三端口光纖耦合原子氣室探頭的開發(fā)及其微波數字通信應用*

林沂 吳逢川 毛瑞棋 姚佳偉 劉燚 安強 付云起

(國防科技大學電子科學學院,長沙 410073)

基于里德伯原子的量子微波測量技術快速發(fā)展并受到廣泛關注,該技術已展現出探頭尺寸與波長無關、寬頻譜測量等顯著優(yōu)勢,光纖耦合原子氣室探頭是便攜式量子微波測量系統(tǒng)的關鍵技術之一.現有雙端口光纖耦合原子氣室探頭的探測光輸出與耦合光輸入共用漸變折射率(graded index,GRIN)透鏡及光纖的方式,使得探測光傳輸效率僅為17%.在此條件下,需通過增大探測光輸入功率以獲得足夠的透射光輸出功率,這使得電磁誘導透明(electromagnetically-induced transparency,EIT)光譜展寬至11 MHz,測量靈敏度降低.本文提出集成二向色鏡的三端口光纖耦合原子氣室探頭,在保證原子氣室中探測光、耦合光重疊相向傳輸的條件下,出射的探測光被分離至獨立的GRIN 透鏡及輸出光纖,探測光傳輸效率為40.4%,EIT 光譜半高寬被降低至6 MHz.該探頭被用于開展EIT 光譜測量、基于空間混頻技術的數字通信實驗研究,實驗結果驗證了該探頭對數字通信信號的接收能力.

1 引言

隨著現代社會對微波應用需求的快速提升,基于經典電子學的微波接收系統(tǒng)正面臨著諸多挑戰(zhàn),例如受電子熱噪聲的約束,微波接收機室溫靈敏度極限(—174 dBm/Hz)難以進一步提高;天線尺寸與工作頻率相關,對于寬工作頻帶,需要多副天線分別覆蓋多個頻帶.近年來,基于里德伯原子的量子微波測量技術快速發(fā)展并受到廣泛關注[1-3],該技術具有突破經典接收機靈敏度極限的潛力(約—220 dBm/Hz),且其用于感應微波的原子氣室探頭尺寸與波長無關,厘米量級的探頭即可實現DC(直流)—太赫茲的寬頻譜信號接收[4-6].量子微波測量技術已經在微波電場計量、射頻/太赫茲電場成像、微弱信號探測、微波通信等方面表現出巨大的應用潛力.

到目前為止,量子微波測量技術實驗系統(tǒng)主要依托光學平臺搭建,發(fā)展可移動、便攜式的量子微波測量系統(tǒng)是該技術的重要研究方向,其中光纖耦合原子氣室探頭是要突破的關鍵技術之一.2016 年,美國國家標準和技術研究所開發(fā)出第一個雙端口光纖耦合原子氣室探頭[7].在此基礎上,2020 年,美國里德伯科技公司通過集成反射鏡縮小了原子氣室探頭尺寸[8],這些探頭雖然可提高量子微波測量技術實驗開展的靈活性,但是其對探測光傳輸效率僅為17%.探測光傳輸效率低的原因主要是探測光輸出與耦合光輸入共用光纖、漸變折射率(graded index,GRIN)透鏡的方式造成探測光功率損耗嚴重,且該探頭的技術方案要求對探測光、耦合光的腰斑直徑進行折中設計.同時要求較高的探測光輸入功率以試圖獲得足夠的透射光輸出功率,這使得接收系統(tǒng)的電磁誘導透明(electromagnetically-induced transparency,EIT)光譜展寬至11 MHz,測量靈敏度降低.因此,業(yè)內迫切需要提高光纖耦合原子氣室探頭的探測光傳輸效率以支撐量子微波測量技術的發(fā)展應用.

本文提出一種三端口光纖耦合原子氣室探頭,通過二向色鏡與原子氣室的集成,在保證原子氣室中探測光、耦合光重疊相向入射的條件下,采用二向色鏡將出射的探測光分離至獨立的探測光光纖輸出,提高探測光傳輸效率及EIT 光譜質量.我們利用該探頭在微波暗室中開展基于量子微波測量技術的微波數字通信應用研究,實驗驗證該探頭的有效性.

