CN110297132B - 一种量子电场探测模块及电场强度测量方法 - Google Patents

一种量子电场探测模块及电场强度测量方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种量子电场探测模块，包括：半导体基底(102)，设置于所述半导体基底(102)正反两面的布拉格反射器(101A，101B)，以及设置于所述半导体基底(102)侧面的半导体密封基片(104)，其中，所述半导体基底(102)的内部设有内置碱金属的原子气室(103)，所述半导体密封基片(104)在所述半导体基底(102)的设有原子气室(103)开口的侧面与所述半导体基底(102)键合连接，用于对所述原子气室(103)密封。利用所述量子电场探测模块的测量方法，解决了原子气室的体积和离散光路元器件带来体积大、调谐难的技术难题。

Description

一种量子电场探测模块及电场强度测量方法
技术领域
本申请涉及信号测量与检测技术领域，尤其涉及一种量子电场探测模块及电场强度测量方法。
背景技术
近年来，包括中国在内的一些国家正在研究基于量子方法的电场强度测量技术。此种技术是利用里德堡原子的量子干涉效应，即利用其电磁诱导透明现象与Autler-Townes***效应，将电场强度的测量转化为透射光谱频率的测量。具体来讲，即使用一束探测激光与一束耦合激光照射碱金属原子气体(铷气等)，使其达到原子能级电磁诱导透明状态并在光谱上出现透射峰，而后，当施加一个能与临近里德堡原子能级共振的电场时，光谱上的透射峰出现***，其***的宽度(也即光谱上两峰值之间的频率宽度)由施加的电场强度决定。据此，便实现了将电场强度的测量转化为透射光谱的测量的目的。
由于原子体系具有可重复、精确和稳定等优点，同时气态原子对于施加电场的扰动也较小，并且光谱频率的测量可以达到很高精度。与偶极子/检波二极管探头、集成光波导LiNbO3电场传感器等传统电场强度测量方式相比，量子场强传感器的电场强度测量原理是基于外加电磁场与碱金属原子能级跃迁的关系，在原理上可以实现不同频段、不同强度的电磁场强度测量，而且可以通过场强的测量形成电场成像技术，在未来电场测量和电场成像方面有着重要的影响前途。
基于量子方法的电场强度测量技术可以有效提高电场强度的测量精度，为建立新的电场测量与校准***提供了理论基础。并且，通过使用不同的里德堡原子能级，可以实现在1GHz-500GHz超宽频段内的电场强度测量。例如，射频(RF)场与被激发至里德堡态的碱性金属原子的相互作用。RF场通过Autler-Townes效应引起里德堡态的能量***，并且通过电磁感应透明度检测***。实际上，放置在蒸汽室中的碱原子起到RF-光学换能器的作用，将RF电场强度测量转换为光学频率测量。采用小型蒸汽单元内测量电场强度可用于测量宽频率范围为：1GHz至500GHz。
尽管采用了基于里德堡原子的量子场强探测技术，可大幅提升电场强度的测量精度和测量范围，但目前主要采用离散光学部件及玻璃碱金属气室进行测量，存在测量装置体积大、调谐复杂的技术难题。
发明内容
本申请实施例提供一种量子电场探测模块及电场强度测量方法，解决电场强度测量技术中存在的测量装置体积过大调谐复杂的问题。
本申请实施例提供一种量子电场探测模块，包括：
半导体基底，设置于所述半导体基底正反两面的布拉格反射器，以及设置于所述半导体基底侧面的半导体密封基片，其中，
所述半导体基底的内部设有内置碱金属的原子气室，所述原子气室开口设置于所述半导体基底侧面；
所述半导体密封基片在所述半导体基底的设有原子气室开口的侧面与所述半导体基底键合连接，用于对所述原子气室密封；
所述半导体基底在正面设置的是第一布拉格反射器，所述半导体基底在背面设置的是第二布拉格反射器，相对且平行设立的第一、第二布拉格反射器在两者之间形成谐振空间。
进一步地，在上述技术方案中，所述半导体基底是GaAs基底、或InP基底。所述半导体密封基片是GaAs密封基片、或InP密封基片。
