波上，辐射至原子蒸汽气室110处。通过微波信号源140-1、140-2产生的微波进行辐射，当微波频率ωRF1、ωRF2与碱金属原子的第一里德堡态到相邻的多个第二里德堡态的跃迁频率相等时，微波场耦合相邻两个能级。电磁感应透明光谱(EIT光谱)将发生变化，随着微波场电场强度的增加，EIT光谱的幅值下降，直至分裂成两个峰，即发生Autler-Townes(AT)分裂。通过测量EIT光谱幅值的变化，或者测量AT分裂两个峰之间的频率间隔，可解算出微波场的电场强度。
光电探测器150接收经原子蒸汽气室110透出的光信号，并将所述光信号转换为电信号。
根据本发明的一个实施例，以碱金属原子铯(Cs)原子为例，第一激光的频率为852nm，第二激光的频率为509nm，满足铯原子从基态6S
微波信号源140-1、140-2的微波频率ωRF1、ωRF2耦合碱金属原子的第一里德堡能级nS
根据本发明的一个实施例，如图3所示，微波信号源140-1的微波频率为12.5GHz，耦合Cs原子的第一里德堡能级66S
通过第二激光器发射出的第二激光在碱金属原子的第一激发态到第一里德堡态的共振跃迁线附近扫描，光电探测器150探测得到的光信号如图4、图5所示。图4为无微波场作用下的电磁感应透明(EIT)光谱，原子蒸汽气室内的Cs原子对852nm的第一激光透明。图5为随着微波场的电场强度的变化，EIT信号发生了幅值下降甚至AT分裂。通过测量EIT信号幅值下降的强度值，可以解算出微波场的电场强度。通过测量AT分裂两个峰之间的频率间隔，也可以解算出微波场的电场强度，AT分裂的两个峰之间的频率间隔Δf与微波场的电场强度Ec满足：
其中
根据本发明的一个实施例，如图1所示的信号接收装置100中：多个微波信号源140-1、140-2作为载波，分别施加多个不同频率的调幅信号，并将多个待传输信号以调幅的方式分别加载在多个调制后的载波上。
如图6所示，两个微波信号源140-1和140-2分别产生不同频率的微波场，设不同频率的微波场的频率分别为ωRF1和ωRF2，在微波上分别施加频率为ωm1和ωm2的调幅信号，待传输信号ω3和ω4通过调幅方式分别加载在到ωm1和ωm2上面，则经过调幅的微波电场分别为：
E
E
如图1所示，通过微波喇叭天线160-1和160-2将经过调制的微波电场辐射至原子蒸汽气室110处。
根据本发明的一个实施例，如图7所示，信号接收装置100进一步包括：
解调单元170，与光电探测器150的输出端耦接，用以根据光电探测器150输出的电信号解调出待传输的多个信号。
根据本发明的一个实施例，解调单元170进一步包括：信号处理单元171和多个锁相放大器172(如图中所示的172-1、172-2)，其中
信号处理单元171与光电探测器150的输出端耦接，配置成根据光电探测器150输出电信号的幅值变化，实时计算电场强度；
锁相放大器172-1、172-2与信号处理单元171的输出端耦接，配置成根据实时电场强度计算并解调出两路待传输的信号。
根据本发明的一个实施例，如图8所示，信号接收装置100进一步包括：
第一频率锁定单元180，包括饱和吸收装置181，配置成接收第一激光器120发生出的第一激光，并将经饱和吸收装置181饱和吸收后的光信号反馈给第一激光器120，用以锁定第一激光器的发射频率。
第二频率锁定单元190，包括电磁感应透明装置191，配置成接收第一激光器120发出的第一激光、第二激光器130发出的第二激光，并将经电磁感应透明装置191制备后的电磁感应透明信号反馈给第二激光器130，用以锁定第二激光器的发射频率。
通过第一频率锁定单元180、第二频率锁定单元190，可将制备EIT光谱的第一激光、第二激光的频率精确锁定至千分位。例如，第一激光器120发射852nm的第一激光，第二激光器130发射509nm的第二激光，第一激光的其中一路通过饱和吸收装置181(通常为Cs原子蒸汽气室)，经饱和吸收后，通过伺服控制系统反馈无多普勒背景的激光频率，第一激光器120根据反馈信号锁定第一激光的发射频率在852.358nm(对应Cs 6S
根据本发明的一个实施例，如图8所示的信号接收装置100中：
所述碱金属原子为铯(Cs)原子；
第一激光器110发出波长为852nm的第一激光，并通过第一频率锁定单元180将第一激光的频率锁定在Cs原子的基态6S
第二激光器120发出波长为509nm的第二激光，并通过第二频率锁定单元190将所述第二激光锁定在Cs原子的第一激发态6P
根据本发明的一个实施例，如图9所示，信号接收装置100还包括反射镜200和二向色镜210。
反射镜200，配置成使第一激光器120发出的第一激光经反射镜200反射后入射到原子蒸汽气室110内；
