CN114448513B - 基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法，利用激光光场与碱金属能级的互作用制备里德堡态，利用里德堡原子在电磁场作用下产生的能级劈裂、频谱变化和光强变化将无线通信信号复刻至激光载波上，利用非线性波长转换系统和简单的码型变换系统生成光纤通信信号，完成无线通信→光纤通信的全物理接口转换功能。本发明为无线通信信号和光纤通信信号的多物理场互转换提供了有效手段。
Description
技术领域
本发明属于量子精密测量、光纤通信、无线通信的交叉学科，具体是指一种通过里德堡原子接收无线通信信号、通过激光非线性波长转换将信号加载在光纤通信载波上、实现“载波对载波”通信网络物理接口功能的方法，尤其涉及一种基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法。
背景技术
量子精密测量技术发展迅速，可使磁场、电场、重力场等物理量的测量精度突破经典瓶颈并接近海森堡极限。其中，基于里德堡原子的电场测量能够在电磁频谱感知等领域发挥重要作用，主要通过激光光场与碱金属能级的互作用制备里德堡态并通过光谱测量反演里德堡原子在电场作用下的能级劈裂，实现电场测量定标、电磁波频点识别、无线通信信号无差别高灵敏度接收等功能。里德堡原子天线能将电磁场强度直接溯源至国际单位制基本常数，探头尺寸与工作频率无关，能实现从长波到太赫兹全波段覆盖，且精度比传统天线至少高一个数量级。
另一方面，光纤拉远理念已深入贯彻于现代通信网络基础设施建设中，即在局域范围内利用无线通信台站建立无线通信网络、通过固网光缆为无线通信台站之间建立数据传输通道、实现无线通信系统灵活机动优势、光纤通信系统长距高速优势的充分结合。然而，当前无线通信网络和光纤通信网络之间互通互联主要使用信息接口，即通过天线和信号处理系统将无线通信信号中的信息提取出来、再利用光端机等设备将其编译为光纤通信信号进行传输，操作步骤复杂且存在信息泄露出口。
发明内容
基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题：如何利用激光光场泵浦铯原子制备接近激发态的里德堡态，利用里德堡原子在电磁场作用下产生的能级劈裂探测电场强度，将电场强度时变信号转换为频率或光强时变信号，利用非线性波长转换和码型变换等操作生成光端机可识别的光纤通信信号，实现无线通信网络转光纤通信网络的全物理接口。
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法，通过激光光场泵浦碱金属原子，使其处于接近电离的里德堡态，对特定微波波段产生高灵敏度响应，里德堡态在特性微波波段电场作用下产生能级劈裂并以激光光场频移体现；通过里德堡原子天线接收无线通信信号，将编码信息转换调制在激光载波上；通过非线性波长转换将编码信息转换调制在通信波段光学载波上，通过码型变换操作编译标准光纤通信信号，实现无线通信信号向光纤通信信号转换的物理接口。
优选的，上述特定微波波段为无线通信波段。
优选的，上述方法具体包括：
S101、里德堡态的制备，通过激光光场泵浦碱金属原子，使其处于接近电离的里德堡态，对特定微波波段产生高灵敏度响应，里德堡态在特性微波波段电场作用下产生能级劈裂并以激光光场频移体现；
S102、激光信号的加载识别，通过里德堡原子天线接收无线通信信号，将编码信息转换调制在激光载波上；
S103、光纤通信信号的生成，通过非线性波长转换将编码信息转换调制在通信波段光学载波上，通过码型变换操作编译标准光纤通信信号，实现无线通信信号向光纤通信信号转换的物理接口功能。
优选的，上述方法具体包括：
S201、利用852nm和509nm的激光光场泵浦铯原子气室，将铯原子制备到接近激发态的里德堡态，构建里德堡原子天线并通过测量852nm激光光场频移获取无线通信信号强度时变信息，利用光学干涉等手段获取载波波长为852nm、复刻无线通信信号的强度调制光场；
S202、基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应构建非线性波长转换器，将852nm载波携带的强度调制信号复制到另一路1550nm波段载波上；
S203、通过光学放大、光学时延、码型转换、通信波段带内非线性波长转换，使1550nm载波携带的强度调制信号符合光纤通信信号标准要求，输入通信光纤并实现无线通信信号的光纤拉远传输。
优选的，激光器产生波长为852nm和509nm的激光光场，与铯原子能级相互作用制备里德堡态。
