CN113848385A - 宽带射频频谱实时监测器 - Google Patents

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CN113848385A CN202110723083.7A CN202110723083A CN113848385A CN 113848385 A CN113848385 A CN 113848385A CN 202110723083 A CN202110723083 A CN 202110723083A CN 113848385 A CN113848385 A CN 113848385A
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卡尔·D·纳尔逊
尼尔·黑尔德里希·索尔迈耶
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Abstract

本发明公开了一种传感器系统，该传感器系统包括发射处于第一波长的泵浦光束和处于第二波长的探测光束的激光源；和用于接收该泵浦光束和该探测光束的光学装置。该光学装置可操作以产生多个光束，每个光束具有与该泵浦光束和该探测光束不同的频率。一个或多个单元接收来自该光学装置的该光束，并且允许该光束穿过其中，其中该单元包含碱原子。二向色滤光器被配置为接收来自该单元的该光束。二向色滤光器将泵浦光束光和探测光束光与该光束分离。检测器阵列接收来自该二向色滤光器的该探测光束光。检测器阵列包括光传感器的二维阵列，该光传感器的二维阵列映射出对应于穿过该单元的该探测光束光的相应光束的透射。

Description

宽带射频频谱实时监测器
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年6月26日提交的美国临时申请63/044,753的权益和优先权，该临时申请以引用方式并入本文。
背景技术
电子战的核心问题是拦截或检测由不友好的运营商传输的射频(RF)信号。这些运营商可尝试通过传输非常微弱的信号、或通过在频率中四处跳跃、或通过在宽的带宽上发送他们的信号来降低拦截的概率。因此，为了检测这些信号，必须以高灵敏度、动态范围和频率分辨率实时监测宽(大于20GHz)频带的RF频谱。
电子战不仅对隐蔽通信领域而且对导航领域均造成了日益严重的威胁，其中对全球定位系统(GPS)和其他导航信号的干扰和欺骗会威胁到国防资产的移动自由。频谱监测和分析可以是解决GPS信号遭拒和劣化的重要部分。
里德伯(Rydberg)原子对电场的极高灵敏度已引起人们对将它们用作RF场传感器以替换无线电接收器的天线和前端的兴趣。然而，迄今为止，由于伴随的挑战，里德伯静电计的优点尚未赋予其明显的优势。
具体地，越来越多的人对在宽的带宽应用中使用里德伯静电计和使用其功能来解决多个里德伯级感兴趣。如果可以克服频率灵敏度的离散性质，则这些特性将可用于快速频谱扫描和超宽带宽通信。
发明内容
本发明公开了一种传感器系统，该传感器系统包括被配置为发射处于第一波长的泵浦光束和处于第二波长的探测光束的激光源；和用于接收来自激光源的泵浦光束和探测光束的光学装置。该光学装置可操作以产生多个光束，每个光束具有与泵浦光束和探测光束不同的频率。一个或多个单元被配置为接收来自光学装置的光束中的一个或多个光束，并且允许该一个或多个光束穿过其中，该一个或多个单元包含多个碱原子。二向色滤光器被配置为接收来自该一个或多个单元的该一个或多个光束。该二向色滤光器可操作以将泵浦光束光和探测光束光与该一个或多个光束分离。检测器阵列被配置为接收来自二向色滤光器的探测光束光。该检测器阵列包括光传感器的二维阵列，该光传感器的二维阵列可操作以映射出对应于穿过该一个或多个单元的探测光束光的相应光束的透射。
附图说明
通过参考附图的以下描述，本发明的特征对于本领域的技术人员将变得显而易见。应当理解，附图仅示出了典型的实施方案，并且因此不应认为是限制本发明的范围，将通过使用附图以附加特征和细节来描述本发明，其中：
