基于里德堡原子的无线电技术

付云起 林沂 武博 安强 刘燚

（国防科技大学电子科学学院, 长沙 410073）

引 言

自19 世纪中叶麦克斯韦建立电磁场理论以来，无线电技术得到了快速发展，应用领域也极速扩展.首先是意大利的马可尼、俄国的波波夫等科学家通过制作无线电发射机、接收机，成功演示了无线电通信功能. 随后，采用无线电技术实现目标探测及空间位置测量的雷达在第二次世界大战中大放异彩. 如今，通信、雷达作为无线电技术的典型应用，在载人航天、卫星遥感、医学成像、无线网络、物联网等领域得到了蓬勃发展，无线电技术已经成为人类社会不可分割的一部分[1-2].

随着现代社会对无线电应用需求的快速提升，经典无线电技术正面临着诸多挑战，例如：1)无线电终端设备越来越小，而天线的发展不服从摩尔定律，其尺寸严格受限于Chu 极限[1-3]，频率越低要求天线尺寸越大，对于频率1 MHz 经典天线尺寸必须达到米量级；2)电场计量需要高灵敏度、高精度的传感器/接收机，但是，基于金属天线探头的电场计量装置灵敏度难以突破μV/cm 量级，金属对待测场的扰动也使得计量精度难以提高，同时，此类探头需要提前校准以获得精确测量值[4]；3)高速率高容量无线通信、高分辨率高精度雷达需要更多的频率资源以及更大的工作频带，现有的解决方案通常是采用多频段拼接实现宽频带工作，文献[5]为了覆盖0.8～18 GHz频段，采用16 个子频率通道，整机系统复杂度随着频带扩展而急剧增高[6]. 为应对上述挑战，科学家们提出许多新材料、新技术以推动经典无线电技术的发展，包括低频小型化的机械天线[7-9]、电光晶体传感器[10-11]、超导接收机[12-13]等.

近年来，量子信息技术飞速发展，科学家利用电子、光子、声子等量子体系已经实现了对时间、重力、磁场、加速度等物理量的精密测量[14-17]. 特别地，针对无线电微波场的幅度、相位、极化等参数的测量，基于里德堡原子电磁传感器(也称“原子传感器”)的光谱测量方法取得了极大的研究进展[18-21].里德堡原子是一种处于高能态的原子，拥有较大的跃迁偶极矩，能敏感地响应从DC 到THz 的电场信号[22]，利用电磁感应透明(electromagnetic induced transparency, EIT)[23-24]和Autler Townes(AT)分裂[25-26]可实现对微波场参数的光学测量，具备自校准并直接追溯到国际单位制的测量能力.

原子传感器的基本原理是里德堡原子相邻能级与对应频率的微波场产生相干耦合，在微波场的作用下，里德堡原子产生能级分裂，在EIT 透射光谱上表现为AT 分裂的两个透射峰，分裂频率宽度Δf与耦合微波场的拉比频率 Ω成正比. 对分裂频率宽度Δf进行测量后，微波电场强度|E|的计算表达式为[19]

自2017 年以来，科学家们研制了多种基于里德堡原子的无线电接收机(也称“原子接收机”)[27-29]，验证了对经典通信调制信号的解调能力，原子接收机对脉冲信号的实时测量也得到了实验验证[30-31]，这些研究成果共同推动了新术语“原子无线电”的诞生[32-33]. 文献[34-36]综述了基于原子体系的微波场测量技术，但是，针对里德堡原子在无线电技术方面的研究工作未见综述梳理. 本文主要从基于里德堡原子的AM/FM 接收机、基于原子混频器的测相接收机、基于里德堡原子的脉冲测量技术几个方面介绍了基于里德堡原子的无线电技术最新研究进展.

1 基于里德堡原子的AM/FM 接收机

在无线电通信系统中，幅度调制(amplitude modulation, AM)和频率调制(frequency modulation, FM)作为经典的通信信号调制方式，具有原理简单、易于实现的特点，在无线对讲、无线广播等领域得到广泛应用.