2 三端口光纖耦合原子氣室探頭的開發(fā)

為克服探測光輸出與耦合光輸入共用光纖、GRIN 透鏡方式的缺點,我們通過二向色鏡與原子氣室的集成,開發(fā)三端口光纖耦合原子氣室探頭,探測光輸出與耦合光輸入各自使用獨立的光纖和GRIN 透鏡.圖1 所示是三端口光纖耦合原子氣室實物圖,探測光入射至原子氣室后經二向色鏡透射傳輸至探測光輸出光纖,耦合光入射至二向色鏡后反射至原子氣室內,探測光、耦合光在原子氣室內重疊相向傳輸,且二者光束偏振保持一致.采用尺寸為1 cm3的133Cs 原子氣室,二向色鏡反射耦合光、傳輸透射光,探測光波長852 nm,耦合光波長510 nm.探測光輸出及輸入光纖采用工作波長覆蓋780—980 nm 的單模保偏光纖,耦合光輸入光纖采用工作波長覆蓋460—630 nm 的單模保偏光纖.光纖中的光束通過準直器組件傳輸后轉換空間光入射至二向色鏡/原子氣室,探測光腰斑直徑約300 μm,瑞利距離約16 mm,耦合光腰斑直徑約420 μm,瑞利距離約20 mm.準直器組件由光纖插芯、漸變折射率(GRIN)透鏡、套管、支撐管組成.在裝配調試各部件時,同步監(jiān)測EIT 光譜,反復調整各端口的光束準直輸出端面位置、二向色鏡的位置、保偏光纖快慢軸,當EIT 光譜上透射峰的峰值出現最大值時,采用紫外固化光學膠粘合原子氣室探頭各部件的連接面.

圖1 三端口光纖耦合原子氣室探頭Fig.1.Three-port fiber-coupled vapor cell probe.

與現有光纖耦合原子氣室方案相比,本文提出的三光纖耦合原子氣室探頭優(yōu)勢顯著,主要體現在: 1)用于傳輸探測光、耦合光的光學器件(光纖、GRIN 透鏡)可獨立設計,這意味著在原子氣室中的光束參數(腰斑直徑)可獨立設計,不需要折中設計兩束光的參數;2)探測光傳輸效率的測試值為40.4%,顯著優(yōu)于現有的光纖耦合原子氣室探頭(17%),這有利于降低對探測光輸入功率的要求.上述優(yōu)勢反映到原子氣室探頭對微波信號接收的性能上時,在一定程度上可抑制EIT 光譜展寬效應,進而提高便攜式量子微波接收機的靈敏度.

該三光纖耦合原子氣室探頭的探測光傳輸效率存在的影響因素包括: 保偏光纖快慢軸的對準程度、探測光及耦合光的對準程度、GRIN 透鏡的光學性能、原子氣室壁對入射光的散射損耗等.通過對GRIN 透鏡和原子氣室進行鍍膜處理、提高加工對準精度等手段,探頭的探測光傳輸效率存在進一步提高的可能.

3 三端口光纖耦合原子氣室探頭的實驗測量

基于里德伯原子的量子微波測量技術,利用里德伯原子階梯激發(fā)的電磁誘導透明(EIT)現象和與微波相互作用的Autler-Townes (AT)分裂效應,將微波信號攜帶的信息傳遞到激光光譜,提取透射光光譜信息完成微波信號接收.里德伯原子微波接收機對微波通信信號的接收主要通過兩種方式,第一種是基于EIT-AT 光譜實現調頻/調幅等調制信號的接收[9,10];第二種是基于里德伯原子的空間混頻技術實現幅度和相位調制信號的測量,例如相移鍵控 (phase shift keying,PSK)、正交幅相調制 (quadrature amplitude modulation,QAM)等數字調制信號[11,12];其中,EIT-AT 光譜測量方法正被研究用于實現微波電場強度的自校準、可溯源計量.