图1A是根据一个实施方案的传感器系统的示意图；
图1B是根据另选的实施方案的传感器系统的示意图；
图2是根据一个实施方案的实现为里德伯频谱分析仪的传感器系统的示意图；
图3是根据一个具体实施的用于快速频谱扫描的传感器系统的示例性实施方案；
图4是根据另一个具体实施的用于快速频谱扫描的传感器系统的示例性实施方案；
图5是根据一个实施方案的具有多个级联频移器的光子芯片的一部分的示意图；
图6A和图6B是分别示出在单个频移器的模型计算中传输功率的稳定性和相位斜坡的线性度的曲线图；以及
图7是方形超宽带宽脉冲频谱的图形表示，其中一组七个里德伯传感器被设计来感测脉冲；以及
图8是根据一个具体实施的感测方法的流程图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，对实施方案进行了充分的描述，以使本领域的技术人员能够实践本发明。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可利用其他实施方案。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
本文描述了宽带射频(RF)频谱实时监测传感器系统。本发明的传感器系统基于当通过适当波长的激光制备时被激发到多种所谓的“里德伯”态的原子。在此多种里德伯态内，可选择并探测各个态，其中原子对RF发射的特定频率敏感。
在一个具体实施中，传感器系统是采用里德伯探测阵列的里德伯频谱分析仪，这些里德伯探测提供监测以连续映射20GHz的RF频谱条带，其中每个里德伯探测被调谐至稍微不同的RF频率。通过施加小电场(例如，小于1V/cm)，单个探测可沿着RF频谱跨越约100MHz。此外，阵列中的许多探测可解决不同的里德伯级。例如，可用约200个探测将RF频率的总感测范围扩展至约20GHz。电极可被制造为封装的一部分以递送高度受控的电场。
在一些实施方案中，制造用于传感器系统的大量平行阵列探测涉及集成光子的使用。例如，下文描述了光子集成泵浦/探测递送阵列。在其他实施方案中，集成光子可用基于光纤的系统替代，如下文进一步所述。
本发明的传感器系统可通过施加电场梯度并沿着电场梯度在空间上区分探测光束来实现每个里德伯级周围100MHz范围的同时读出。
里德伯静电计可被看作“阶梯”型电磁感应透明(EIT)系统，其中EIT被将第四能级耦合到阶梯系统中的第三相干性“破坏”。传统上，向较低能级转变的过程被称为探测，向较高能级转变的过程被称为泵浦。阶梯系统的较高能级是里德伯态，其大的电偶极矩允许在极弱的RF场下建立第三相干性。RF可被调谐至接近另一个附近的里德伯级的谐振。这形成嵌套在第一系统内部的第二EIT样系统，该第二EIT样系统调节探测的吸收，这可用于确定微波场的强度。
在其最简单的形式中，里德伯静电计为振幅调制(AM)RF场传感器。RF的振幅修改探测光束的吸收频率，该吸收频率通常通过测量穿过蒸气室中的蒸气后的光束强度来测量。如果RF场是具有振幅调制的载波频率，则信号由里德伯传感器检测并带到基带，从而替换无线电接收器的天线和外差前端。
在不应用其他技术的情况下，感测RF场必须接近允许的里德伯至里德伯转变的谐振。术语“RF”包括从MHz到THz的频率，但是里德伯传感器也可连续使用低至几kHz或甚至是DC的频率，当感测场不接近谐振时灵敏度会损失。由于在里德伯流形中存在大量的n和L态，因此里德伯传感器在大带宽上在数百个离散频率上具有高灵敏度，而无需多个前端(天线和外差单元)来达到整个范围。
下文结合附图描述了各种实施方案的更多细节。
图1A是根据一个实施方案的传感器系统10的示意图。传感器系统10包括被配置为发射处于第一波长的泵浦光束和处于第二波长的探测光束的激光源12。光子集成电路20(诸如光子芯片)被配置为接收来自激光源10的泵浦光束和探测光束。光子集成电路20包括级联频移器22的阵列，该级联频移器可操作以生成多个基本上平行的光束，每个光束具有与泵浦光束和探测光束不同的频率。在下文中进一步详细描述频移器22。
