基于里德堡原子的無線電技術(shù)

付云起 林沂 武博 安強(qiáng) 劉燚

（國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410073）

引 言

自19 世紀(jì)中葉麥克斯韋建立電磁場(chǎng)理論以來，無線電技術(shù)得到了快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也極速擴(kuò)展.首先是意大利的馬可尼、俄國(guó)的波波夫等科學(xué)家通過制作無線電發(fā)射機(jī)、接收機(jī)，成功演示了無線電通信功能. 隨后，采用無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)及空間位置測(cè)量的雷達(dá)在第二次世界大戰(zhàn)中大放異彩. 如今，通信、雷達(dá)作為無線電技術(shù)的典型應(yīng)用，在載人航天、衛(wèi)星遙感、醫(yī)學(xué)成像、無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到了蓬勃發(fā)展，無線電技術(shù)已經(jīng)成為人類社會(huì)不可分割的一部分[1-2].

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)無線電應(yīng)用需求的快速提升，經(jīng)典無線電技術(shù)正面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如：1)無線電終端設(shè)備越來越小，而天線的發(fā)展不服從摩爾定律，其尺寸嚴(yán)格受限于Chu 極限[1-3]，頻率越低要求天線尺寸越大，對(duì)于頻率1 MHz 經(jīng)典天線尺寸必須達(dá)到米量級(jí)；2)電場(chǎng)計(jì)量需要高靈敏度、高精度的傳感器/接收機(jī)，但是，基于金屬天線探頭的電場(chǎng)計(jì)量裝置靈敏度難以突破μV/cm 量級(jí)，金屬對(duì)待測(cè)場(chǎng)的擾動(dòng)也使得計(jì)量精度難以提高，同時(shí)，此類探頭需要提前校準(zhǔn)以獲得精確測(cè)量值[4]；3)高速率高容量無線通信、高分辨率高精度雷達(dá)需要更多的頻率資源以及更大的工作頻帶，現(xiàn)有的解決方案通常是采用多頻段拼接實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作，文獻(xiàn)[5]為了覆蓋0.8～18 GHz頻段，采用16 個(gè)子頻率通道，整機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜度隨著頻帶擴(kuò)展而急劇增高[6]. 為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，科學(xué)家們提出許多新材料、新技術(shù)以推動(dòng)經(jīng)典無線電技術(shù)的發(fā)展，包括低頻小型化的機(jī)械天線[7-9]、電光晶體傳感器[10-11]、超導(dǎo)接收機(jī)[12-13]等.

近年來，量子信息技術(shù)飛速發(fā)展，科學(xué)家利用電子、光子、聲子等量子體系已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間、重力、磁場(chǎng)、加速度等物理量的精密測(cè)量[14-17]. 特別地，針對(duì)無線電微波場(chǎng)的幅度、相位、極化等參數(shù)的測(cè)量，基于里德堡原子電磁傳感器(也稱“原子傳感器”)的光譜測(cè)量方法取得了極大的研究進(jìn)展[18-21].里德堡原子是一種處于高能態(tài)的原子，擁有較大的躍遷偶極矩，能敏感地響應(yīng)從DC 到THz 的電場(chǎng)信號(hào)[22]，利用電磁感應(yīng)透明(electromagnetic induced transparency, EIT)[23-24]和Autler Townes(AT)分裂[25-26]可實(shí)現(xiàn)對(duì)微波場(chǎng)參數(shù)的光學(xué)測(cè)量，具備自校準(zhǔn)并直接追溯到國(guó)際單位制的測(cè)量能力.

原子傳感器的基本原理是里德堡原子相鄰能級(jí)與對(duì)應(yīng)頻率的微波場(chǎng)產(chǎn)生相干耦合，在微波場(chǎng)的作用下，里德堡原子產(chǎn)生能級(jí)分裂，在EIT 透射光譜上表現(xiàn)為AT 分裂的兩個(gè)透射峰，分裂頻率寬度Δf與耦合微波場(chǎng)的拉比頻率 Ω成正比. 對(duì)分裂頻率寬度Δf進(jìn)行測(cè)量后，微波電場(chǎng)強(qiáng)度|E|的計(jì)算表達(dá)式為[19]

自2017 年以來，科學(xué)家們研制了多種基于里德堡原子的無線電接收機(jī)(也稱“原子接收機(jī)”)[27-29]，驗(yàn)證了對(duì)經(jīng)典通信調(diào)制信號(hào)的解調(diào)能力，原子接收機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量也得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[30-31]，這些研究成果共同推動(dòng)了新術(shù)語“原子無線電”的誕生[32-33]. 文獻(xiàn)[34-36]綜述了基于原子體系的微波場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，但是，針對(duì)里德堡原子在無線電技術(shù)方面的研究工作未見綜述梳理. 本文主要從基于里德堡原子的AM/FM 接收機(jī)、基于原子混頻器的測(cè)相接收機(jī)、基于里德堡原子的脈沖測(cè)量技術(shù)幾個(gè)方面介紹了基于里德堡原子的無線電技術(shù)最新研究進(jìn)展.