优选的，里德堡原子天线接收无线通信信号，无线通信信号对应电磁场强度时变信息被复刻在852nm激光光场上，激光光场频移与无线通信信号强度正相关。
优选的，通过激光泵浦碱金属原子，将其激发至接近电离水平的里德堡态，里德堡原子感受到电磁信号并产生频率漂移，通过干涉测量手段建立输出光强与电磁信号强度的对应关系，实现能够接近海森堡极限的探测精度与灵敏度。
优选的，基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应，在二阶或三阶非线性介质中提供泵浦和输入信号，将输入信号携带的调制信息复制到输出信号，泵浦波长、输入信号波长和输出信号波长之间满足能量守恒定律和相位匹配条件。
一种实现上述的基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法的系统，包括多个激光器以及里德堡原子天线，还包括：
里德堡态制备模块，用于通过激光光场泵浦碱金属原子，使其处于接近电离的里德堡态，对特定微波波段产生高灵敏度响应，里德堡态在特性微波波段电场作用下产生能级劈裂并以激光光场频移体现；
激光信号加载识别模块，用于通过里德堡原子天线接收无线通信信号，将编码信息转换调制在激光载波上；
光纤通信信号生成模块，用于通过非线性波长转换将编码信息转换调制在通信波段光学载波上，通过码型变换操作编译标准光纤通信信号，实现无线通信信号向光纤通信信号转换的物理接口功能。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明利用里德堡原子天线固有的“微波输入-光场输出”特性，为微波和光波波段电磁场互转换提供了有效手段，压缩了传统通信网络接口中微波探测、信息处理、电光转换等步骤。
2、本发明提出的物理接口不受信息处理能力限制，规避了因为信息处理系统过载而导致的通信网络拥塞。
3、本发明所使用的里德堡原子天线是一种尺寸不受工作频率约束的无线通信接收装置，具备替代数十公里级长波天线的潜力，这一特性使得本发明所述物理接口能够覆盖多个无线通信波段，适应多种通信模式并发挥重要作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明基于里德堡原子的通信网络物理接口实现原理示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供了一种基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法的实施例，通过激光光场泵浦碱金属原子，使其处于接近电离的里德堡态，对特定微波波段产生高灵敏度响应，里德堡态在特性微波波段电场作用下产生能级劈裂并以激光光场频移体现；通过里德堡原子天线接收无线通信信号，将编码信息转换调制在激光载波上；通过非线性波长转换将编码信息转换调制在通信波段光学载波上，通过码型变换操作编译标准光纤通信信号，实现无线通信信号向光纤通信信号转换的物理接口。
在一些实施例中，特定微波波段为无线通信波段。
一种基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法实施例，包括：
S101、里德堡态的制备，通过激光光场泵浦碱金属原子，使其处于接近电离的里德堡态，对特定微波波段产生高灵敏度响应，里德堡态在特性微波波段电场作用下产生能级劈裂并以激光光场频移体现；
S102、激光信号的加载识别，通过里德堡原子天线接收无线通信信号，将编码信息转换调制在激光载波上；
S103、光纤通信信号的生成，通过非线性波长转换将编码信息转换调制在通信波段光学载波上，通过码型变换操作编译标准光纤通信信号，实现无线通信信号向光纤通信信号转换的物理接口功能。
一种基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法实施例，包括：
S201、利用852nm和509nm的激光光场泵浦铯原子气室，将铯原子制备到接近激发态的里德堡态，构建里德堡原子天线并通过测量852nm激光光场频移获取无线通信信号强度时变信息，利用光学干涉等手段获取载波波长为852nm、复刻无线通信信号的强度调制光场；
S202、基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应构建非线性波长转换器，将852nm载波携带的强度调制信号复制到另一路1550nm波段载波上；
S203、通过光学放大、光学时延、码型转换、通信波段带内非线性波长转换，使1550nm载波携带的强度调制信号符合光纤通信信号标准要求，输入通信光纤并实现无线通信信号的光纤拉远传输。