光学设备30被配置为接收来自光子集成电路20的光束，并且将该光束引导至单元40。在各种实施方案中，光学设备30可为透镜配置、光栅、光学超材料等。
在一个示例性实施方案中，单元40为包含碱原子诸如铷(Rb)或铯(Cs)的蒸气室。单元40被配置为允许光束穿过其中，使得单元40中的原子被激发到多种里德伯能级(例如，主量子数为n，n为30-100)。二向色滤光器50被配置为接收穿过单元40的光束，并且可操作以在检测之前分离泵浦光束光和探测光束光。
检测器阵列60被配置为接收穿过二向色滤光器50的光束。检测器阵列60包括光传感器62的二维阵列，该光传感器的二维阵列被配置为映射出对应于穿过单元40的探测光束光的相应光束的透射。光束数据可作为输出信号从检测器阵列60发送到处理器以用于数据分析和后续显示。
图1B是根据另选的实施方案的传感器系统70的示意图，该传感器系统以与传感器系统10(图1A)类似的方式操作，不同的是光子芯片可用基于光纤的布置替换。因此，传感器系统70包括被配置为发射处于第一波长的泵浦光束和处于第二波长的探测光束的激光源72。可以各种构型捆绑成束的基于光纤的布置80可操作以接收来自激光源72的泵浦光束和探测光束。基于光纤的布置80包括级联光纤阵列82和光纤分路器86，该级联光纤与被配置为提供频移的相应的光纤耦合相位调制器84连接。
类似于上述的光子芯片，基于光纤的布置80可操作以生成多个光束，每个光束具有与泵浦光束和探测光束不同的频率。处于每个频率的光束被引导到连接至相应光纤82的相应测量蒸气室90。二向色滤光器可用于接收穿过每个蒸气室90的光束。二向色滤光器可操作以在检测之前分离泵浦光束光和探测光束光。诸如针对传感器系统10(图1A)所述的检测器阵列可用于接收穿过二向色滤光器的光束。光束数据可作为输出信号从检测器阵列发送到处理器以用于数据分析和后续显示。
使用如图1B所示的基于光纤的传感器系统的优点是光纤耦合相位调制器和系统中使用的其他光学设备的易得性。基于光纤的传感器系统的另一个优点是具有不同的测量蒸气室的能力，该测量蒸气室将不具有由于感测元件对于不同频率的紧密接近而使得完全集成系统可能具有的交叉耦合等的潜在复杂性中的一些潜在复杂性。然而，与集成系统相比，基于光纤的系统可以减少调制器元件的可能数量，并且/或者增加整个设备的尺寸。
里德伯频谱分析仪
图2是根据一个实施方案的实现为里德伯频谱分析仪的传感器系统100的示意图。传感器系统100包括被配置为发射泵浦光束和探测光束的激光源110，和被配置为接收来自激光源110的泵浦/探测光束的光子芯片120。光子芯片120包括可操作以生成多个平行泵浦/探测光束的集成频移器122(δf)的阵列，每个平行泵浦/探测光束具有不同的频率。光子芯片120上的集成频移器122在下文中进一步详细描述。
由光子芯片120生成的平行泵浦/探测光束由光学设备拉长/展宽，并且被引导通过具有一个或多个电场板130的蒸气室，该一个或多个电场板被配置为产生电场梯度132。检测器阵列140(诸如电荷耦合设备(CCD))包括光传感器142的二维阵列，光传感器的二维阵列被配置为映射出拉长/展宽的泵浦/探测光束(例如，f0-nδf，f0，f0+nδf)。处理器150可操作以获取光束数据作为用于数据分析和后续显示(例如，fRFv.时间)的输出信号。
图3示出了根据一个具体实施的用于快速频谱扫描的传感器系统200的示例性实施方案。传感器系统200包括第一激光设备210和第二激光设备214，该第一激光设备被配置为发射处于第一波长(例如，480nm，蓝光)的泵浦光束212，该第二激光设备被配置为发射处于第二波长(例如，780nm，红光)的反向传播探测光束216。平面内泵浦光子芯片220被配置为接收来自第一激光设备210的泵浦光束212。平面内探测光子芯片222被配置为接收来自第二激光设备214的探测光束216。