1 基于里德堡原子的AM/FM 接收機(jī)

在無線電通信系統(tǒng)中，幅度調(diào)制(amplitude modulation, AM)和頻率調(diào)制(frequency modulation, FM)作為經(jīng)典的通信信號(hào)調(diào)制方式，具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，在無線對(duì)講、無線廣播等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.

2018 年，美國(guó)里德堡科技公司的David A. Anderson 提出了一種基于里德堡原子的AM/FM 接收機(jī)[37]，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)所示. 原子接收機(jī)采用一個(gè)20 mm長(zhǎng)的銫(Cs)原子氣室作為傳感器取代傳統(tǒng)天線，探測(cè)光和耦合光相向傳輸，探測(cè)光的透射信號(hào)采用光電探測(cè)器進(jìn)行接收. 在沒有微波場(chǎng)作用時(shí)EIT 譜的透射峰明顯，如圖1(c)、(d)的黑線所示；(c)中藍(lán)色為未調(diào)制的37.406 5 GHz 載波，紅色為AM 基帶頻率1 kHz、調(diào)制深度±25%；(d)中藍(lán)色為未調(diào)制的29.458 GHz 載波，紅色為FM 基帶頻率1 kHz、調(diào)制偏移±30 MHz. 當(dāng)有未調(diào)制的微波場(chǎng)作用時(shí)，EIT 透射峰發(fā)生了AT 分裂得到EIT-AT 譜，如藍(lán)線所示；當(dāng)有AM/FM 微波場(chǎng)作用時(shí)，EIT-AT 譜被調(diào)制，如紅線所示.

圖1 基于里德堡原子的AM/FM 接收機(jī)及測(cè)試結(jié)果[37]Fig. 1 A Rydberg atom-based communication receiver for AM and FM radio [37]

原子接收機(jī)對(duì)AM 信號(hào)和FM 信號(hào)具有不同的EIT-AT 譜特征[38-39]，基于里德堡原子的AM/FM 接收機(jī)對(duì)AM/FM 信號(hào)的檢測(cè)實(shí)質(zhì)上是對(duì)EIT-AT 譜信號(hào)的采集. 對(duì)于AM 信號(hào)，EIT-AT 譜為對(duì)稱分布，且隨著電場(chǎng)幅度增大，EIT-AT 譜兩個(gè)峰分離間距越大；對(duì)于FM 信號(hào)，EIT-AT 譜為非對(duì)稱分布，且隨著頻率偏移增大，EIT-AT 譜兩個(gè)峰分離間距越大. 基于上述特征的AM/FM 信號(hào)檢測(cè)方案如圖2 所示[39]，當(dāng)微波信號(hào)較弱、EIT 譜未出現(xiàn)明顯分裂時(shí)，可鎖定探測(cè)光(或者耦合光)波長(zhǎng)Δλ=0，在EIT 譜的中心位置進(jìn)行AM 檢測(cè)，如圖2(a)所示；當(dāng)微波信號(hào)較強(qiáng)、EITAT 譜兩個(gè)峰明顯時(shí)，可鎖定探測(cè)光波長(zhǎng)Δλ=0 在EIT-AT 譜的中心位置進(jìn)行AM 檢測(cè)，也可以鎖定探測(cè)光波長(zhǎng)Δλ≠0 在EIT-AT 譜的其中一個(gè)邊峰上進(jìn)行AM 檢測(cè)，如圖2(b)所示. 對(duì)于FM 信號(hào)的檢測(cè)也是類似的原理，當(dāng)頻率偏移較小、EIT 譜未出現(xiàn)明顯分裂時(shí)，可鎖定探測(cè)光波長(zhǎng)Δλ=0，在EIT 譜的中心位置進(jìn)行FM 檢測(cè)，如圖2(c)所示；當(dāng)頻率偏移較大、EIT-AT 譜兩個(gè)峰明顯時(shí)，可鎖定探測(cè)光波長(zhǎng)Δλ=0在EIT-AT 譜的中心位置進(jìn)行FM 檢測(cè)，也可以鎖定探測(cè)光波長(zhǎng)Δλ≠0 在EIT-AT 譜的其中一個(gè)邊峰上進(jìn)行FM 檢測(cè)，如圖2(d)所示.