2018 年，美国里德堡科技公司的David A. Anderson 提出了一种基于里德堡原子的AM/FM 接收机[37]，实验装置如图1(a)所示. 原子接收机采用一个20 mm长的铯(Cs)原子气室作为传感器取代传统天线，探测光和耦合光相向传输，探测光的透射信号采用光电探测器进行接收. 在没有微波场作用时EIT 谱的透射峰明显，如图1(c)、(d)的黑线所示；(c)中蓝色为未调制的37.406 5 GHz 载波，红色为AM 基带频率1 kHz、调制深度±25%；(d)中蓝色为未调制的29.458 GHz 载波，红色为FM 基带频率1 kHz、调制偏移±30 MHz. 当有未调制的微波场作用时，EIT 透射峰发生了AT 分裂得到EIT-AT 谱，如蓝线所示；当有AM/FM 微波场作用时，EIT-AT 谱被调制，如红线所示.

图1 基于里德堡原子的AM/FM 接收机及测试结果[37]Fig. 1 A Rydberg atom-based communication receiver for AM and FM radio [37]

原子接收机对AM 信号和FM 信号具有不同的EIT-AT 谱特征[38-39]，基于里德堡原子的AM/FM 接收机对AM/FM 信号的检测实质上是对EIT-AT 谱信号的采集. 对于AM 信号，EIT-AT 谱为对称分布，且随着电场幅度增大，EIT-AT 谱两个峰分离间距越大；对于FM 信号，EIT-AT 谱为非对称分布，且随着频率偏移增大，EIT-AT 谱两个峰分离间距越大. 基于上述特征的AM/FM 信号检测方案如图2 所示[39]，当微波信号较弱、EIT 谱未出现明显分裂时，可锁定探测光(或者耦合光)波长Δλ=0，在EIT 谱的中心位置进行AM 检测，如图2(a)所示；当微波信号较强、EITAT 谱两个峰明显时，可锁定探测光波长Δλ=0 在EIT-AT 谱的中心位置进行AM 检测，也可以锁定探测光波长Δλ≠0 在EIT-AT 谱的其中一个边峰上进行AM 检测，如图2(b)所示. 对于FM 信号的检测也是类似的原理，当频率偏移较小、EIT 谱未出现明显分裂时，可锁定探测光波长Δλ=0，在EIT 谱的中心位置进行FM 检测，如图2(c)所示；当频率偏移较大、EIT-AT 谱两个峰明显时，可锁定探测光波长Δλ=0在EIT-AT 谱的中心位置进行FM 检测，也可以锁定探测光波长Δλ≠0 在EIT-AT 谱的其中一个边峰上进行FM 检测，如图2(d)所示.

图2 AM/FM 调制信号的检测方案[38]Fig. 2 Detection scheme for an AM/FM modulated signal [38]

通过实时读取光电探测器的输出信号，可获得类似经典通信系统中解调后的时域信号波形，图3所示为接收的FM 和AM 调制信号的人声样本音频波形，该接收机可实现的基带频率带宽不小于100 kHz. 此外，得益于原子里德堡态跃迁能级的丰富性，该原子接收机的工作频率可从C 波段(4.5 GHz)快速切换至Q 波段(29.548 GHz 及37.406 5 GHz). 同年，美国马里兰大学的David H. Meyer 进一步通过采用锁相放大器对光电探测器的接收信号进行正交解调，获得了接近散粒噪声极限的8.2 Mbit/s 信道容量(载波频率17 GHz)[40].

图3 接收的FM 和AM 调制信号的人声样本的音频波形[37]Fig. 3 Audio waveforms of human vocals recorded from received FM and AM modulated signal [37]