进一步地，所述布拉格反射器，是由GaAs材料和AlGaAs材料构成，或者是由GaAs材料和InP材料构成。所述布拉格反射器具有波长选择性，对于波长为852纳米的光和508纳米的光具有正向高透过率反向高反射率特性。
本申请实施例还提供一种电场强度测量方法，基于量子电场探测模块实现电场强度测量，包括：
将量子电场探测模块置于空间待测位置；
采用探测光和耦合光相对且共线地从两侧入射到量子电场探测模块，采集出射的光信号并将其转化为相应的电信号，根据在电信号上观察到具有斯塔克***现象的吸收光谱求出电场强度；
其中，所述量子电场探测模块包括半导体基底，设置于所述半导体基底正反两面的布拉格反射器，以及设置于所述半导体基底侧面的半导体密封基片，其中，所述半导体基底的内部设有内置碱金属的原子气室，所述原子气室开口设置于所述半导体基底侧面；所述半导体密封基片的面积大于所述原子气室开口，在所述半导体基底的设有原子气室开口的侧面与所述半导体基底键合连接，用于对所述原子气室密封；所述半导体基底在正面设置的是第一布拉格反射器，所述半导体基底在背面设置的是第二布拉格反射器，相对且平行设立的第一、第二布拉格反射器在两者之间形成谐振空间。
进一步地，在上述技术方案中，所述半导体基底是GaAs基底或InP基底；
所述半导体密封基片是GaAs密封基片或InP密封基片。所述布拉格反射器，是由GaAs材料和AlGaAs材料构成，或者是由GaAs材料和InP材料构成。所述布拉格反射器具有波长选择性，对于波长为852纳米的光和508纳米的光具有正向高透过率反向高反射率特性。
进一步地，所述耦合光是波长为508纳米的光；所述探测光是波长为852纳米的光。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
通过将布拉格反射器(DBR)与内置原子气室的半导体基底结合，可以形成置于两个DBR反射器之间的微小器件结构，即形成了集成一体化的量子电场探测模块，这能够使探测光和耦合光在模块内原子气室直接发生相互作用，探测光和耦合光在DBR结构的谐振腔体结构内相干增强，增加了光与原子的相互作用，有利于提高***的信噪比，解决了原子气室的体积和离散光路元器件带来体积大、调谐难的技术难题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请中的一种量子电场探测模块示意图；
图2为本申请中的一种电场强度测量方法流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
DBR(distributed Bragg reflector，分布式布拉格反射器)是在波导中使用的反射器。当光经过不同介质时在界面的地方会反射，反射率的大小会与介质间折射率大小有关，因此如果我们把不同折射率的薄膜交互周期性的堆叠在一起，当光经过这些不同折射率的薄膜的时候，由于各层反射回来的光因相位角的改变而进行相长干涉(ConstructiveInterference)，然后互相结合再一起，得到强烈反射光。如果多膜层数变的非常多，而薄膜折射率n1、n2、n3….的差变得非常小时，光就如同在同一个介质里前进，反射系数变得非常小。由于光的多重干涉而造成干涉效果十分明显，因此对于波长的选择变非常敏锐，在使用类似光栅情形时，这样的周期性结构就被称为分布式布拉格反射器(Distributed Braggreflectors)。
本申请的技术方案中将原子气室与DBR结合，形成置于两个DBR反射器之间的微小器件结构，能够使探测光和耦合光在模块内直接发生相互作用，探测光和耦合光在DBR结构的谐振腔体结构内相干增强，增加了光与原子的相互作用，有利于提高***的信噪比，解决了原子气室的体积和离散光路元器件带来体积大、调谐难的技术难题。所述原子气室可以是装填有碱金属的原子气室。
基于上述思路，本申请提供一种量子电场探测模块，如图1所示，包括：
半导体基底102，设置于所述半导体基底102正反两面的布拉格反射器101A、101B，以及设置于所述半导体基底102侧面的半导体密封基片104，其中，
