CN110061782A - 基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统及其方法，该系统包括铯泡、微波源、信号发生器、信号调制器、光纤、光电探测器和信号放大器，微波源产生微波，信号发生器产生基带信号，信号调制器用于将基带信号调制到微波上，生成已调制微波；铯泡将已调制微波转化为已调制光波；光电探测器用于接收已调制光波；信号放大器用于对光电探测器所输出的电信号进行放大。本发明的光载无线通信系统利用里德堡原子六波混频过程中微波和光波的相干转换，把基带信号对微波的幅值调制转化为对光波的幅值调制，通过光纤对已调制光波进行传输，最终通过光电探测器接收已调制光波，无需解调，直接获得基带信号，从而实现了光载无线通信技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种光载无线通信系统及其通信方法，尤其是一种基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统及基于里德堡原子六波混频的光载无线通信方法。
背景技术
传统光载无线通信系统将基带信号调制至射频载波上，再利用电光晶体实现射频信号对光波的调制，从而间接地实现基带信号对光波的调制，通过光纤传输已调制光波，最后对已调制光波进行解调来获得基带信号。2012年，美国Oklahoma大学的Shaffer研究组与德国Stuttgart大学的Pfau研究组合作首次利用热里德堡原子EIT和AT分裂，将微波电场强度的测量转化为光学频率测量，实验上实现了微波电场测量，测到的最小电场强度为8μVcm-1，灵敏度为30μVcm-1Hz-1/2。2018年新西兰Otago大学的Deb研究组利用热原子EIT-AT分裂现象进行了光载无线通信的演示实验，其信道带宽约为1MHz。同年，新加坡国立大学的李文辉研究组首次通过里德堡原子的六波混频过程实现了从微波到光波的相干转换，转换带宽约6MHz，且转换过程不受强度限制，原理上可工作在微波单光子的水平。
目前，实验测量和理论分析表明，传统光载无线通信系统需要复杂的电路连接和滤波放大阶段，并且热噪声较大。而基于热原子EIT-AT分裂现象的光载无线通信系统的信道容量受激光功率、激光线宽、渡越展宽、散粒噪声、原子数密度以及里德堡原子退相干等因素限制；并且该通信只能通过幅值调制进行，无法通过相位调制进行信息的传输。
发明内容
为了解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种结构简单、灵敏度高、带宽大、可行性强且易于实用化的基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统及基于里德堡原子六波混频的光载无线通信方法。
本发明提供了一种基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，包括铯泡、微波源、信号发生器、信号调制器、光纤、光电探测器和信号放大器，其中：
微波源产生微波；
信号发生器产生基带信号；
信号调制器，用于将基带信号调制到微波上，生成已调制微波；
铯泡将已调制微波转化为已调制光波；
光电探测器，用于接收已调制光波；
信号放大器，用于对光电探测器所输出的电信号进行放大。
铯泡提供室温饱和蒸汽压下的铯原子气体，铯原子气体用于发生里德堡六波混频过程中，将已调制微波转化为已调制光波。
铯泡为里面装有铯原子气体的石英玻璃泡。
该系统还包括喇叭，喇叭将已调制微波发射至铯泡内。
该系统还包括光纤，该光纤用于传输已调制光波，该光纤的进光端朝向铯泡设置，该光纤的出光端朝向光电探测器设置。
信号调制器包括乘法电路，通过乘法电路进行基带信号和微波在时域的相乘运算。
该光纤为多模光纤。
该信号放大器包括放大电路。
本发明还提供了一种基于里德堡原子六波混频的光载无线通信方法，包括以下步骤：
1)利用信号调制器把基带信号调制至微波上，产生已调制微波；
2)该已调制微波被发射至铯泡内的原子气体，通过里德堡原子六波混频过程，将该已调制微波转换为已调制光波；
3)已调制光波被传输至光电探测器；
4)光电探测器接收已调制光波，然后利用信号放大器对信号进行放大，从而恢复基带信号。