2019 年，美国国家标准与技术研究院的Holloway首次公开了一种基于里德堡原子的AM/FM 多频段接收机[39,41]，实验装置如图4 所示，原子接收机包含一个由铷(Rb)和铯(Cs)双原子蒸汽填充的玻璃气室，铷原子和铯原子分别响应载波频率为20.644 GHz、19.626 GHz 的通信信号，波长780.24 nm 的探测光和相向传输波长为480.271 nm 的耦合光用于调控铷原子的里德堡态(5S1/2→5P3/2→47D5/2)，波长850.53 nm的探测光和相向传输的波长为511.148 nm的耦合光用于调控铯原子的里德堡态(6S1/2→6P3/2→34D5/2). 在实验场景中，一首乐曲被分为乐器部分(左声道)和人声部分(右声道)，两个声道的信息被分别调制于频率为20.644 GHz、19.626 GHz 的载波上，调制方式可任意选用AM 或FM，通过两个喇叭天线将已调制好的微波信号照射于原子气室，使用两个光电探测器分别采集穿过铷原子和铯原子的探测光参数，获得了乐器部分和人声部分的时域波形记录，重现了时长为76.7 s 的乐曲立体声播放. 此外，Holloway 团队在实验室工作时，通过流媒体播放网络电台和听音乐，展示了该接收机的长期稳定性；且该接收机表现出类似噪声过滤器的特性，接收到的信号不会因噪声水平的提高而明显失真，即使信噪比低至-22 dB时，仍然能播放高质量的音频.

图4 基于里德堡原子的AM/FM 多频段接收机[39]Fig. 4 A Rydberg atom-based multi-band communication receiver for AM/FM radio [39]

国内学者也在积极开展基于里德堡原子的AM/FM接收机的研究，例如，中国计量科学研究院的宋振飞团队针对特定误码率要求情况下的有效工作带宽进行分析[42]，在实验室验证了在要求通信速率为500 kbps、误码率为0 时，接收机有效工作频率范围为10.21～10.23 GHz；当工作频率范围调整为10.22 GHz±150 MHz 时，误码率提高至15%.

2 基于原子混频器的测相接收机

基于里德堡原子的AM/FM 接收机对AM/FM 信号的检测本质上是对EIT-AT 谱信号幅度的采集，此类接收机只能获取微波场的幅度信息，难以获得微波场的相位信息[43]. 然而，在很多无线电应用中，获取微波场的相位信息是至关重要的. 例如，在现代数字 通信系统中，相移键控(phase shift keying, PSK)、正交幅相调制(quadrature amplitude modulation, QAM)等高速率调制方式需要获取入射场的相位信息[44]；此外，在合成孔径雷达、多输入多输出雷达系统中，必须获取回波信号的空间相位信息才能进行目标成像[45-46]. 基于里德堡原子的混频接收机(也称为“原子混频器”)的诞生为微波场相位测量提供了可靠的实现手段[43,47].

在基于里德堡原子的AM/FM 接收机中，照射原子气室的只有一个待接收的信号微波场；而在原子混频器中，照射原子气室的有两个微波场，分别为已知参数的本振微波场和待接收的信号微波场，图5所示为原子混频器的系统框图[32]. 在LO 微波场和信号(signal, SIG)微波场同时照射原子气室的情况下，里德堡原子起到空间混频器的作用，此时的EITAT 谱将被混频产生的中频信号所调制. 假设本振微波场E1、 信号微波场E2分别表示为2019 年，美国国家标准与技术研究院Holloway小组首次采用基于原子混频器的测相接收机进行通信实验[48]，实现了对5 种调制信号(BPSK、QPSK、16QAM、32QAM、64QAM)的解调接收，图6 所示为接收信号星座图测试结果. 实验结果表明在载波频率19.626 GHz、中频信号带宽1 MHz、码元速率100 kSym/s 的条件下，接收的PSK/QAM 调制信号的误差矢量幅度(error vector magnitude, EVM)小于3%，基于原子混频器的测相接收机对于高速率调制方式的适用性得以验证.

图5 原子混频器系统框图[32]Fig. 5 Diagram of Rydberg atom-based mixer [32]

图6 星座图测试结果[48]Fig. 6 Constellation measurement results [48]

随后，该小组的Matthew T. Simons 对原子混频器的实验装置进行改进[49]，提高了原子混频传感器探头的紧凑性，改进后的探头实物如图7 所示. 原子气室被镶嵌在一个金属平行板波导中，绿色的耦合光穿过原子气室，LO 微波场由同轴输入端馈入. 该平行板波导具备三个功能：1)作为辐射器为原子气室提供本振微波场；2)对信号微波场进行聚焦，提高接收机灵敏度；3)起到极化鉴别作用，提高接收信号极化纯度.

图7 原子传感器探头[49]Fig. 7 Atomic sensor head [49]

基于里德堡原子的AM/FM 接收机、基于原子混频器的测相接收机所具备的通信能力在实验上已得到验证，原子通信接收机与经典通信接收机的性能对比列于表1.