三端口光纖耦合原子氣室探頭實驗測量實驗系統(tǒng)示意框圖和測試場景如圖2 所示.探測光激光源輸出功率為7.8 μW、波長為852 nm 的探測光,通過保偏光纖饋入原子氣室探頭的探測光輸入端口,133Cs 原子在探測光的作用下從基態(tài)|6S1/2,(F=4)〉激發(fā)到中間態(tài)|6P3/2,(F′=5)〉;耦合光激光源輸出功率為153 mW、波長為510 nm 的耦合光,通過保偏光纖饋入原子氣室探頭的耦合光輸入端口.激光器頻率穩(wěn)定度是實驗系統(tǒng)的關鍵參數.探測光的頻率用飽和吸收譜穩(wěn)頻法鎖定于133Cs 原子能級|6S1/2,(F=4)〉到|6P3/2,(F′=5)〉的躍遷,耦合光的頻率采用EIT 反饋穩(wěn)頻法進行鎖定.在原子氣室中,探測光、耦合光的偏振方向平行于z軸方向,133Cs 原子在耦合光的作用下從中間態(tài)|6P3/2,(F′=5)〉躍遷至里德伯態(tài)|42D5/2〉;微波模擬信號源提供頻率為fLO=9.945 GHz 的空間混頻本振微波場,微波矢量信號源提供載波頻率為fSIG=9.9451 GHz 的信號微波場,兩路信號通過合路器饋入標準喇叭天線發(fā)射,天線被放置在原子氣室前面3 m 處,輻射電磁波極化方向平行于z軸方向,兩路微波信號輻射至原子氣室中與光束所在路徑上的里德伯原子發(fā)生空間混頻作用;原子氣室探頭的探測光輸出端口與光電探測器相連,光電探測器將光信號轉化為頻率為fIF的中頻電信號,其輸出電信號連接中頻信號處理裝置;鎖相放大器用于產生I 和Q 兩個通道的正交信號,多通道數字示波器用于采集I,Q 信號;信號分析儀用于解調分析光電探測器輸出的中頻信號.里德伯原子與微波發(fā)生空間混頻后,光電探測器獲得的中頻信號輸出表示為[13,14]

圖2 三端口光纖耦合原子氣室探頭測量實驗 (a)系統(tǒng)示意框圖;(b)測試場景Fig.2.Three-port fiber-coupled vapor cell probe measurement experiment: (a) Schematic block diagram of the system;(b) experiment scenario.

其中,ELO,ESIG分別表示原子氣室處的本振微波場電場強度、信號微波場電場強度,Δφ表示本振微波場、信號微波場在原子氣室內光束所在路徑位置的相位差.

3.1 EIT-AT 光譜測量

通過EIT-AT 光譜手段測量本振微波場、信號微波場的電場強度,其基本原理是里德伯原子相鄰能級與對應頻率的微波場產生相干耦合,在微波場的作用下,里德伯原子產生能級分裂,在EIT 譜上表現為AT 分裂的兩個透射峰,AT 分裂頻率寬度Δf與微波場的拉比頻率成正比.微波電場強度表示為[7]

其中,Δf是AT 分裂頻率寬度測試值,? 為普朗克常數,μMw為躍遷偶極矩,可以利用開源ARC 工具箱計算獲得[15].

根據(2)式,空間電場強度理論值表示為[16]

其中,c是真空中的光速;ε0是自由空間介電常數;R為天線口面到原子氣室中光束路徑的距離;Pt表示饋入天線的信號功率;G表示天線增益;F是由原子氣室內的駐波引入的擾動因子[17,18].

基于電磁仿真計算軟件對三端口光纖耦合原子氣室探頭進行建模仿真,探頭玻璃材質采用相對介電常數約為3.7 的高硼硅玻璃,電場強度為1 V/m、x方向極化的平面波入射至原子氣室探頭,在原子氣室內光束所在路徑中心位置設置電場探針觀察該點電場強度.忽略自由空間損耗時,在工作頻率fLO=9.945 GHz 處,圖3(a)所示為原子氣室內光束路徑所在yoz平面的電場強度分布圖;圖3(b)所示為電場探針處電場強度隨頻率的變化曲線.根據電場強度仿真值0.62 V/m 與自由空間理論電場強度值1 V/m 的對比,擾動因子F=0.62.

圖3 原子氣室內的電場分布仿真結果 (a) fLO=9.945 GHz,yoz 平面電場強度分布;(b)電場強度隨頻率的變化Fig.3.Simulated results of the electric field distribution inside the vapor cell: (a) Electric field intensity distribution in the yoz plane at fLO=9.945 GHz;(b) the electric field intensity with variable frequency.

