基于里德堡原子的無線電技術

付云起 林沂 武博 安強 劉燚

（國防科技大學電子科學學院, 長沙 410073）

引 言

自19 世紀中葉麥克斯韋建立電磁場理論以來，無線電技術得到了快速發展，應用領域也極速擴展.首先是意大利的馬可尼、俄國的波波夫等科學家通過制作無線電發射機、接收機，成功演示了無線電通信功能. 隨后，采用無線電技術實現目標探測及空間位置測量的雷達在第二次世界大戰中大放異彩. 如今，通信、雷達作為無線電技術的典型應用，在載人航天、衛星遙感、醫學成像、無線網絡、物聯網等領域得到了蓬勃發展，無線電技術已經成為人類社會不可分割的一部分[1-2].

隨著現代社會對無線電應用需求的快速提升，經典無線電技術正面臨著諸多挑戰，例如：1)無線電終端設備越來越小，而天線的發展不服從摩爾定律，其尺寸嚴格受限于Chu 極限[1-3]，頻率越低要求天線尺寸越大，對于頻率1 MHz 經典天線尺寸必須達到米量級；2)電場計量需要高靈敏度、高精度的傳感器/接收機，但是，基于金屬天線探頭的電場計量裝置靈敏度難以突破μV/cm 量級，金屬對待測場的擾動也使得計量精度難以提高，同時，此類探頭需要提前校準以獲得精確測量值[4]；3)高速率高容量無線通信、高分辨率高精度雷達需要更多的頻率資源以及更大的工作頻帶，現有的解決方案通常是采用多頻段拼接實現寬頻帶工作，文獻[5]為了覆蓋0.8～18 GHz頻段，采用16 個子頻率通道，整機系統復雜度隨著頻帶擴展而急劇增高[6]. 為應對上述挑戰，科學家們提出許多新材料、新技術以推動經典無線電技術的發展，包括低頻小型化的機械天線[7-9]、電光晶體傳感器[10-11]、超導接收機[12-13]等.

近年來，量子信息技術飛速發展，科學家利用電子、光子、聲子等量子體系已經實現了對時間、重力、磁場、加速度等物理量的精密測量[14-17]. 特別地，針對無線電微波場的幅度、相位、極化等參數的測量，基于里德堡原子電磁傳感器(也稱“原子傳感器”)的光譜測量方法取得了極大的研究進展[18-21].里德堡原子是一種處于高能態的原子，擁有較大的躍遷偶極矩，能敏感地響應從DC 到THz 的電場信號[22]，利用電磁感應透明(electromagnetic induced transparency, EIT)[23-24]和Autler Townes(AT)分裂[25-26]可實現對微波場參數的光學測量，具備自校準并直接追溯到國際單位制的測量能力.

原子傳感器的基本原理是里德堡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，里德堡原子產生能級分裂，在EIT 透射光譜上表現為AT 分裂的兩個透射峰，分裂頻率寬度Δf與耦合微波場的拉比頻率 Ω成正比. 對分裂頻率寬度Δf進行測量后，微波電場強度|E|的計算表達式為[19]

自2017 年以來，科學家們研制了多種基于里德堡原子的無線電接收機(也稱“原子接收機”)[27-29]，驗證了對經典通信調制信號的解調能力，原子接收機對脈沖信號的實時測量也得到了實驗驗證[30-31]，這些研究成果共同推動了新術語“原子無線電”的誕生[32-33]. 文獻[34-36]綜述了基于原子體系的微波場測量技術，但是，針對里德堡原子在無線電技術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、基于原子混頻器的測相接收機、基于里德堡原子的脈沖測量技術幾個方面介紹了基于里德堡原子的無線電技術最新研究進展.

1 基于里德堡原子的AM/FM 接收機

在無線電通信系統中，幅度調制(amplitude modulation, AM)和頻率調制(frequency modulation, FM)作為經典的通信信號調制方式，具有原理簡單、易于實現的特點，在無線對講、無線廣播等領域得到廣泛應用.