表1 原子通信接收机与经典通信接收机的性能对比Tab. 1 Performance comparison of atomic communication receivers and classical communication receivers

3 基于里德堡原子的脉冲测量技术

在通信系统中，常用的信号体制是连续波信号，基于里德堡原子的AM/FM 接收机及基于原子混频器的测相接收机对连续波信号的测量能力已得到充分验证. 2019 年，里德堡科技公司David A. Anderson团队公开了基于里德堡原子的脉冲测量研究成果[30]，实现了对脉冲信号的时域波形成像，实验使用的里德堡场测量系统实物如图8 所示. 在实验过程中，通过快速扫描耦合光频率并同时记录EIT-AT 谱获得脉冲信号时域波形，获得对载波频率为2.5 GHz、重复频率为1 kHz，从左到右脉冲宽度分别为10 μs、100 μs、200 μs 脉冲信号的清晰时域成像结果，如图9(a)所示. 更进一步地，对脉冲宽度为200 μs 的正弦AM 脉冲信号也能获得时域波形图像，测量结果如图9(b)所示.

图8 里德堡场测量系统[30]Fig. 8 Rydberg field measurement system[30]

图9 时域波形成像结果[30]Fig. 9 Time-domain imaging results [30]

4 总结与展望

2019 年，Anderson 对脉冲宽度的最小可测量值进行探索，完成了对载波频率为36.2 GHz、脉冲宽度为1 μs 的脉冲信号的时域成像[31]，指出时间分辨率主要受限于光电探测器的响应时间. 此外，Anderson首次观测了里德堡原子对耦合光脉冲开始和结束时的瞬态响应，设定耦合光脉冲宽度5 μs，耦合光于11.7 μs 开启，16.7 μs 关闭，测量结果显示EIT 谱读出的瞬态响应时间分辨率在亚十纳秒水平，如图10 所示，不存在微波场，无耦合光时的探测光吸收背景在0.236 的水平，由白到黑表示透射探测光相对增加.

图10 耦合光脉冲作用时的EIT 谱 [31]Fig. 10 EIT spectrum with coupler laser pulse [31]

相比于经典无线电技术，基于里德堡原子的无线电技术利用量子干涉效应(EIT 和AT 分裂)实现了对微波场的测量与接收，已经展现出其独特的优点：1)不需要经典的解调装置，通过光学检测的方式直接测量原子对调制信号的响应，具备实时、直接记录基带信号的能力；2)不需要经典的射频电路，基于全光学的射频传感器具备抗电磁干扰的能力；3)原子传感器尺寸不受chu 极限约束，一个cm 量级甚至mm 量级尺寸的原子传感器即可接收从DC 到THz的信号[22,50-51]；3)单个原子传感器具备多频段(多通道)同步接收能力；4)具备大动态范围(目前已超过120 dB)接收能力[52-53]；5)高灵敏度测量能力为雷达远距离探测、高速率高可靠性通信等应用提供了可能性. 这些显著的优点使基于里德堡原子的无线电技术成为研究热点.

基于里德堡原子的无线电技术具有前沿性、变革性和探索性，对于工作带宽、灵敏度等性能参数，具有理论上的突破性和颠覆性. 原子无线电技术目前正处于初期发展阶段，尤其是在通信、雷达等电子信息系统应用上才刚刚起步，距离达到替代现有系统的技术水平仍有差距. 而且，电子信息系统的设计要求反过来会给原子无线电技术带来诸多新的问题和挑战，亟需进一步探索或深入研究的方面包括原子传感器的空间响应特性、原子接收机的瞬时带宽、原子传感器与经典微波器件的结合等. 此外，现有的原子接收机大部分都安装于光学平台上，其机动性和实用性大打折扣，光纤耦合一体化原子气室[54]的出现和低成本、小型化激光器的发展[55]为原子接收机的紧凑化和可携带性提供了有效的技术手段，增大了原子传感器商业化应用的可能性. 因此，基于里德堡原子的无线电技术也将给通信、雷达、电磁频谱监测等经典无线电应用领域带来新的发展机遇.