二向色镜210，配置成使第二激光器130发出的第二激光经二向色镜210反射后入射到原子蒸汽气室110内，第一激光与第二激光在原子蒸汽气室110内基本共线；
原子蒸汽气室110内透出的光信号经二向色镜210透射，由光电探测器150接收。
根据本发明的一个实施例，如图9所示的信号接收装置100中，多个微波信号源140的频率范围为1GHz至1000GHz，多个待传输信号为任意波形信号。
根据本发明的一个实施例，如图10所示，本发明还提供一种使用如上文所述的信号接收装置接收信号的方法10，包括：
在步骤S101中，通过第一激光器发射出第一激光到原子蒸汽气室内，用以将碱金属原子从基态激发到第一激发态；
在步骤S102中，通过第二激光器发射出第二激光到原子蒸汽气室内，用以将碱金属原子从第一激发态激发到第一里德堡态；
在步骤S103中，通过多个微波信号源发射出不同频率的微波场作为载波，将待传输的多个信号分别加载到所述多个载波上，辐射至原子蒸汽气室处；
在步骤S104中，通过光电探测器接收经原子蒸汽气室透出的光信号，并将光信号转换为电信号。
根据本发明的一个优选实施例，信号接收方法10进一步包括：
通过多个微波信号源耦合碱金属原子的第一里德堡态与相邻的多个第二里德堡态。
根据本发明的一个优选实施例，信号接收方法10进一步包括：
在多个载波上分别施加多个不同频率的调幅信号，并将多个待传输信号以调幅的方式分别加载在多个调制后的载波上。
根据本发明的一个实施例，其中信号接收装置进一步包括解调单元，与光电探测器的输出端耦接，信号接收方法10进一步包括：
通过解调单元根据光电探测器输出的电信号解调出待传输的多个信号。
根据本发明的一个实施例，其中解调单元还包括信号处理单元、与光电探测器的输出端耦接；多个锁相放大器，与信号处理单元的输出端耦接，信号接收方法10进一步包括：
通过信号处理单元根据光电探测器输出电信号幅值的变化实时计算电场强度；
多个锁相放大器根据实时电场强度计算并解调出待传输的多个信号。
根据本发明的一个实施例，其中信号接收装置进一步包括：第一频率锁定单元，包括饱和吸收装置；第二频率锁定单元，包括电磁感应透明装置，信号接收方法10进一步包括：
第一频率锁定单元接收第一激光器发生出的第一激光，并将经饱和吸收装置饱和吸收后的光信号反馈给第一激光器，用以锁定第一激光器的发射频率；
第二频率锁定单元接收第一激光器发出的第一激光、第二激光器发出的第二激光，经电磁感应透明装置制备电磁感应透明光谱，并将电磁感应透明信号反馈给第二激光器，用以锁定第二激光器的发射频率。
根据本发明的一个实施例，其中碱金属原子为铯原子，信号接收方法10进一步包括：
通过第一激光器发出波长为852nm的第一激光，并通过第一频率锁定单元将第一激光的频率锁定在铯原子基态6S
通过第二激光器发出波长为509nm的第二激光，并通过第二频率锁定单元将第二激光锁定在铯原子第一激发态6P
根据本发明的一个实施例，其中信号接收装置进一步包括：反射镜、二向色镜，信号接收方法10进一步包括：
使第一激光器发出的第一激光经反射镜反射后入射到原子蒸汽气室内；
使第二激光器发出的第二激光经二向色镜反射后入射到原子蒸汽气室内，第一激光与第二激光在原子蒸汽气室内基本共线；
原子蒸汽气室内透出的光信号经二向色镜透射，由光电探测器接收。
根据本发明的一个实施例，信号接收方法10进一步包括：
使第一激光、第二激光的频率满足碱金属原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件。
根据本发明的一个实施例，信号接收方法10进一步包括：
使多个微波场耦合第一里德堡能级与相邻的多个第二里德堡能级，使得碱金属原子从里德堡原子阶梯型三能级系统变成五能级系统或多能级系统。
根据本发明的一个实施例，采用碱金属铯(Cs)原子制备里德堡原子，第一激光器的发射频率为852nm，第二激光器的发射频率为509nm，分别入射到充满Cs原子蒸汽的气室内，第一激光频率、第二激光频率满足Cs原子从基态6S
根据本发明的一个实施例，采用碱金属铯(Cs)原子作为里德堡原子，以852nm的第一激光、509nm的第二激光制备电磁感应透明(EIT)光谱，其中微波信号源产生的微波场耦合的最终状态包括：65P
本发明提供了一种信号接收装置与信号接收方法，通过激光制备电磁感应透明光谱，并将多路传输信号分别加载在多个微波信号场上，通过已制备的电磁感应透明光谱，将传输信号转化为光信号传递，由光电探测器接收，通过解调器解调出原始的多路传输信号。本发明所提供的信号接收装置与信号接收方法，实现了多路信号无串扰的信息传输，实现了信号的精准传输，且装置结构简单，易于轻型化，并可以实现1GHz至1000GHz的宽频带或跨频带同时通信。