Advanced Photonics Nexus 2024年第5期论文：
Xinghua Li, Yifan Guo, Xiao Xiang, Runai Quan, Mingtao Cao, Ruifang Dong, Tao Liu, Ming Li, Shougang Zhang, "Versatile quantum microwave photonic signal processing platform based on coincidence window selection technique," Adv. Photon. Nexus 3, 056013 (2024)
微波光子学是融合了微波技术与光子技术的前沿学科，通过将微波信号转换为光信号进行处理，具有带宽大、损耗低、抗电磁干扰等优点，已被广泛应用于无线通信、雷达、传感器、成像等领域。历经20多年的发展，传统的微波光子技术在性能上已达到其极限，尤其在超弱信号探测和高速信号处理方面，局限性日益凸显。
近日，中国科学院国家授时中心的董瑞芳研究员团队联合中国科学院半导体研究所的李明研究员，将量子技术与微波光子技术相结合，通过“利用双光子符合窗口后选择技术”，成功构建了一个多功能的量子微波光子信号处理平台，其中包括超精细的相移器、可重构的多抽头滤波器，以及非局域混频器。这一创新成果有效突破了传统微波光子系统在超弱信号处理方面的局限。
该研究显示，通过改变窗口在双光子符合包络内的位移，量子微波光子移相器能够提供0.01 rad@0.2 GHz的超精细相移和24.5 rad@6.1 GHz的大范围相移。通过配置双光子符合包络内的窗口数，滤波器性能的关键指标——抽头数，最大可达到14。得益于纠缠光子光的非局域性，微波光子混频器有效地增强了射频信号在混频中的灵活性。该成果以“Versatile quantum microwave photonic signal processing platform based on coincidence window selection technique”为题发表在Advanced Photonics Nexus 2024年第5期上。
在本项研究中，研究人员通过巧妙地调整双光子符合包络内的窗口位移，实现了对射频信号的精细相位控制。在射频频率为0.02 GHz的条件下，系统能够实现的最小相移量可达0.01 rad。而这一精度的实现，取决于双光子符合包络的分辨率。射频频率为6.1 GHz，系统能够实现的最大相移量高达24.5 rad，但是最大相移量受限于探测器带宽。本研究开发的微波光子移相器在低、中、高整个频谱范围内，都表现出优异的线性度，有效解决了传统移相器在高频段相位线性度下降的问题。
图1 (a)双光子符合包络中窗口中心偏移量。(b) - (c)不同偏移量下信号光子和闲置光子的时域波形。(d) 从信号光子路径中恢复的射频信号振幅与窗口偏移量的关系。(e)从信号光子路径中恢复的射频信号相移与窗口偏移量的关系
以三抽头滤波器为研究对象，研究人员巧妙地通过调整各个窗口间的权重分配，成功实现了不同主旁瓣抑制比的滤波器设计；进一步地，通过调整窗口间的相对距离，能够使得滤波器的自由频谱范围得以灵活调整。此外，通过在双光子符合包络内增加窗口数量，研究人员有效扩展了滤波器的抽头数目。因此，相较于传统依赖于可编程整形器的多分频滤波方法，该研究提出的方法展现出了显著的灵活性和经济效益。
图2 (a1)-(a3)不同主旁瓣抑制比的三抽头滤波器。(b1)-(b3)不同自由频谱范围的三抽头滤波器。(c1)-(c3)不同抽头数的滤波器
研究人员利用量子纠缠源的非定域性，实现了射频信号非定域混频。如图3(a1)-(a2) 所示，将1 GHz和5 GHz的微波信号分别调制到纠缠的信号光子和闲置光子上，通过符合窗口后选择，信号光子与闲置光子不仅携带了基频信号，还携带了混频信号。
图3 (a1)-(a2)直接调制后的信号光子与闲置光子的功率谱。(b1)- (b2)非局域映射后信号光子与空闲光子的功率谱。(c1)双抽头滤波器的频率响应。(c2)经过双抽头滤波后闲置光子的功率谱。(d1)数字滤波器的频率响应。(d2)经过数字滤波后闲置光子的功率谱
该研究提出了一种新型的多功能量子微波信号处理平台，该平台采用符合窗后选择技术，无缝集成了微波光子移相器、滤波器以及混频器。此设计增强了微波信号处理应用的功能性和灵活性, 展示了量子微波信号处理技术的潜力。这一创新成果不仅为微波光子技术的发展提供了新的视角，也为相关领域技术的进步和应用创新奠定了坚实的基础。
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