2018 年，美國里德堡科技公司的David A. Anderson 提出了一種基于里德堡原子的AM/FM 接收機[37]，實驗裝置如圖1(a)所示. 原子接收機采用一個20 mm長的銫(Cs)原子氣室作為傳感器取代傳統天線，探測光和耦合光相向傳輸，探測光的透射信號采用光電探測器進行接收. 在沒有微波場作用時EIT 譜的透射峰明顯，如圖1(c)、(d)的黑線所示；(c)中藍色為未調制的37.406 5 GHz 載波，紅色為AM 基帶頻率1 kHz、調制深度±25%；(d)中藍色為未調制的29.458 GHz 載波，紅色為FM 基帶頻率1 kHz、調制偏移±30 MHz. 當有未調制的微波場作用時，EIT 透射峰發生了AT 分裂得到EIT-AT 譜，如藍線所示；當有AM/FM 微波場作用時，EIT-AT 譜被調制，如紅線所示.

圖1 基于里德堡原子的AM/FM 接收機及測試結果[37]Fig. 1 A Rydberg atom-based communication receiver for AM and FM radio [37]

原子接收機對AM 信號和FM 信號具有不同的EIT-AT 譜特征[38-39]，基于里德堡原子的AM/FM 接收機對AM/FM 信號的檢測實質上是對EIT-AT 譜信號的采集. 對于AM 信號，EIT-AT 譜為對稱分布，且隨著電場幅度增大，EIT-AT 譜兩個峰分離間距越大；對于FM 信號，EIT-AT 譜為非對稱分布，且隨著頻率偏移增大，EIT-AT 譜兩個峰分離間距越大. 基于上述特征的AM/FM 信號檢測方案如圖2 所示[39]，當微波信號較弱、EIT 譜未出現明顯分裂時，可鎖定探測光(或者耦合光)波長Δλ=0，在EIT 譜的中心位置進行AM 檢測，如圖2(a)所示；當微波信號較強、EITAT 譜兩個峰明顯時，可鎖定探測光波長Δλ=0 在EIT-AT 譜的中心位置進行AM 檢測，也可以鎖定探測光波長Δλ≠0 在EIT-AT 譜的其中一個邊峰上進行AM 檢測，如圖2(b)所示. 對于FM 信號的檢測也是類似的原理，當頻率偏移較小、EIT 譜未出現明顯分裂時，可鎖定探測光波長Δλ=0，在EIT 譜的中心位置進行FM 檢測，如圖2(c)所示；當頻率偏移較大、EIT-AT 譜兩個峰明顯時，可鎖定探測光波長Δλ=0在EIT-AT 譜的中心位置進行FM 檢測，也可以鎖定探測光波長Δλ≠0 在EIT-AT 譜的其中一個邊峰上進行FM 檢測，如圖2(d)所示.

圖2 AM/FM 調制信號的檢測方案[38]Fig. 2 Detection scheme for an AM/FM modulated signal [38]

通過實時讀取光電探測器的輸出信號，可獲得類似經典通信系統中解調后的時域信號波形，圖3所示為接收的FM 和AM 調制信號的人聲樣本音頻波形，該接收機可實現的基帶頻率帶寬不小于100 kHz. 此外，得益于原子里德堡態躍遷能級的豐富性，該原子接收機的工作頻率可從C 波段(4.5 GHz)快速切換至Q 波段(29.548 GHz 及37.406 5 GHz). 同年，美國馬里蘭大學的David H. Meyer 進一步通過采用鎖相放大器對光電探測器的接收信號進行正交解調，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 調制信號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，美國國家標準與技術研究院的Holloway首次公開了一種基于里德堡原子的AM/FM 多頻段接收機[39,41]，實驗裝置如圖4 所示，原子接收機包含一個由銣(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載波頻率為20.644 GHz、19.626 GHz 的通信信號，波長780.24 nm 的探測光和相向傳輸波長為480.271 nm 的耦合光用于調控銣原子的里德堡態(5S1/2→5P3/2→47D5/2)，波長850.53 nm的探測光和相向傳輸的波長為511.148 nm的耦合光用于調控銫原子的里德堡態(6S1/2→6P3/2→34D5/2). 在實驗場景中，一首樂曲被分為樂器部分(左聲道)和人聲部分(右聲道)，兩個聲道的信息被分別調制于頻率為20.644 GHz、19.626 GHz 的載波上，調制方式可任意選用AM 或FM，通過兩個喇叭天線將已調制好的微波信號照射于原子氣室，使用兩個光電探測器分別采集穿過銣原子和銫原子的探測光參數，獲得了樂器部分和人聲部分的時域波形記錄，重現了時長為76.7 s 的樂曲立體聲播放. 此外，Holloway 團隊在實驗室工作時，通過流媒體播放網絡電臺和聽音樂，展示了該接收機的長期穩定性；且該接收機表現出類似噪聲過濾器的特性，接收到的信號不會因噪聲水平的提高而明顯失真，即使信噪比低至-22 dB時，仍然能播放高質量的音頻.