三端口光纖耦合原子氣室探頭的EIT-AT 光譜測試結果如圖4 所示,ΔC表示耦合光掃描頻率范圍,空間無微波場作用時,EIT 光譜半寬度約為6 MHz,優(yōu)于現有雙端口光纖耦合原子氣室探頭的EIT 光譜半寬度11 MHz[7].測量本振微波場的電場強度|ELO|時,微波模擬信號源提供fLO=9.945 GHz 的連續(xù)波信號,微波矢量信號源處于關閉狀態(tài);測量信號微波場的電場強度|ESIG|時,微波矢量信號源提供fSIG=9.9451 GHz 的連續(xù)波信號,微波模擬信號源處于關閉狀態(tài).通過調整信號源的輸出信號功率,設定原子氣室處的電場強度,設定電場強度理論值|ESIG|=0.2,0.5 V/m,|ELO|=1.0,1.5 V/m,測試結果表明微波電場強度測試值與理論值接近.

圖4 當G=11.57 dB,R=3 m 時,EIT-AT 光譜測試結果Fig.4.Experimental results of EIT-AT spectral at G=11.57 dB,R=3 m.

3.2 基于空間混頻技術的數字通信實驗

根據(1)式,中頻信號的幅度與本振微波場、信號微波場的電場強度呈正相關,中頻信號的相位是本振微波場和信號微波場的相位差.首先驗證三端口光纖耦合原子氣室探頭對連續(xù)波信號的混頻接收能力,在搭建測量環(huán)境時,用同一時鐘信號控制兩個微波信號源、鎖相放大器、示波器的同步觸發(fā),以保障實驗系統(tǒng)對相位的測量條件.當本振微波場、信號微波場頻率分別為fLO=9.945 GHz,fSIG=9.9451 GHz 時,空間混頻輸出中頻信號頻率為fIF=100 kHz,其I 和Q 通道時域波形測試結果如圖5 所示.在|ELO|=1.5 V/m 保持不變的情況下,當|ESIG|變化時,中頻信號幅度隨之改變,在此過程中,兩通道信號保持良好正交.

圖5 當fLO=9.945 GHz,fSIG=9.9451 GHz,|ELO|=1.5 V/m 時,中頻信號時域波形測試結果Fig.5.Experimental results of IF signal time domain waveform at fLO=9.945 GHz,fSIG=9.9451 GHz,|ELO|=1.5 V/m.

進一步驗證三端口光纖耦合原子氣室探頭對相位變化的測量能力,通過改變信號微波場的相位(在微波矢量信號源和合路器之間插入不同相移的穩(wěn)相線纜以等效信號微波場的相位變化),測試中頻信號的相位變化情況.圖6 所示是中頻信號相位測試結果,每調整一次相位時,通過對采集的I 和Q 通道信號進行相位提取計算獲得中頻信號的相位信息,該結果為3 次測量的平均值.觀察可知,中頻信號的相位變化與信號微波場的相位變化趨勢一致.對于測試的相位變化點,中頻信號相位測量誤差小于3°,初步判斷是測試過程中線纜反復連接造成發(fā)射鏈路不穩(wěn)定進而引起相位測量誤差.

圖6 當fLO=9.945 GHz,fSIG=9.9451 GHz,|ELO|=1.5 V/m,|ESIG|=0.2 V/m 時,中頻信號相位測試結果Fig.6.Experimental results of IF signal phase at fLO=9.945 GHz,fSIG=9.9451 GHz,|ELO|=1.5 V/m,|ESIG|=0.2 V/m.

最后,驗證三端口光纖耦合原子氣室探頭對數字調制信號的接收能力,選用現代通信系統(tǒng)中典型的正交相移鍵控(quadrature phase shift keying,QPSK)和QAM 數字調制信號進行接收測試.評估數字通信信號接收質量的指標是誤差向量幅度(error vector magnitude,EVM)[19],表示接收信號與理想調制信號的幅度/相位狀態(tài)相比的誤差向量,EVM 越小,接收信號質量越好.在實驗過程中,使用信號分析儀生成接收信號星座圖(表示符號的幅度/相位狀態(tài))并獲得EVM 數值.設定中頻信號頻率為100 kHz,通過微波矢量信號源產生QPSK(符號率10,50 kb/s),16QAM (符號率10,50 kb/s)調制信號.圖7 給出了中頻信號星座圖測試結果,EVM 測試值分別為QPSK (4.8%,6.7%),16QAM(5.2%,6.3%),符合基本通信應用需求.