圖2 AM/FM 調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)方案[38]Fig. 2 Detection scheme for an AM/FM modulated signal [38]

通過實(shí)時(shí)讀取光電探測(cè)器的輸出信號(hào)，可獲得類似經(jīng)典通信系統(tǒng)中解調(diào)后的時(shí)域信號(hào)波形，圖3所示為接收的FM 和AM 調(diào)制信號(hào)的人聲樣本音頻波形，該接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)的基帶頻率帶寬不小于100 kHz. 此外，得益于原子里德堡態(tài)躍遷能級(jí)的豐富性，該原子接收機(jī)的工作頻率可從C 波段(4.5 GHz)快速切換至Q 波段(29.548 GHz 及37.406 5 GHz). 同年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的David H. Meyer 進(jìn)一步通過采用鎖相放大器對(duì)光電探測(cè)器的接收信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)，獲得了接近散粒噪聲極限的8.2 Mbit/s 信道容量(載波頻率17 GHz)[40].

圖3 接收的FM 和AM 調(diào)制信號(hào)的人聲樣本的音頻波形[37]Fig. 3 Audio waveforms of human vocals recorded from received FM and AM modulated signal [37]

2019 年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的Holloway首次公開了一種基于里德堡原子的AM/FM 多頻段接收機(jī)[39,41]，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示，原子接收機(jī)包含一個(gè)由銣(Rb)和銫(Cs)雙原子蒸汽填充的玻璃氣室，銣原子和銫原子分別響應(yīng)載波頻率為20.644 GHz、19.626 GHz 的通信信號(hào)，波長(zhǎng)780.24 nm 的探測(cè)光和相向傳輸波長(zhǎng)為480.271 nm 的耦合光用于調(diào)控銣原子的里德堡態(tài)(5S1/2→5P3/2→47D5/2)，波長(zhǎng)850.53 nm的探測(cè)光和相向傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)為511.148 nm的耦合光用于調(diào)控銫原子的里德堡態(tài)(6S1/2→6P3/2→34D5/2). 在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，一首樂曲被分為樂器部分(左聲道)和人聲部分(右聲道)，兩個(gè)聲道的信息被分別調(diào)制于頻率為20.644 GHz、19.626 GHz 的載波上，調(diào)制方式可任意選用AM 或FM，通過兩個(gè)喇叭天線將已調(diào)制好的微波信號(hào)照射于原子氣室，使用兩個(gè)光電探測(cè)器分別采集穿過銣原子和銫原子的探測(cè)光參數(shù)，獲得了樂器部分和人聲部分的時(shí)域波形記錄，重現(xiàn)了時(shí)長(zhǎng)為76.7 s 的樂曲立體聲播放. 此外，Holloway 團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，通過流媒體播放網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)和聽音樂，展示了該接收機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；且該接收機(jī)表現(xiàn)出類似噪聲過濾器的特性，接收到的信號(hào)不會(huì)因噪聲水平的提高而明顯失真，即使信噪比低至-22 dB時(shí)，仍然能播放高質(zhì)量的音頻.

圖4 基于里德堡原子的AM/FM 多頻段接收機(jī)[39]Fig. 4 A Rydberg atom-based multi-band communication receiver for AM/FM radio [39]

國(guó)內(nèi)學(xué)者也在積極開展基于里德堡原子的AM/FM接收機(jī)的研究，例如，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的宋振飛團(tuán)隊(duì)針對(duì)特定誤碼率要求情況下的有效工作帶寬進(jìn)行分析[42]，在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了在要求通信速率為500 kbps、誤碼率為0 時(shí)，接收機(jī)有效工作頻率范圍為10.21～10.23 GHz；當(dāng)工作頻率范圍調(diào)整為10.22 GHz±150 MHz 時(shí)，誤碼率提高至15%.