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

國內學者也在積極開展基于里德堡原子的AM/FM接收機的研究，例如，中國計量科學研究院的宋振飛團隊針對特定誤碼率要求情況下的有效工作帶寬進行分析[42]，在實驗室驗證了在要求通信速率為500 kbps、誤碼率為0 時，接收機有效工作頻率范圍為10.21～10.23 GHz；當工作頻率范圍調整為10.22 GHz±150 MHz 時，誤碼率提高至15%.

2 基于原子混頻器的測相接收機

基于里德堡原子的AM/FM 接收機對AM/FM 信號的檢測本質上是對EIT-AT 譜信號幅度的采集，此類接收機只能獲取微波場的幅度信息，難以獲得微波場的相位信息[43]. 然而，在很多無線電應用中，獲取微波場的相位信息是至關重要的. 例如，在現代數字 通信系統中，相移鍵控(phase shift keying, PSK)、正交幅相調制(quadrature amplitude modulation, QAM)等高速率調制方式需要獲取入射場的相位信息[44]；此外，在合成孔徑雷達、多輸入多輸出雷達系統中，必須獲取回波信號的空間相位信息才能進行目標成像[45-46]. 基于里德堡原子的混頻接收機(也稱為“原子混頻器”)的誕生為微波場相位測量提供了可靠的實現手段[43,47].

在基于里德堡原子的AM/FM 接收機中，照射原子氣室的只有一個待接收的信號微波場；而在原子混頻器中，照射原子氣室的有兩個微波場，分別為已知參數的本振微波場和待接收的信號微波場，圖5所示為原子混頻器的系統框圖[32]. 在LO 微波場和信號(signal, SIG)微波場同時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，此時的EITAT 譜將被混頻產生的中頻信號所調制. 假設本振微波場E1、 信號微波場E2分別表示為2019 年，美國國家標準與技術研究院Holloway小組首次采用基于原子混頻器的測相接收機進行通信實驗[48]，實現了對5 種調制信號(BPSK、QPSK、16QAM、32QAM、64QAM)的解調接收，圖6 所示為接收信號星座圖測試結果. 實驗結果表明在載波頻率19.626 GHz、中頻信號帶寬1 MHz、碼元速率100 kSym/s 的條件下，接收的PSK/QAM 調制信號的誤差矢量幅度(error vector magnitude, EVM)小于3%，基于原子混頻器的測相接收機對于高速率調制方式的適用性得以驗證.

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

圖6 星座圖測試結果[48]Fig. 6 Constellation measurement results [48]

隨后，該小組的Matthew T. Simons 對原子混頻器的實驗裝置進行改進[49]，提高了原子混頻傳感器探頭的緊湊性，改進后的探頭實物如圖7 所示. 原子氣室被鑲嵌在一個金屬平行板波導中，綠色的耦合光穿過原子氣室，LO 微波場由同軸輸入端饋入. 該平行板波導具備三個功能：1)作為輻射器為原子氣室提供本振微波場；2)對信號微波場進行聚焦，提高接收機靈敏度；3)起到極化鑒別作用，提高接收信號極化純度.