泵浦光子芯片220包括集成频移器阵列，该集成频移器阵列可操作以生成多个基本上平行的光束，每个基本上平行的光束具有与泵浦光束212不同的频率。光子芯片220可包括分光器/相移器阵列以将光传播到光子芯片220的不同层上。可将调制施加到频移器，以便用RF调制激光束以进行外差测量，并且可将锯齿斜坡218(例如，约4MHz)施加到光子芯片220，以便使泵浦的频率偏移。探测光子芯片222包括分光器阵列以从反向传播探测光束216生成多个基本上平行的光束，但该探测光子芯片不具有频移器。
第一柱面透镜系统224被配置为接收来自泵浦光子芯片220的平行光束，并将每一个光束展宽成相应的平面外光片226。第二柱面透镜系统228被配置为接收来自探测光子芯片222的平行光束，并将这些光束中的每一个光束展宽成相应的平面外光片229。
蒸气室230被配置为分别接收来自柱面透镜系统224和228的光片226和229，并且允许光片226和229穿过其中。一个或多个电场板232耦合到蒸气室230并且被配置为产生平面外的电场(DC)梯度。倾斜的二向色镜阵列234将探测光(光片229)引导朝向检测器阵列240。
检测器阵列240包括光传感器242的二维阵列，该光传感器的二维阵列被配置为映射出来自蒸气室230的光片226和229沿着两个轴的透射。检测器阵列240可为CCD芯片，或具有适当间距的自定义光电二极管阵列。检测器阵列240可被实现为沿着一个维度具有离散的100MHz阶跃(Stark调谐)，并且沿着另一个维度，该100MHz可被分成较小的频率阶跃(光学调谐)。然后将来自检测器阵列240的电输出信号发送到处理器以用于数据分析和显示。
图4是根据另一个具体实施的用于快速频谱扫描的传感器系统300的示例性实施方案。传感器系统300包括激光源310，该激光源被配置为发射处于第一波长(例如，480nm，蓝光)的泵浦光束312和处于第二波长(例如，780nm，红光)的同向传播探测光束314。平面内光子芯片320被配置为接收来自激光源310的泵浦光束312和探测光束314。
光子芯片320包括集成频移器阵列，该集成频移器阵列可操作以生成多个平行光束，每个平行光束具有与泵浦光束312和探测光束314不同的频率。光子芯片320可包括分光器和相移器阵列，以将两种颜色的光共传播到光子芯片220的不同层上，或者在相同宽带波导中同向传播该光。锯齿斜坡318(例如，约4MHz)可应用于光子芯片320。
柱面透镜系统324被配置为接收来自光子芯片320的平行光束，并将每个光束展宽成相应的平面外光片326。蒸气室330被配置为接收来自柱面透镜系统324的光片326，并且允许光片326穿过其中。一个或多个电场板332耦合到蒸气室330并且被配置为产生平面外电场(DC)梯度。二向色滤光器或涂层将泵浦光和探测光分离，使得只有光片326的探测光被传递到检测器阵列340。在一个实施方案中，二向色滤光器或涂层可形成在检测器阵列340的光接收表面上。
检测器阵列340包括光传感器342的二维阵列，该光传感器的二维阵列被配置为映射出来自蒸气池330的光片326沿着两个轴的透射。检测器阵列340可为CCD芯片，或具有适当间距的自定义光电二极管阵列。检测器阵列340可被实现为沿着一个维度具有离散的100MHz阶跃，并且沿着另一个维度，该100MHz可被分成较小的频率阶跃。然后将来自检测器阵列340的电输出信号发送到处理器以用于数据分析和显示。
在根据本方法实现的传感器阵列的一个示例中，蒸气室设置有解决不同的里德伯态的200个泵浦/探测光束，每个泵浦/探测光束间隔100MHz。该传感器阵列可以100MHz粒度跨越20GHz的频谱。场梯度在传感器阵列的维度上提供Stark偏移的100MHz差值。利用200×200阵列的光传感器，在500kHz频带中感测每个100MHz的频谱。