在一些实施例中，激光器产生波长为852nm和509nm的激光光场，与铯原子能级相互作用制备里德堡态。
在一些实施例中，里德堡原子天线接收无线通信信号，无线通信信号对应电磁场强度时变信息被复刻在852nm激光光场上，激光光场频移与无线通信信号强度正相关。
在一些实施例中，通过激光泵浦碱金属原子，将其激发至接近电离水平的里德堡态，里德堡原子感受到电磁信号并产生频率漂移，通过干涉测量手段建立输出光强与电磁信号强度的对应关系，实现能够接近海森堡极限的探测精度与灵敏度。
在一些实施例中，基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应，在二阶或三阶非线性介质中提供泵浦和输入信号，将输入信号携带的调制信息复制到输出信号，泵浦波长、输入信号波长和输出信号波长之间满足能量守恒定律和相位匹配条件。
一种实现基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法的系统实施例，包括多个激光器以及里德堡原子天线，还包括：
里德堡态制备模块，用于通过激光光场泵浦碱金属原子，使其处于接近电离的里德堡态，对特定微波波段产生高灵敏度响应，里德堡态在特性微波波段电场作用下产生能级劈裂并以激光光场频移体现；
激光信号加载识别模块，用于通过里德堡原子天线接收无线通信信号，将编码信息转换调制在激光载波上；
光纤通信信号生成模块，用于通过非线性波长转换将编码信息转换调制在通信波段光学载波上，通过码型变换操作编译标准光纤通信信号，实现无线通信信号向光纤通信信号转换的物理接口功能。
如图1所示，本发明提供的实施例展示了一种基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法的实施例，主要步骤为：
(1)激光器产生波长为852nm和509nm的激光光场，与铯原子能级相互作用制备里德堡态；
(2)里德堡原子天线接收无线通信信号，无线通信信号对应电磁场强度时变信息被复刻在852nm激光光场上，激光光场频移与无线通信信号强度正相关；
(3)通过光学干涉将852nm频移调制信号转换为强度调制信号；
(4)基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应，可将852nm强度调制信号转换为1550nm波段强度调制信号，亦即在泵浦能量的驱动下、通过852nm强度调制信号诱导自发辐射产生1550nm波段强度调制信号；
(5)通过光学放大、RNZ-NZ码型转换等操作，将1550nm波段强度调制信号转换为适应长距传输、符合标准光端机输出信号格式的光纤通信信号，完成无线通信信号向光纤通信信号的“全程信息不落地、全程无电路参与”的物理接口功能。
本发明提供了一种基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法的实施例，利用激光光场与碱金属能级的互作用制备里德堡态，利用里德堡原子在电磁场作用下产生的能级劈裂、频谱变化和光强变化将无线通信信号复刻至激光载波上，利用非线性波长转换系统和简单的码型变换系统生成光纤通信信号，完成无线通信→光纤通信的全物理接口转换功能。
在一些实施例中，无线信号接收通过激光泵浦碱金属原子，将其激发至接近电离水平的里德堡态，里德堡原子感受到电磁信号并产生频率漂移，通过干涉测量手段可建立输出光强与电磁信号强度的对应关系，以此实现能够接近海森堡极限的探测精度与灵敏度。
在一些实施例中，不限定里德堡天线系统结构、原子成分、泵浦方式、探测方式、工作带宽、调谐范围、器件结构、系统参数等。
在一些实施例中，非线性波长转换中基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应，在二阶或三阶非线性介质中提供泵浦和输入信号，将输入信号携带的调制信息复制到输出信号，泵浦波长、输入信号波长和输出信号波长之间满足能量守恒定律和相位匹配条件，调制光学自由度包括但不限于强度、相位、空间模式等，不限定非线性波长转换所依托的非线性效应，不限定非线性介质材料和结构。
在一些实施例中，码型变换中输入和输出均为通信波段调制信号，但输出信号需满足光纤通信系统标准，即工作波长、信号类型、重复频率等内容都与光纤通信光端机输出的标准通信信号一致。码型变换内容包括但不限于信噪比符合通用要求所需光学放大、重复频率符合通用要求的光学时延、归零和非归零码互转换、波长严格符合ITU波分复用通道的通信波段带内非线性波长转换等操作。除全程不能有光电探测、信息编译、光学发射过程外，不限定码型转换的具体类型和实现方式。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