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、基于原子混頻器的測相接收機所具備的通信能力在實驗上已得到驗證，原子通信接收機與經典通信接收機的性能對比列于表1.

表1 原子通信接收機與經典通信接收機的性能對比Tab. 1 Performance comparison of atomic communication receivers and classical communication receivers

3 基于里德堡原子的脈沖測量技術

在通信系統中，常用的信號體制是連續波信號，基于里德堡原子的AM/FM 接收機及基于原子混頻器的測相接收機對連續波信號的測量能力已得到充分驗證. 2019 年，里德堡科技公司David A. Anderson團隊公開了基于里德堡原子的脈沖測量研究成果[30]，實現了對脈沖信號的時域波形成像，實驗使用的里德堡場測量系統實物如圖8 所示. 在實驗過程中，通過快速掃描耦合光頻率并同時記錄EIT-AT 譜獲得脈沖信號時域波形，獲得對載波頻率為2.5 GHz、重復頻率為1 kHz，從左到右脈沖寬度分別為10 μs、100 μs、200 μs 脈沖信號的清晰時域成像結果，如圖9(a)所示. 更進一步地，對脈沖寬度為200 μs 的正弦AM 脈沖信號也能獲得時域波形圖像，測量結果如圖9(b)所示.

圖8 里德堡場測量系統[30]Fig. 8 Rydberg field measurement system[30]

圖9 時域波形成像結果[30]Fig. 9 Time-domain imaging results [30]

4 總結與展望

2019 年，Anderson 對脈沖寬度的最小可測量值進行探索，完成了對載波頻率為36.2 GHz、脈沖寬度為1 μs 的脈沖信號的時域成像[31]，指出時間分辨率主要受限于光電探測器的響應時間. 此外，Anderson首次觀測了里德堡原子對耦合光脈沖開始和結束時的瞬態響應，設定耦合光脈沖寬度5 μs，耦合光于11.7 μs 開啟，16.7 μs 關閉，測量結果顯示EIT 譜讀出的瞬態響應時間分辨率在亞十納秒水平，如圖10 所示，不存在微波場，無耦合光時的探測光吸收背景在0.236 的水平，由白到黑表示透射探測光相對增加.

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

相比于經典無線電技術，基于里德堡原子的無線電技術利用量子干涉效應(EIT 和AT 分裂)實現了對微波場的測量與接收，已經展現出其獨特的優點：1)不需要經典的解調裝置，通過光學檢測的方式直接測量原子對調制信號的響應，具備實時、直接記錄基帶信號的能力；2)不需要經典的射頻電路，基于全光學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cm 量級甚至mm 量級尺寸的原子傳感器即可接收從DC 到THz的信號[22,50-51]；3)單個原子傳感器具備多頻段(多通道)同步接收能力；4)具備大動態范圍(目前已超過120 dB)接收能力[52-53]；5)高靈敏度測量能力為雷達遠距離探測、高速率高可靠性通信等應用提供了可能性. 這些顯著的優點使基于里德堡原子的無線電技術成為研究熱點.

基于里德堡原子的無線電技術具有前沿性、變革性和探索性，對于工作帶寬、靈敏度等性能參數，具有理論上的突破性和顛覆性. 原子無線電技術目前正處于初期發展階段，尤其是在通信、雷達等電子信息系統應用上才剛剛起步，距離達到替代現有系統的技術水平仍有差距. 而且，電子信息系統的設計要求反過來會給原子無線電技術帶來諸多新的問題和挑戰，亟需進一步探索或深入研究的方面包括原子傳感器的空間響應特性、原子接收機的瞬時帶寬、原子傳感器與經典微波器件的結合等. 此外，現有的原子接收機大部分都安裝于光學平臺上，其機動性和實用性大打折扣，光纖耦合一體化原子氣室[54]的出現和低成本、小型化激光器的發展[55]為原子接收機的緊湊化和可攜帶性提供了有效的技術手段，增大了原子傳感器商業化應用的可能性. 因此，基于里德堡原子的無線電技術也將給通信、雷達、電磁頻譜監測等經典無線電應用領域帶來新的發展機遇.