2 基于原子混頻器的測(cè)相接收機(jī)

基于里德堡原子的AM/FM 接收機(jī)對(duì)AM/FM 信號(hào)的檢測(cè)本質(zhì)上是對(duì)EIT-AT 譜信號(hào)幅度的采集，此類接收機(jī)只能獲取微波場(chǎng)的幅度信息，難以獲得微波場(chǎng)的相位信息[43]. 然而，在很多無線電應(yīng)用中，獲取微波場(chǎng)的相位信息是至關(guān)重要的. 例如，在現(xiàn)代數(shù)字 通信系統(tǒng)中，相移鍵控(phase shift keying, PSK)、正交幅相調(diào)制(quadrature amplitude modulation, QAM)等高速率調(diào)制方式需要獲取入射場(chǎng)的相位信息[44]；此外，在合成孔徑雷達(dá)、多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)中，必須獲取回波信號(hào)的空間相位信息才能進(jìn)行目標(biāo)成像[45-46]. 基于里德堡原子的混頻接收機(jī)(也稱為“原子混頻器”)的誕生為微波場(chǎng)相位測(cè)量提供了可靠的實(shí)現(xiàn)手段[43,47].

在基于里德堡原子的AM/FM 接收機(jī)中，照射原子氣室的只有一個(gè)待接收的信號(hào)微波場(chǎng)；而在原子混頻器中，照射原子氣室的有兩個(gè)微波場(chǎng)，分別為已知參數(shù)的本振微波場(chǎng)和待接收的信號(hào)微波場(chǎng)，圖5所示為原子混頻器的系統(tǒng)框圖[32]. 在LO 微波場(chǎng)和信號(hào)(signal, SIG)微波場(chǎng)同時(shí)照射原子氣室的情況下，里德堡原子起到空間混頻器的作用，此時(shí)的EITAT 譜將被混頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)所調(diào)制. 假設(shè)本振微波場(chǎng)E1、 信號(hào)微波場(chǎng)E2分別表示為2019 年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院Holloway小組首次采用基于原子混頻器的測(cè)相接收機(jī)進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)[48]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)5 種調(diào)制信號(hào)(BPSK、QPSK、16QAM、32QAM、64QAM)的解調(diào)接收，圖6 所示為接收信號(hào)星座圖測(cè)試結(jié)果. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在載波頻率19.626 GHz、中頻信號(hào)帶寬1 MHz、碼元速率100 kSym/s 的條件下，接收的PSK/QAM 調(diào)制信號(hào)的誤差矢量幅度(error vector magnitude, EVM)小于3%，基于原子混頻器的測(cè)相接收機(jī)對(duì)于高速率調(diào)制方式的適用性得以驗(yàn)證.

圖5 原子混頻器系統(tǒng)框圖[32]Fig. 5 Diagram of Rydberg atom-based mixer [32]

圖6 星座圖測(cè)試結(jié)果[48]Fig. 6 Constellation measurement results [48]

隨后，該小組的Matthew T. Simons 對(duì)原子混頻器的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)[49]，提高了原子混頻傳感器探頭的緊湊性，改進(jìn)后的探頭實(shí)物如圖7 所示. 原子氣室被鑲嵌在一個(gè)金屬平行板波導(dǎo)中，綠色的耦合光穿過原子氣室，LO 微波場(chǎng)由同軸輸入端饋入. 該平行板波導(dǎo)具備三個(gè)功能：1)作為輻射器為原子氣室提供本振微波場(chǎng)；2)對(duì)信號(hào)微波場(chǎng)進(jìn)行聚焦，提高接收機(jī)靈敏度；3)起到極化鑒別作用，提高接收信號(hào)極化純度.

圖7 原子傳感器探頭[49]Fig. 7 Atomic sensor head [49]

基于里德堡原子的AM/FM 接收機(jī)、基于原子混頻器的測(cè)相接收機(jī)所具備的通信能力在實(shí)驗(yàn)上已得到驗(yàn)證，原子通信接收機(jī)與經(jīng)典通信接收機(jī)的性能對(duì)比列于表1.

表1 原子通信接收機(jī)與經(jīng)典通信接收機(jī)的性能對(duì)比Tab. 1 Performance comparison of atomic communication receivers and classical communication receivers

3 基于里德堡原子的脈沖測(cè)量技術(shù)

在通信系統(tǒng)中，常用的信號(hào)體制是連續(xù)波信號(hào)，基于里德堡原子的AM/FM 接收機(jī)及基于原子混頻器的測(cè)相接收機(jī)對(duì)連續(xù)波信號(hào)的測(cè)量能力已得到充分驗(yàn)證. 2019 年，里德堡科技公司David A. Anderson團(tuán)隊(duì)公開了基于里德堡原子的脈沖測(cè)量研究成果[30]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖信號(hào)的時(shí)域波形成像，實(shí)驗(yàn)使用的里德堡場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物如圖8 所示. 在實(shí)驗(yàn)過程中，通過快速掃描耦合光頻率并同時(shí)記錄EIT-AT 譜獲得脈沖信號(hào)時(shí)域波形，獲得對(duì)載波頻率為2.5 GHz、重復(fù)頻率為1 kHz，從左到右脈沖寬度分別為10 μs、100 μs、200 μs 脈沖信號(hào)的清晰時(shí)域成像結(jié)果，如圖9(a)所示. 更進(jìn)一步地，對(duì)脈沖寬度為200 μs 的正弦AM 脈沖信號(hào)也能獲得時(shí)域波形圖像，測(cè)量結(jié)果如圖9(b)所示.