首先，本发明利用里德堡原子天线固有的“微波输入-光场输出”特性，为微波和光波波段电磁场互转换提供了有效手段，压缩了传统通信网络接口中微波探测、信息处理、电光转换等步骤。
其次，本发明提出的物理接口不受信息处理能力限制，规避了因为信息处理系统过载而导致的通信网络拥塞。
此外，本发明所使用的里德堡原子天线是一种尺寸不受工作频率约束的无线通信接收装置，具备替代数十公里级长波天线的潜力，这一特性使得本发明所述物理接口能够覆盖多个无线通信波段，适应多种通信模式并发挥重要作用。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法，通过激光光场泵浦碱金属原子，使其处于接近电离的里德堡态，对特定微波波段产生高灵敏度响应，里德堡态在特性微波波段电场作用下产生能级劈裂并以激光光场频移体现；通过里德堡原子天线接收无线通信信号，将编码信息转换调制在激光载波上；通过非线性波长转换将编码信息转换调制在通信波段光学载波上，通过码型变换操作编译标准光纤通信信号，实现无线通信信号向光纤通信信号转换的物理接口，具体包括：
S201、利用852nm和509nm的激光光场泵浦铯原子气室，将铯原子制备到接近激发态的里德堡态，构建里德堡原子天线并通过测量852nm激光光场频移获取无线通信信号强度时变信息，利用光学干涉等手段获取载波波长为852nm、复刻无线通信信号的强度调制光场；
S202、基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应构建非线性波长转换器，将852nm载波携带的强度调制信号复制到另一路1550nm波段载波上；
S203、通过光学放大、光学时延、码型转换、通信波段带内非线性波长转换，使1550nm载波携带的强度调制信号符合光纤通信信号标准要求，输入通信光纤并实现无线通信信号的光纤拉远传输。
2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法，所述特定微波波段为无线通信波段。
3.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法，激光器产生波长为852nm和509nm的激光光场，与铯原子能级相互作用制备里德堡态。
4.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法，里德堡原子天线接收无线通信信号，无线通信信号对应电磁场强度时变信息被复刻在852nm激光光场上，激光光场频移与无线通信信号强度正相关。
5.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法，通过激光泵浦碱金属原子，将其激发至接近电离水平的里德堡态，里德堡原子感受到电磁信号并产生频率漂移，通过干涉测量手段建立输出光强与电磁信号强度的对应关系，实现能够接近海森堡极限的探测精度与灵敏度。
6.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法，基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应，在二阶或三阶非线性介质中提供泵浦和输入信号，将输入信号携带的调制信息复制到输出信号，泵浦波长、输入信号波长和输出信号波长之间满足能量守恒定律和相位匹配条件。
7.一种实现如权利要求1-6之一所述的基于里德堡原子的通信网络物理接口实现方法的系统，包括多个激光器以及里德堡原子天线，还包括：
里德堡态制备模块，用于通过激光光场泵浦碱金属原子，使其处于接近电离的里德堡态，对特定微波波段产生高灵敏度响应，里德堡态在特性微波波段电场作用下产生能级劈裂并以激光光场频移体现；
激光信号加载识别模块，用于通过里德堡原子天线接收无线通信信号，将编码信息转换调制在激光载波上；
光纤通信信号生成模块，用于通过非线性波长转换将编码信息转换调制在通信波段光学载波上，通过码型变换操作编译标准光纤通信信号，实现无线通信信号向光纤通信信号转换的物理接口功能。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法。
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