其中，步骤2)中里德堡原子六波混频过程包括：当探测光、耦合光、驱动光、辅助微波场均入射至铯泡内铯原子时，已调制微波被入射至铯泡，铯泡内铯原子会产生一束转换光，从而实现了已调制微波向已调制光波的转换。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的光载无线通信系统和方法，其通信方法结合了里德堡原子六波混频过程，信道频段为1GHz-1THz，信道带宽约为6MHz。由香农公式可知当带宽越大，信噪比越高时，信道容量越大。因而采用基于里德堡原子六波混频过程的接收天线大大提高了无线信道的信道容量，且可用于多路复用技术，进行多路、快速的并行通信。
2、本发明的光载无线通信系统和方法，相对于采用电光调制来实现基带信号对光波的调制技术而言，其基于里德堡原子六波混频过程来进行已调制微波向已调制光波的转换，减少了不必要的电路和金属材料，使接收端的结构大为简化的同时也极大限度的避免了热噪声。
3、本发明的光载无线通信系统和方法，既可利用幅值调制也可利用相位调制来进行基带信号的传输，且接收灵敏度原则上可接近微波单光子水平。
4、本发明的光载无线通信系统和方法，其将自由空间传播与导频传播相结合，避免高频载波被衰减和反射，传输距离远远大于现有通信技术。
5、本发明的光载无线通信系统和方法，其使用光纤进行信息的传输，避免外部辐射源对信号的干扰，因而具有很好的电隔离；此外光纤损耗为0.3dB/km，传输损耗低，在数百公里范围内无需放大，具有广阔的应用前景和科研价值。
附图说明
图1为本发明基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统结构示意图。
图2为本发明基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统能级结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，包括铯泡6、微波源1、信号发生器2、信号调制器3、喇叭4、光纤8、光电探测器9和信号放大器10。其中微波源1，用于产生微波；
信号发生器2，用于产生基带信号，即所需进行传输的模拟信号或数字信号；
信号调制器3，用于将基带信号调制到微波上；
喇叭4，用于将已调制微波35发射至铯泡6内的铯原子气体；
铯泡6，里面装有铯原子气体的石英玻璃泡，用于提供室温饱和蒸汽压下的铯原子气体，该铯原子气体用于发生六波混频过程，使已调制微波35转化为已调制光波37；
光纤8为多模光纤，用于传输已调制光波37，光纤8的进光端朝向铯泡6设置，光纤8的出光端朝向光电探测器9设置。
光电探测器9，用于接收光纤8所传输的已调制光波37；
信号放大器10，用于对光电探测器9所输出的电信号进行放大；
进行通信时，利用信号调制器3将基带信号调制至微波，铯泡6内原子发生六波混频过程将已调制微波35转化为已调制光波37，通过光纤8传输已调制光波37，在光纤8的出光端使用光电探测器9将光信号转化为电信号，再经过信号放大器10对所得电信号进行放大即可直接恢复基带信号，最后完成通信。
信号调制器3主要由乘法电路构成，通过乘法电路进行基带信号和微波信号在时域的相乘运算，使微波信号的幅值随基带信号的变化而变化，从而完成基带信号对微波信号的调制，获得已调制微波35。
如图2所示为里德堡原子六波混频过程将已调制微波35转化为已调制光波37的能级结构图。在原子天线的能级中，序号12(6S1/2,F＝4)为铯原子的基态，序号13(6P3/2,F＝4)和序号17(6P3/2,F＝5)分别为铯原子的两个中间激发态，序号14(25D5/2)、序号15(25P3/2)和序号16(25D3/2)分别为铯原子的三个里德堡态，通过选择相干场的拉比频率和失谐量使得已调制微波35在光学跃迁6P3/2→6S1/2上产生相干，从而实现共振六波混频环路，将已调制微波35转换为可见光7；序号18为波长852nm的驱动光，序号19、序号21分别为波长510nm的耦合光和辅助光，它们的作用是将原子的基态与里德堡态耦合，当已调制微波35照射到原子系综时，施加辅助微波场20和辅助光在原子介质构成混频过程，将已调制微波35相干转换为已调制光波37；上述S、P和D表示轨道角动量量子数分别为0、1、2的原子能级。
信号放大器10包括放大电路，即为以晶体管放大电路为基础的集成放大器。
基于上述实施例的通信系统，本发明还提供了一种基于里德堡原子六波混频的光载无线通信方法，包括以下步骤：
1)利用信号调制器3把基带信号调制至微波上，产生已调制微波35；