增大的频率分辨率可通过以减小的时间分辨率为代价，略微抖动所施加的DC电场以扫描500kHz跨度来增加。例如，可施加1kHz的抖动，从而允许设备在100μV/cm电平下每500Hz感测1ms，从而在1秒内以500Hz分辨率获得20GHz的带宽信息。
使用光子集成的里德伯应用
光子集成已用于实现环形激光陀螺仪、光检测与测距(LiDAR)和冷原子时钟的基于激光的传感器的小型化。可采用使能技术诸如耦合器、光栅、层内(竖直)耦合器、相控阵列、相移器等来产生大量平行的里德伯传感器。
大规模平行传感器的基本想法是使用蒸气室，其中许多激光束(例如，数百个光束)穿过蒸气室，其中每个光束在泵浦/探测配置中被调谐到特定的里德伯级。光电二极管的二维阵列测量每个探测的吸收率(由于EIT，最初较低)。这些探测中的每一个探测对一组RF频率敏感。
通常，里德伯传感器被布置成无多普勒配置(反向传播泵浦和探测)以获得更高的灵敏度，如图3的示例性实施方案中的那样。在图4的替代方法中，已经确定的是对于灵敏度仅为两倍的缺陷，同向传播配置可用作简化传感器，尤其是简化其对准的方式。
在一个具体实施中，使用光子集成电路中的相移器从一个输入激光器产生激光束阵列。200个铌酸锂(LiNbO3)相移器的阵列的性能模型示出它们可级联以在每个级中产生至多约144MHz的频率偏移。因此，本方法可在光子芯片上的约0.5mm×0.5mm的空间中实现至多约28GHz的可寻址的激光波长。
图5是根据一个实施方案的具有多个频移器410的光子芯片400的一小部分的示意图。频移器410通过多个集成波导412和波导耦合器414呈级联布置。频移器410通过快速调频来自激光源的泵浦光波前420的相位来操作。这通过在一个或多个低Q值光学谐振器中采用电光效应来完成。谐振器用于增强从给定电光系数获得的相移。
将对应于锯齿波形的电压施加在光子芯片400中的组成波导上，并且光学相位的恒定时间导数等于频率的变化。在相位斜坡期间(以恒定频率)进行测量，并在锯齿斜坡的复位时间期间暂停测量。例如，利用4MHz、20Vp-p斜坡驱动相移器，可实现9e8弧度/秒的相位斜坡，对应于144MHz的频率偏移。
光学系统424被配置为接收来自光子芯片400的平行光束426。光学系统424包括准直器和光束成形光学器件，以展宽或以其他方式成形光束426中的每一个光束。蒸气室430被配置为接收来自光学系统424的光束426，并且允许光束426穿过其中，诸如先前所述。
图6A和图6B是分别示出在单个频移器的模型计算中传输功率的稳定性和相位斜坡的线性度的曲线图。图6A示出相对于时间(ns)的传输功率(a.u.)，并且图6B示出相对于时间(ns)的输出相位(弧度)。在操作的第一纳秒期间(图6A)传输功率的不稳定性是光从设备的输入传播到输出所需时间的结果，并且该不稳定性对于性能没有不利影响。对于甚至更大的频率偏移，可使用耦合腔体方法。
“阶梯”EIT配置要求泵浦(蓝色)光束(480nm，在Rb的情况下)被调谐到里德伯级，而探测光束保持基本上接近与中间态的谐振。因此，光子相移器对蓝光进行操作。由于超低损耗波导在蓝光中不像在红光中那样先进，因此假设相对高的损耗系数30dB/m。因此，可预测约60％的光透射穿过200个相移器的阵列。考虑到每个输出的传播损耗，分路器的耦合比被布置成使每个频率上的输出相等。
对于同向传播多普勒配置，可使用具有光子集成相移器、分光器和泵浦(例如，480nm或508nm)光束和探测(例如，780nm或852nm)光束的输出的单个光子芯片，其中检测器传感器阵列位于蒸气室的相对侧上(参见例如图4)。对于反向传播无多普勒配置，单独的芯片可与用于D2探测光束的分路器一起使用(参见例如图3)，并且泵浦输出芯片具有用于传输探测光束的接收器；或者可使用单个芯片，其中在中间具有孔或其他间隙以允许插入蒸气室。
快速频谱搜索