所述半导体基底102的内部设有内置碱金属的原子气室103，所述原子气室103开口设置于所述半导体基底102侧面；
所述半导体密封基片104在所述半导体基底102的设有原子气室103开口的侧面与所述半导体基底102键合连接，用于对所述原子气室103密封；
所述半导体基底102在正面设置的是第一布拉格反射器101A，所述半导体基底在背面设置的是第二布拉格反射器101B，相对且平行设立的第一、第二布拉格反射器在两者之间形成谐振空间。
基于上述图1所示的量子电场探测模块，本申请还提供一种电场强度测量方法，包括：
将量子电场探测模块置于空间待测位置；
采用探测光和耦合光相对且共线地从两侧入射到量子电场探测模块，采集出射的光信号并将其转化为相应的电信号，根据在电信号上观察到具有斯塔克***现象的吸收光谱求出电场强度。其中，所述耦合光是波长为508纳米的光；所述探测光是波长为852纳米的光。
在上述的量子电场探测模块及电场强度测量方法的技术方案中，所述半导体基底是GaAs基底、或InP基底。所述半导体密封基片是GaAs密封基片、或InP密封基片。所述布拉格反射器，是由GaAs材料和AlGaAs材料构成，或者是由GaAs材料和InP材料构成。所述布拉格反射器具有波长选择性，对于波长为852纳米的光和508纳米的光具有正向高透过率反向高反射率特性。
如图1所示，为了构建集成一体化的量子电场探测模块，可以采用多种构建方式。
实施例1：采用既有的GaAs基底或InP基底作为所述半导体基底，构建集成一体化的量子电场探测模块。
先在半导体基底正反两面先后制备布拉格反射器(DBR)，正反两面的DBR反射器用于在夹在两者之间的空间形成谐振腔体结构；
再在半导体基底的侧面开口，通过刻蚀的方式可以形成内置的原子气室，所述原子气室可以是圆柱状或立方体状或凹槽状；
对原子气室进行填充原子气后密封，其中，所述原子气可以是碱金属原子气，在真空气室内完成碱金属的充制过程，在半导体基底设有原子气室开口的侧面，采用半导体密封基片对原子气室的开口进行覆盖，通过键合方式形成填充了碱金属原子气的密封结构。
在实施例一中，也可以通过膜层转移技术将既有的DBR反射器转移结合到半导体基底的正反两面。
实施例2：采用在线制备的GaAs基底或InP基底作为所述半导体基底，构建集成一体化的量子电场探测模块。
先制备第一布拉格反射器(DBR)层；
在第一布拉格反射器(DBR)层上再制备GaAs或InP作为所述半导体基底；
在所述半导体基底上制备第二布拉格反射器(DBR)，此时，半导体基底正反两面的DBR反射器用于在夹在两者之间的空间形成谐振腔体结构；
再在半导体基底的侧面开口，通过刻蚀的方式可以形成内置的原子气室，所述原子气室可以是圆柱状或立方体状或凹槽状；
对原子气室进行填充原子气后密封，其中，所述原子气可以是碱金属原子气，在真空气室内完成碱金属的充制过程，在半导体基底设有原子气室开口的侧面，采用半导体密封基片对原子气室的开口进行覆盖，通过键合方式形成填充了碱金属原子气的密封结构。
实施例3:电场强度测量方法
集成一体化的量子电场探测模块的工作状态时，探测光和耦合光从两侧入射到原子气室，在原子气室内与碱金属原子气发生相互作用，在两侧布拉格反射器的约束下形成相干增强效果。实际测量时，将两束激光相对且共线入射至内部充有碱金属的原子气室；采集经样品池出射后的光信号，并将其转化为相应的电信号；对采集到的电信号进行分析，如果存在电场，就可以在信号上观察到具有斯塔克***现象的吸收光谱，进而求出电场E的强度。采用图1所示的量子电场探测模块，可以利用碱金属原子里德堡能级的stark效应对电场进行测量，测量精度高，能测量微弱至mV/cm级别的电场强度。
如图2所示，给出了上述测量过程的流程图，电场强度测量方法包括如下步骤：
步骤21，将量子电场探测模块置于空间待测位置；
步骤22，采用探测光和耦合光相对且共线的从两侧入射到量子电场探测模块，采集出射的光信号并将其转化为相应的电信号，根据在电信号上观察到具有斯塔克***现象的吸收光谱求出电场强度。
其中，所述耦合光是波长为508纳米的光；所述探测光是波长为852纳米的光。