2)已调制微波35被发射至铯泡6内的原子气体，通过里德堡原子六波混频过程，将已调制微波35转换为已调制光波37；
3)已调制光波37被传输至光电探测器9；
4)光电探测器9接收已调制光波37，然后利用信号放大器10对信号进行放大，从而恢复基带信号。
其中，上述步骤2)中的里德堡原子六波混频过程包括：当探测光、耦合光、驱动光、辅助微波场均入射至铯泡6内铯原子时，已调制微波35被入射至铯泡6，铯泡6内铯原子会产生一束转换光，从而实现了已调制微波35向已调制光波37的转换。
综上所述，本发明的光载无线通信系统及方法，结合了里德堡原子六波混频过程，极大限度地避免了热噪声，且可用于多路复用技术，进行多路、快速的通信；同时使用光纤将自由空间传播与导频传播相结合，既可避免外部辐射源对信号的干扰，也可避免高频载波被衰减和反射。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，如铯原子还可以为铷原子，模拟信号调制还可以为数字信号调制，幅值调制还可以采用相位调制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (10)
1.基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，其特征在于：所述系统包括铯泡、微波源、信号发生器、信号调制器、光纤、光电探测器和信号放大器，其中：
所述微波源产生微波；所述信号发生器产生基带信号，所述信号调制器，用于将基带信号调制到微波上，生成已调制微波；所述铯泡将已调制微波转化为已调制光波；
所述光电探测器，用于接收所述已调制光波；所述信号放大器，用于对所述光电探测器所输出的电信号进行放大。
2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，其特征在于：所述铯泡提供室温饱和蒸汽压下的铯原子气体，所述铯原子气体用于发生里德堡六波混频过程中，将已调制微波转化为已调制光波。
3.根据权利要求1或2所述的基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，其特征在于：所述系统还包括喇叭，所述喇叭将已调制微波发射至铯泡内。
4.根据权利要求1或2所述的基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，其特征在于：所述系统还包括光纤，所述光纤用于传输所述已调制光波，所述光纤的进光端朝向所述铯泡设置，所述光纤的出光端朝向所述光电探测器设置。
5.根据权利要求4所述的基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，其特征在于：所述光纤为多模光纤。
6.根据权利要求1或2所述的基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，其特征在于：所述铯泡为里面装有铯原子气体的石英玻璃泡。
7.根据权利要求1或2所述的基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，其特征在于：所述信号调制器包括乘法电路，通过所述乘法电路进行所述基带信号和所述微波在时域的相乘运算。
8.根据权利要求1或2所述的基于里德堡原子六波混频的光载无线通信系统，其特征在于：所述信号放大器包括放大电路。
9.一种基于里德堡原子六波混频的光载无线通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)利用信号调制器把基带信号调制至微波上，产生已调制微波；
2)所述已调制微波被发射至铯泡内的原子气体，通过里德堡原子六波混频过程，
将所述已调制微波转换为已调制光波；
3)所述已调制光波被传输至光电探测器；
4)所述光电探测器接收所述已调制光波，并利用信号放大器对信号进行放大，从而恢复所述基带信号。
10.根据权利要求9所述的基于里德堡原子六波混频的光载无线通信方法，其特征在于：所述步骤2)中所述里德堡原子六波混频过程，包括：当探测光、耦合光、驱动光、辅助微波场均入射至所述铯泡内，所述已调制微波被入射至所述铯泡，所述铯泡内铯原子产生一束转换光，从而实现所述已调制微波向所述已调制光波的转换。
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