快速频谱搜索用于电子战中以检测RF频谱的宽频带内未知起源的窄频带或频变信号。快速频谱搜索中的最新技术由以下系统表示，其中感兴趣的RF信号由电光调制器写入到光学载体上，并且随后经由低温冷却晶体中的原子样掺杂物中的光学空穴燃烧来检测。这些系统证实了以约1MHz的分辨率带宽获取RF频谱的宽的(大于10GHz)条带的快速(小于1ms)快照的能力，但由于低温要求而不适用于低尺寸、重量和功率(SWaP)的应用。当前的非低温替代方案使用具有大规模平行计算的10Gbit模数(A/D)转换器达到10GHz的频谱，以快速执行所需的信号分析。
本方法以较低尺寸、重量和功率(SWaP)格式提供竞争级的RF情境感知，并且在没有低温要求的情况下，使用大量同时操作的平行里德伯传感器。
本传感器系统可以用于利用里德伯探测阵列连续地映射约20GHz的RF频谱条带，每个里德伯探测被调谐到沿着RF频谱的离散跨度(例如，约100MHz)，并且在该(100MHz)跨度内连续可调谐。每个转变可在施加小于1V/cm电场的情况下通过100MHz连续调谐。
超宽带宽通信
里德伯传感器的特性也符合超宽带宽(UWB)通信的需要。在最简单的形式中，UWB信号是“δ函数”脉冲(在实施过程中通常为约1μs)，其中脉冲的不足使RF能量在宽频谱上扩散。因此，在任何特定频率下都存在非常少的能量。可通过在UWB信号的顶部应用编码方案来建立通信。
已证实使用被布置成测量单个频率的里德伯原子来检测具有1μs持续时间的RF脉冲，其中脉冲形状以10ns分辨率来确定，这表明如果需要，检测甚至更短的脉冲也是可能的。UWB传感器的有益特性对低RF功率具有高灵敏度，并且能够在没有附加设备的情况下同时在短脉冲的整个傅立叶带宽上进行感测。
如本文所述，高度平行的光子集成传感器可很好地用作UWB的传感器。RF载波和里德伯级被选择为使得谐振可用于RF载波及其多个奇次谐波。传感器使用平行光束同时探测这些级中的每一个级。同时在平行阵列的所有部件上感测UWB脉冲。由于里德伯原子的灵敏度，较小信号可用于检测器阵列，并且信噪比(S/N)通过寻找阵列输出中的每一个阵列输出的信号的相关性而进一步增强。对于该应用，可使用具有单个维度的阵列。
图7是方形UWB脉冲频谱的图形表示，其中一组七个里德伯传感器(R1至R7)被设计来感测UWB脉冲。图7示出由里德伯传感器检测到的相对于载波频率的RF信号强度(f-f载波)。
图8是根据一个具体实施的感测方法500的流程图。最初，方法500从至少一个激光源发射至少一个光束(框510)，并且将该至少一个光束加展宽成至少一个光片(框520)。然后，方法500将电场梯度施加到该至少一个光片(框530)，并且在施加电场梯度之后检测该至少一个光片的频率范围(框540)。
方法500可使用先前所述的各种实施方案来实现。例如，可使用光子芯片从该至少一个光束生成多个基本上平行的光束，每个基本上平行的光束具有不同的频率。此外，该至少一个光片可被引导通过具有电场梯度的蒸气室。
示例性实施方案
实施例1包括一种传感器系统，该传感器系统包括：激光源，所述激光源被配置为发射处于第一波长的泵浦光束和处于第二波长的探测光束；光学装置，所述光学装置用于接收来自所述激光源的所述泵浦光束和所述探测光束，所述光学装置可操作以产生多个光束，每个光束具有与所述泵浦光束和所述探测光束不同的频率；一个或多个单元，所述一个或多个单元被配置为接收来自所述光学装置的所述光束中的一个或多个光束并且允许所述一个或多个光束穿过其中，所述一个或多个单元包含多个碱原子；二向色滤光器，所述二向色滤光器被配置为接收来自所述一个或多个单元的所述一个或多个光束，所述二向色滤光器可操作以将泵浦光束光和探测光束光与所述一个或多个光束分离；以及检测器阵列，所述检测器阵列被配置为接收来自所述二向色滤光器的所述探测光束光，所述检测器阵列包括光传感器的二维阵列，所述光传感器的二维阵列可操作以映射出对应于穿过所述一个或多个单元的所述探测光束光的相应光束的透射。
实施例2包括根据实施例1所述的传感器系统，其中：泵浦光束与探测光束同向传播；并且泵浦光束的第一波长产生蓝光并且探测光束的第二波长产生红光。