本申请的技术方案中，通过将布拉格反射器(DBR)与内置原子气室的半导体基底结合，可以形成置于两个DBR反射器之间的微小器件结构，即形成了集成一体化的量子电场探测模块，这能够使探测光和耦合光在模块内原子气室直接发生相互作用，探测光和耦合光在DBR结构的谐振腔体结构内相干增强，增加了光与原子的相互作用，有利于提高***的信噪比，解决了原子气室的体积和离散光路元器件带来体积大、调谐难的技术难题。
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。
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 (10)

1.一种量子电场探测模块，其特征在于，包括：
半导体基底(102)，设置于所述半导体基底(102)正反两面的布拉格反射器(101A，101B)，以及设置于所述半导体基底(102)侧面的半导体密封基片(104)，其中，
所述半导体基底(102)的内部设有内置碱金属的原子气室(103)，所述原子气室(103)开口设置于所述半导体基底(102)侧面；原子气室与布拉格反射器结合，形成置于两个布拉格反射器之间的结构；
所述半导体密封基片(104)在所述半导体基底(102)的设有原子气室(103)开口的侧面与所述半导体基底(102)键合连接，用于对所述原子气室(103)密封；
所述半导体基底(102)在正面设置的是第一布拉格反射器(101A)，所述半导体基底在背面设置的是第二布拉格反射器(101B)，相对且平行设立的第一、第二布拉格反射器在两者之间形成谐振空间。
2.如权利要求1所述的量子电场探测模块，其特征在于，
所述半导体基底是GaAs基底、或InP基底。
3.如权利要求1或2所述的量子电场探测模块，其特征在于，
所述半导体密封基片是GaAs密封基片、或InP密封基片。
4.如权利要求1或2所述的量子电场探测模块，其特征在于，
所述布拉格反射器，是由GaAs材料和AlGaAs材料构成，或者是由GaAs材料和InP材料构成。
5.如权利要求4所述的量子电场探测模块，其特征在于，
所述布拉格反射器具有波长选择性，对于波长为852纳米的光和508纳米的光具有正向高透过率反向高反射率特性。
6.一种电场强度测量方法，其特征在于，基于量子电场探测模块实现电场强度测量，包括：
将量子电场探测模块置于空间待测位置；
采用探测光和耦合光相对且共线地从两侧入射到量子电场探测模块，采集出射的光信号并将其转化为相应的电信号，根据在电信号上观察到具有斯塔克***现象的吸收光谱求出电场强度；
其中，所述量子电场探测模块包括半导体基底，设置于所述半导体基底正反两面的布拉格反射器，以及设置于所述半导体基底侧面的半导体密封基片，其中，所述半导体基底的内部设有内置碱金属的原子气室，所述原子气室开口设置于所述半导体基底侧面；原子气室与布拉格反射器结合，形成置于两个布拉格反射器之间的结构；所述半导体密封基片的面积大于所述原子气室开口，在所述半导体基底的设有原子气室开口的侧面与所述半导体基底键合连接，用于对所述原子气室密封；所述半导体基底在正面设置的是第一布拉格反射器，所述半导体基底在背面设置的是第二布拉格反射器，相对且平行设立的第一、第二布拉格反射器在两者之间形成谐振空间。
7.如权利要求6所述的电场强度测量方法，其特征在于，
所述半导体基底是GaAs基底或InP基底；
所述半导体密封基片是GaAs密封基片或InP密封基片。
8.如权利要求6或7所述的电场强度测量方法，其特征在于，
所述布拉格反射器，是由GaAs材料和AlGaAs材料构成，或者是由GaAs材料和InP材料构成。
9.如权利要求8所述的电场强度测量方法，其特征在于，
所述布拉格反射器具有波长选择性，对于波长为852纳米的光和508纳米的光具有正向高透过率反向高反射率特性。
10.如权利要求6所述的电场强度测量方法，其特征在于，
所述耦合光是波长为508纳米的光；
所述探测光是波长为852纳米的光。
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