טכנולוגיה אופטית למיקרוגל קוונטית

קוונטיםמיקרוגל אופטיטֶכנוֹלוֹגִיָה
טכנולוגיה אופטית למיקרוגלהפך לתחום רב עוצמה, המשלב את היתרונות של טכנולוגיה אופטית ומיקרוגל בעיבוד אותות, תקשורת, חישה והיבטים נוספים. עם זאת, מערכות פוטוניות מיקרוגל קונבנציונליות עומדות בפני כמה מגבלות מרכזיות, במיוחד מבחינת רוחב פס ורגישות. כדי להתגבר על האתגרים הללו, החוקרים מתחילים לחקור פוטוניקת מיקרוגל קוונטית - תחום חדש ומלהיב המשלב את מושגי הטכנולוגיה הקוונטית עם פוטוניקת מיקרוגל.

יסודות הטכנולוגיה הקוונטית של מיקרוגל אופטי
הליבה של הטכנולוגיה האופטית המיקרוגל הקוונטית היא להחליף את האופטי המסורתיphotodetectorב-קישור פוטון למיקרוגלעם גלאי פוטון בודד בעל רגישות גבוהה. זה מאפשר למערכת לפעול ברמות הספק אופטיות נמוכות במיוחד, אפילו עד לרמת הפוטון היחיד, תוך הגדלת רוחב הפס.
מערכות פוטון מיקרוגל קוונטיות אופייניות כוללות: 1. מקורות פוטון בודדים (למשל, לייזרים מוחלשים 2.אפנן אלקטרו-אופטיעבור קידוד אותות מיקרוגל/RF 3. רכיב עיבוד אותות אופטי4. גלאי פוטון בודד (למשל גלאי ננו-חוטי-על מוליכים) 5. מכשירים אלקטרוניים לספירת פוטון בודדים תלויי זמן (TCSPC)
איור 1 מציג את ההשוואה בין קישורי פוטון מיקרוגל מסורתיים לקישורי פוטון מיקרוגל קוונטיים:

ההבדל העיקרי הוא השימוש בגלאי פוטון בודדים ובמודולי TCSPC במקום פוטודיודות מהירות. זה מאפשר זיהוי של אותות חלשים במיוחד, ובתקווה לדחוף את רוחב הפס מעבר לגבולות של גלאי פוטו מסורתיים.

ערכת זיהוי פוטון בודד
ערכת זיהוי הפוטון הבודד חשובה מאוד עבור מערכות פוטון מיקרוגל קוונטיות. עקרון העבודה הוא כדלקמן: 1. אות ההדק התקופתי המסונכרן עם האות הנמדד נשלח למודול TCSPC. 2. גלאי הפוטונים היחיד מוציא סדרה של פולסים המייצגים את הפוטונים שזוהו. 3. מודול TCSPC מודד את הפרש הזמן בין אות ההדק לכל פוטון שזוהה. 4. לאחר מספר לולאות טריגר, היסטוגרמת זמן הזיהוי נקבעת. 5. ההיסטוגרמה יכולה לשחזר את צורת הגל של האות המקורי. מבחינה מתמטית, ניתן להראות שההסתברות לגילוי פוטון בזמן נתון היא פרופורציונלית להספק האופטי באותו זמן. לכן, ההיסטוגרמה של זמן הזיהוי יכולה לייצג במדויק את צורת הגל של האות הנמדד.

יתרונות מרכזיים של טכנולוגיה קוונטית מיקרוגל אופטית
בהשוואה למערכות אופטיות מסורתיות של מיקרוגל, לפוטוניקת מיקרוגל קוונטית מספר יתרונות מרכזיים: 1. רגישות גבוהה במיוחד: מזהה אותות חלשים במיוחד עד לרמת הפוטון הבודד. 2. הגדלת רוחב הפס: לא מוגבל ברוחב הפס של הפוטו-גלאי, מושפע רק מריצוד התזמון של גלאי הפוטון היחיד. 3. אנטי-הפרעות משופר: שחזור TCSPC יכול לסנן אותות שאינם נעולים על ההדק. 4. רעש נמוך יותר: הימנע מהרעש הנגרם מזיהוי והגברה פוטו-אלקטריים מסורתיים.