实施例3包括根据实施例1至2中任一项所述的传感器系统，其中光学装置包括光子集成电路，该光子集成电路被配置为接收泵浦光束和探测光束，该光子集成电路包括操作以生成多个光束的级联频移器阵列，每个光束具有与泵浦光束和探测光束不同的频率。
实施例4包括根据实施例3所述的传感器系统，其中频移器通过多个集成波导和波导耦合器在光子集成电路上呈级联布置。
实施例5包括根据实施例4所述的传感器系统，其中光子集成电路包括分路器和相移器阵列，该分路器和相移器阵列被配置为将泵浦光束和探测光束同向传播到光子集成电路的不同层上，或者在相同宽带波导中同向传播泵浦光束和探测光束。
实施例6包括根据实施例3至5中任一项所述的传感器系统，该传感器系统还包括：被配置为接收来自光子集成电路的光束的光学设备，其中光学设备被配置为将相应光束递送到该一个或多个单元。
实施例7包括根据实施例6所述的传感器系统，其中光学设备包括被配置为将光束展宽成相应光片的柱面透镜系统。
实施例8包括根据实施例1至2中任一项所述的传感器系统，其中该光学装置包括被配置为接收泵浦光束和探测光束的基于光纤的布置，该基于光纤的布置包括与相应的光纤耦合相位调制器连接的级联光纤阵列，该光纤耦合相位调制器可操作以生成该多个光束，每个光束具有与泵浦光束和探测光束不同的频率。
实施例9包括根据实施例1至8中任一项所述的传感器系统，其中该一个或多个单元中的碱原子被光束激发到多种里德伯能级。
实施例10包括根据实施例1至9中任一项所述的传感器系统，其中该一个或多个单元包括一个或多个蒸气室，并且该碱原子包括铷或铯。
实施例11包括根据实施例1至10中任一项所述的传感器系统，该传感器系统还包括：耦合到该一个或多个单元并且被配置为产生电场梯度的一个或多个电场板。
实施例12包括根据实施例1至11中任一项所述的传感器系统，该传感器系统还包括：可操作以从检测器阵列获取输出信号以用于数据分析和后续显示的处理器。
实施例13包括根据实施例1至12中任一项所述的传感器系统，其中该系统被实现为包括里德伯探测阵列的里德伯频谱分析仪。
实施例14包括根据实施例13所述的传感器系统，其中该系统可操作以连续映射约20GHz的射频(RF)频谱的跨度，其中每个里德伯探测被调谐至略微不同的RF频率。
实施例15包括根据实施例14所述的传感器系统，其中每个里德伯探测可操作以沿着RF频谱跨越约100MHz，并且可在100MHz跨度内进一步调谐。
实施例16包括根据实施例1至15中任一项所述的传感器系统，其中该系统可操作用于超宽带宽(UWB)通信或快速频谱扫描。
实施例17包括一种传感器系统，该传感器系统包括：第一激光设备，所述第一激光设备被配置为发射处于第一波长的泵浦光束；第二激光设备，所述第二激光设备被配置为发射处于第二波长的反向传播探测光束；第一光子芯片，所述第一光子芯片被配置为接收来自所述第一激光设备的所述泵浦光束，所述第一光子芯片包括可操作以生成多个基本上平行的泵浦光束的级联频移器阵列，每个基本上平行的泵浦光束具有与所述泵浦光束不同的频率；第二光子芯片，所述第二光子芯片被配置为接收来自所述第二激光设备的所述探测光束，所述第二光子芯片包括可操作以从所述探测光束产生多个基本上平行的探测光束的分路器阵列；第一光学设备，所述第一光学设备被配置为接收来自所述第一光子芯片的所述泵浦光束，其中所述第一光学设备被配置为将所述泵浦光束中的每一个泵浦光束展宽成相应的泵浦光片；第二光学设备，所述第二光学设备被配置为接收来自所述第二光子芯片的所述探测光束，其中所述第二光学设备被配置为将所述探测光束中的每一个探测光束展宽成相应的探测光片；蒸气室，所述蒸气室被配置为接收来自所述第一光学设备的所述泵浦光片和来自所述第二光学设备的所述探测光片，所述蒸气室包含多个碱原子；一个或多个电场板，所述一个或多个电场板耦合到所述蒸气室并且被配置为产生电场梯度；二向色镜阵列，所述二向色镜阵列被配置为反射穿过所述蒸气室的所述探测光片；以及检测器阵列，所述检测器阵列被配置为接收来自所述二向色镜阵列的所述探测光片，所述检测器阵列包括光传感器的二维阵列，所述光传感器的二维阵列可操作以映射出来自所述蒸气室的所述探测光片沿着两个轴的透射。