圖8 里德堡場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)[30]Fig. 8 Rydberg field measurement system[30]

圖9 時(shí)域波形成像結(jié)果[30]Fig. 9 Time-domain imaging results [30]

4 總結(jié)與展望

2019 年，Anderson 對(duì)脈沖寬度的最小可測(cè)量值進(jìn)行探索，完成了對(duì)載波頻率為36.2 GHz、脈沖寬度為1 μs 的脈沖信號(hào)的時(shí)域成像[31]，指出時(shí)間分辨率主要受限于光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間. 此外，Anderson首次觀測(cè)了里德堡原子對(duì)耦合光脈沖開始和結(jié)束時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，設(shè)定耦合光脈沖寬度5 μs，耦合光于11.7 μs 開啟，16.7 μs 關(guān)閉，測(cè)量結(jié)果顯示EIT 譜讀出的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間分辨率在亞十納秒水平，如圖10 所示，不存在微波場(chǎng)，無耦合光時(shí)的探測(cè)光吸收背景在0.236 的水平，由白到黑表示透射探測(cè)光相對(duì)增加.

圖10 耦合光脈沖作用時(shí)的EIT 譜 [31]Fig. 10 EIT spectrum with coupler laser pulse [31]

相比于經(jīng)典無線電技術(shù)，基于里德堡原子的無線電技術(shù)利用量子干涉效應(yīng)(EIT 和AT 分裂)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波場(chǎng)的測(cè)量與接收，已經(jīng)展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：1)不需要經(jīng)典的解調(diào)裝置，通過光學(xué)檢測(cè)的方式直接測(cè)量原子對(duì)調(diào)制信號(hào)的響應(yīng)，具備實(shí)時(shí)、直接記錄基帶信號(hào)的能力；2)不需要經(jīng)典的射頻電路，基于全光學(xué)的射頻傳感器具備抗電磁干擾的能力；3)原子傳感器尺寸不受chu 極限約束，一個(gè)cm 量級(jí)甚至mm 量級(jí)尺寸的原子傳感器即可接收從DC 到THz的信號(hào)[22,50-51]；3)單個(gè)原子傳感器具備多頻段(多通道)同步接收能力；4)具備大動(dòng)態(tài)范圍(目前已超過120 dB)接收能力[52-53]；5)高靈敏度測(cè)量能力為雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)、高速率高可靠性通信等應(yīng)用提供了可能性. 這些顯著的優(yōu)點(diǎn)使基于里德堡原子的無線電技術(shù)成為研究熱點(diǎn).

基于里德堡原子的無線電技術(shù)具有前沿性、變革性和探索性，對(duì)于工作帶寬、靈敏度等性能參數(shù)，具有理論上的突破性和顛覆性. 原子無線電技術(shù)目前正處于初期發(fā)展階段，尤其是在通信、雷達(dá)等電子信息系統(tǒng)應(yīng)用上才剛剛起步，距離達(dá)到替代現(xiàn)有系統(tǒng)的技術(shù)水平仍有差距. 而且，電子信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求反過來會(huì)給原子無線電技術(shù)帶來諸多新的問題和挑戰(zhàn)，亟需進(jìn)一步探索或深入研究的方面包括原子傳感器的空間響應(yīng)特性、原子接收機(jī)的瞬時(shí)帶寬、原子傳感器與經(jīng)典微波器件的結(jié)合等. 此外，現(xiàn)有的原子接收機(jī)大部分都安裝于光學(xué)平臺(tái)上，其機(jī)動(dòng)性和實(shí)用性大打折扣，光纖耦合一體化原子氣室[54]的出現(xiàn)和低成本、小型化激光器的發(fā)展[55]為原子接收機(jī)的緊湊化和可攜帶性提供了有效的技術(shù)手段，增大了原子傳感器商業(yè)化應(yīng)用的可能性. 因此，基于里德堡原子的無線電技術(shù)也將給通信、雷達(dá)、電磁頻譜監(jiān)測(cè)等經(jīng)典無線電應(yīng)用領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機(jī)遇.