圖7 當fLO=9.945 GHz,fSIG=9.9451 GHz 時,2047 個符號中頻信號星座圖的測試結果 (a) QPSK (10 kb/s);(b) QPSK (50 kb/s);(c) 16 QAM (10 kb/s);(d) 16 QAM(50 kb/s)Fig.7.Experimental results of 2047 symbol stream for IF signal constellation diagram with fLO=9.945 GHz,fSIG=9.9451 GHz: (a) QPSK (10 kb/s);(b) QPSK (50 kb/s);(c) 16 QAM (10 kb/s);(d) 16 QAM (50 kb/s).

4 原子氣室探頭測量不確定性

里德伯原子的量子微波測量技術具有不確定性,導致測量不確定性的因素可以分為兩類: 基于量子的不確定因素和基于射頻的不確定因素.其中,前者可以忽略不計,后者占據主導因素.目前最大的基于射頻的不確定性是由原子氣室的電介質壁產生的駐波造成[20].對于量子微波測量的不同應用場景,對駐波引起的不確定性分析的研究重點存在區(qū)別.針對微波電場強度計量應用,研究目標是電場強度絕對值測量,研究重點是已知微波入射角度,分析駐波引入的測量精度誤差[7].針對微波通信等電子信息系統(tǒng)的量子微波接收應用,電場強度相對值測量是研究目標,研究重點轉變?yōu)樵谖⒉ㄈ肷浣嵌任粗那闆r下,分析駐波對原子氣室空間響應一致性的影響.

現階段常用的原子氣室構型包括立方形原子氣室及圓柱形原子氣室,對這兩種原子氣室的空間響應特性進行仿真實驗,仿真結果如圖8 所示.立方形原子氣室尺寸為2.5 cm3,圓柱形原子氣室的直徑和長度均為2.5 cm,氣室壁厚度為1 mm,入射電場強度為1 V/m,極化方向平行于y軸方向,入射角在xoz平面內掃描,在原子氣室的中心位置設置電場探針以觀察入射角變化時的電場強度信息.由圖8(a),(b)可知,兩種原子氣室的空間響應特性總體特征相似.圖8(c)為電場強度隨入射角的變化曲線,當工作頻率為1,5 GHz,即原子氣室尺寸遠小于波長時,原子氣室空間響應一致性很好;當工作頻率大于15 GHz,即原子氣室尺寸與波長相當時,原子氣室空間響應出現明顯的極大值和極小值;隨著工作頻率增大,原子氣室空間響應對入射角變化更為敏感.此外,空間響應平坦度(極大值與極小值的比值)并非隨著工作頻率呈線性變化,而是隨著頻率在0—25 dB 之間起伏波動,空間響應平坦度在3 dB 以內的頻段覆蓋約為1.0—12.4 GHz.

圖8 原子氣室空間響應仿真結果 (a)立方形和(b)圓柱形原子氣室的電場強度隨入射角的變化;(c)空間響應平坦度隨頻率的變化Fig.8.Simulated results of spatial response of vapor cell: Electric field intensity with variable incident angle for the (a) cubic and(b) cylindrical vapor cell;(c) spatial response flatness with variable frequency.

5 結論

面向量子微波測量技術的可移動、便攜式應用需求,針對現有光纖耦合原子氣室的探測光傳輸效率不足的問題,本文開發(fā)了集成二向色鏡的三端口光纖耦合原子氣室探頭,探測光輸入-輸出傳輸效率高達40.4%,而且原子氣室內探測光、耦合光的腰斑直徑可獨立控制,該探頭的技術方案避免了現有光纖耦合原子氣室需要折中考慮探測光、耦合光的腰斑直徑,以及高功率探測光的使用而導致的EIT 光譜展寬問題,實測EIT 光譜半寬度為6 MHz.利用該探頭測量微波電場強度和相位,實現了QPSK 和16QAM 數字調制信號的接收,實驗上驗證了探頭的有效性.