เทคโนโลยีออปติคัลไมโครเวฟควอนตัม

ควอนตัมไมโครเวฟออปติคัลเทคโนโลยี
เทคโนโลยีออปติคัลไมโครเวฟได้กลายเป็นสาขาที่ทรงประสิทธิภาพ โดยผสานรวมข้อดีของเทคโนโลยีออปติคัลและไมโครเวฟในการประมวลผลสัญญาณ การสื่อสาร การตรวจจับ และด้านอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ระบบโฟโตนิกส์ไมโครเวฟแบบเดิมยังคงเผชิญกับข้อจำกัดสำคัญบางประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของแบนด์วิดท์และความไว เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ นักวิจัยจึงเริ่มสำรวจโฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัม ซึ่งเป็นสาขาใหม่ที่น่าตื่นเต้นที่ผสมผสานแนวคิดของเทคโนโลยีควอนตัมเข้ากับโฟโตนิกส์ไมโครเวฟ

พื้นฐานของเทคโนโลยีออปติคัลไมโครเวฟควอนตัม
หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีออปติกไมโครเวฟควอนตัมคือการแทนที่ออปติกแบบดั้งเดิมเครื่องตรวจจับภาพในลิงก์โฟตอนไมโครเวฟด้วยเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวความไวสูง ซึ่งช่วยให้ระบบทำงานที่ระดับพลังงานแสงต่ำมาก แม้กระทั่งระดับโฟตอนเดี่ยว ขณะเดียวกันก็อาจเพิ่มแบนด์วิดท์ได้ด้วย
ระบบโฟตอนไมโครเวฟควอนตัมทั่วไปประกอบด้วย: 1. แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว (เช่น เลเซอร์ลดทอน 2.ตัวปรับคลื่นไฟฟ้าออปติกสำหรับการเข้ารหัสสัญญาณไมโครเวฟ/RF 3. ส่วนประกอบการประมวลผลสัญญาณออปติคัล 4. เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว (เช่น เครื่องตรวจจับเส้นลวดนาโนตัวนำยิ่งยวด) 5. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบนับโฟตอนเดี่ยวตามเวลา (TCSPC)
รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างลิงก์โฟตอนไมโครเวฟแบบดั้งเดิมและลิงก์โฟตอนไมโครเวฟควอนตัม:

ความแตกต่างที่สำคัญคือการใช้เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวและโมดูล TCSPC แทนโฟโตไดโอดความเร็วสูง ซึ่งทำให้สามารถตรวจจับสัญญาณที่อ่อนมากได้ และหวังว่าจะสามารถขยายแบนด์วิดท์ให้เกินขีดจำกัดของเครื่องตรวจจับโฟโตแบบเดิม

รูปแบบการตรวจจับโฟตอนเดี่ยว
รูปแบบการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบโฟตอนไมโครเวฟควอนตัม หลักการทำงานมีดังนี้: 1. สัญญาณทริกเกอร์แบบคาบที่ซิงโครไนซ์กับสัญญาณที่วัดได้จะถูกส่งไปยังโมดูล TCSPC 2. ตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจะส่งสัญญาณพัลส์ชุดหนึ่งที่แทนโฟตอนที่ตรวจจับได้ 3. โมดูล TCSPC จะวัดความแตกต่างของเวลาระหว่างสัญญาณทริกเกอร์และโฟตอนที่ตรวจจับได้แต่ละตัว 4. หลังจากวนลูปทริกเกอร์หลายรอบ ฮิสโทแกรมเวลาการตรวจจับจะถูกสร้างขึ้น 5. ฮิสโทแกรมสามารถสร้างรูปคลื่นของสัญญาณต้นฉบับขึ้นมาใหม่ได้ ในทางคณิตศาสตร์ แสดงให้เห็นว่าความน่าจะเป็นในการตรวจจับโฟตอน ณ เวลาใดเวลาหนึ่งเป็นสัดส่วนกับกำลังแสง ณ เวลานั้น ดังนั้น ฮิสโทแกรมของเวลาการตรวจจับจึงสามารถแทนรูปคลื่นของสัญญาณที่วัดได้อย่างแม่นยำ

ข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยีออปติคัลไมโครเวฟควอนตัม
เมื่อเปรียบเทียบกับระบบออปติคัลไมโครเวฟแบบดั้งเดิม โฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมมีข้อได้เปรียบสำคัญหลายประการ: 1. ความไวแสงสูงมาก: ตรวจจับสัญญาณที่อ่อนมากได้ถึงระดับโฟตอนเดี่ยว 2. แบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้น: ไม่ถูกจำกัดด้วยแบนด์วิดท์ของโฟโตดีเทคเตอร์ แต่ได้รับผลกระทบจากความสั่นไหวของจังหวะเวลาของโฟตอนเดี่ยวเท่านั้น 3. การป้องกันสัญญาณรบกวนที่ดีขึ้น: การสร้างภาพ TCSPC สามารถกรองสัญญาณที่ไม่ได้ล็อกกับทริกเกอร์ได้ 4. สัญญาณรบกวนต่ำ: หลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการตรวจจับและการขยายสัญญาณโฟโตอิเล็กทริกแบบดั้งเดิม