实施例18包括根据实施例17所述的传感器系统，其中：锯齿斜坡被施加到第一光子芯片；并且检测器阵列被配置为提供沿着一个维度的Stark调谐和沿着另一个维度的光学调谐。
实施例19包括一种方法，该方法包括：从该至少一个激光源发射至少一个光束；将所述至少一个光束展宽成至少一个光片；将电场梯度施加到所述至少一个光片；以及在施加所述电场梯度之后，检测所述至少一个光片的频率范围。
实施例20包括根据实施例19所述的方法，该方法还包括：生成多个基本上平行的光束，每个基本上平行的光束具有与光子芯片中的该至少一个光束不同的频率；以及引导该至少一个光片通过具有电场梯度的蒸气室。
根据上述内容，应当理解，尽管为了举例说明的目的在本文中描述了具体的实施方案，但在不脱离本公开的范围的情况下可作出各种修改。因此，所述实施方案在所有方面将被视为仅是说明性的而非限制性的。此外，在权利要求的等价性的含义和范围内的所有变化都将涵盖在其范围内。

Claims (3)

1.一种传感器系统，包括：
激光源，所述激光源被配置为发射处于第一波长的泵浦光束和处于第二波长的探测光束；
光学装置，所述光学装置用于接收来自所述激光源的所述泵浦光束和所述探测光束，所述光学装置可操作以产生多个光束，每个光束具有与所述泵浦光束和所述探测光束不同的频率；
一个或多个单元，所述一个或多个单元被配置为接收来自所述光学装置的所述光束中的一个或多个光束并且允许所述一个或多个光束穿过其中，所述一个或多个单元包含多个碱原子；
二向色滤光器，所述二向色滤光器被配置为接收来自所述一个或多个单元的所述一个或多个光束，所述二向色滤光器可操作以将泵浦光束光和探测光束光与所述一个或多个光束分离；和
检测器阵列，所述检测器阵列被配置为接收来自所述二向色滤光器的所述探测光束光，所述检测器阵列包括光传感器的二维阵列，所述光传感器的二维阵列可操作以映射出对应于穿过所述一个或多个单元的所述探测光束光的相应光束的透射。
2.一种传感器系统，包括：
第一激光设备，所述第一激光设备被配置为发射处于第一波长的泵浦光束；
第二激光设备，所述第二激光设备被配置为发射处于第二波长的反向传播探测光束；
第一光子芯片，所述第一光子芯片被配置为接收来自所述第一激光设备的所述泵浦光束，所述第一光子芯片包括可操作以生成多个基本上平行的泵浦光束的级联频移器阵列，每个基本上平行的泵浦光束具有与所述泵浦光束不同的频率；
第二光子芯片，所述第二光子芯片被配置为接收来自所述第二激光设备的所述探测光束，所述第二光子芯片包括可操作以从所述探测光束产生多个基本上平行的探测光束的分路器阵列；
第一光学设备，所述第一光学设备被配置为接收来自所述第一光子芯片的所述泵浦光束，其中所述第一光学设备被配置为将所述泵浦光束中的每一个泵浦光束展宽成相应的泵浦光片；
第二光学设备，所述第二光学设备被配置为接收来自所述第二光子芯片的所述探测光束，其中所述第二光学设备被配置为将所述探测光束中的每一个探测光束展宽成相应的探测光片；
蒸气室，所述蒸气室被配置为接收来自所述第一光学设备的所述泵浦光片和来自所述第二光学设备的所述探测光片，所述蒸气室包含多个碱原子；
一个或多个电场板，所述一个或多个电场板耦合到所述蒸气室并且被配置为产生电场梯度；
二向色镜阵列，所述二向色镜阵列被配置为反射穿过所述蒸气室的所述探测光片；和
检测器阵列，所述检测器阵列被配置为接收来自所述二向色镜阵列的所述探测光片，所述检测器阵列包括光传感器的二维阵列，所述光传感器的二维阵列可操作以映射出来自所述蒸气室的所述探测光片沿着两个轴的透射。
3.一种方法，包括：
从至少一个激光源发射至少一个光束；
将所述至少一个光束展宽成至少一个光片；
将电场梯度施加到所述至少一个光片；以及
在施加所述电场梯度之后，检测所述至少一个光片的频率范围。
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