一种基于主时钟协同触发的色心外差微波探测装置及方法

本发明属于微波量子探测，尤其涉及一种基于主时钟协同触发的色心外差微波探测装置及方法。

背景技术：

1、碳化硅是一种宽禁带半导体材料，具有成熟的晶圆级制备、离子注入、外延生长和微纳加工工艺，可与现有功率电子、微波器件和集成光子学工艺兼容。碳化硅中的硅空位、双空位、碳空位相关缺陷、氮空位型缺陷以及其他可光学读出的点缺陷可表现出固态色心的光学和自旋性质。其能级结构、荧光强度、光电荷转换行为或自旋共振频率会受到外界电场、磁场、温度、应力、压力或微波场的影响，因此可作为微纳尺度、高温、高压或片上集成环境下的量子传感单元。

2、对于待测微波信号，若直接在微波频率下读取弱信号，往往受限于探测器带宽、仪器相位漂移、环境噪声和多循环平均效率。外差检测通过引入参考微波信号，使待测微波信号与参考微波信号在碳化硅色心所在区域同时作用，利用色心响应的非线性项、相干项或光电荷转换项在读出信号中产生差频分量，从而将高频待测微波信息转换为较低频率的拍频或中频信号，降低了对探测带宽的要求，并可通过相干检测提高信噪比。

3、然而现有方案通常存在以下不足：

4、现有技术未采用同一个主时钟统一控制整个微波外差探测链路的相位和采样，而是各自依靠自身时钟或软件命令运行。在实际的碳化硅色心外差微波探测系统中，若激光器、待测微波源、参考源、数据采集卡、探测器和数字解调单元分别依靠自身时钟或软件命令启动，则会出现循环起点不一致、参考场初始相位漂移、待测微波门控边沿与读出窗口不对应、采样点跨循环错位等问题。

5、现有技术未给出在每一测量循环内如何由主时钟同时控制参考场相位复位、待测微波与参考场共曝光、激光初始化与读出、探测器积分、固定采样点编号和数字外差解调的具体方法。特别是在弱微波信号检测和长时间累加中，上述问题可能导致差频信号展宽、相位抵消或背景漂移无法有效扣除，严重制约探测灵敏度和相位稳定性。

6、现有技术虽然实现了固态自旋与外扰动的同步，但未涉及参考场相位在每个测量循环中的主动复位，也未解决参考场相位漂移导致的外差信号跨循环无法相干累加的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于主时钟协同触发的色心外差微波探测装置及方法，用以解决现有多设备独立运行导致的参考场相位漂移、采样点错位、外差信号无法相干累加的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种基于主时钟协同触发的色心外差微波探测装置，该装置包括：

3、主时钟发生单元、碳化硅色心传感单元、激光激发单元、参考场施加单元、待测微波接收单元、微波耦合单元、光电探测与数据采集单元以及数据处理单元；

4、所述激光激发单元，用于在所述主时钟发生单元的控制下发出激光对所述碳化硅色心传感单元进行激光激发；

5、所述参考场施加单元，用于在所述主时钟发生单元的控制下将参考微波信号的初始相位复位为预设相位，并将相位复位后的参考微波信号发送至所述微波耦合单元；

6、所述待测微波接收单元，用于在所述主时钟发生单元的控制下将待测微波信号发送至所述微波耦合单元；所述相位复位后的参考微波信号和所述待测微波信号为同步发送；

7、所述微波耦合单元，用于将所述待测微波信号和所述相位复位后的参考微波信号合束后耦合至所述碳化硅色心传感单元；

8、所述碳化硅色心传感单元，用于在所述待测微波信号与所述相位复位后的参考微波信号共同作用下进行外差传感，产生包含差频分量的外差信号；

9、所述光电探测与数据采集单元，用于在所述主时钟发生单元的控制下采集所述外差信号；

10、所述数据处理单元，用于对所述外差信号进行解调，得到待测微波信号的幅值和相位。

11、在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

12、所述主时钟发生单元按照预设的循环周期产生循环起点触发信号发送至各单元，根据预先标定的延时补偿表分别产生激光门控信号、待测微波门控信号、参考场相位复位信号、参考场输出门控信号以及数据采集采样时钟发送至对应单元；

13、所述激光激发单元同步接收所述循环起点触发信号和所述激光门控信号，确保每个测量循环开始时激光即照射所述碳化硅色心传感单元；

14、所述参考场施加单元在预设的微波曝光窗口前接收所述参考场相位复位信号对参考微波信号的初始相位进行复位，并接收所述参考场输出门控信号将所述相位复位后的参考微波信号输出至所述微波耦合单元；

15、所述待测微波接收单元在预设的微波曝光窗口前，接收所述待测微波门控信号将待测微波信号输出至所述微波耦合单元；

16、所述微波耦合单元在预设的微波曝光窗口起始时刻，将合束后的耦合信号传送至所述碳化硅色心传感单元；

17、所述光电探测与数据采集单元同步接收所述循环起点触发信号和所述数据采集采样时钟，确保每个测量循环开始时即开始采集所述外差信号。

18、进一步地，所述碳化硅色心传感单元包括碳化硅色心，所述碳化硅色心至少包括4h-sic、6h-sic或3c-sic中的硅空位色心、双空位色心、碳空位相关缺陷、氮空位型缺陷或其他可光学读出的点缺陷。

19、进一步地， 所述延时补偿表至少包括激光到达所述碳化硅色心的光路延时、待测微波信号到达所述碳化硅色心的传输延时、参考微波信号到达所述碳化硅色心的传输延时、所述参考场施加单元的相位稳定建立时间以及数据采集触发的延时；

20、所述参考场施加单元的相位稳定建立时间表示所述参考场施加单元接收到所述参考场相位复位信号开始，到输出的参考微波信号达到所述预设相位并稳定下来为止所需要的时间。

21、进一步地，所述主时钟发生单元根据所述延时补偿表中的各延时参数，分别计算所述激光门控信号、所述待测微波门控信号、所述参考场输出门控信号、所述参考场相位复位信号和所述数据采集采样时钟相对于微波曝光窗口起始时刻的提前输出量：

22、所述激光门控信号提前输出，所述待测微波门控信号提前输出，所述参考场输出门控信号提前输出，所述参考场相位复位信号提前结束，所述数据采集采样时钟提前输出。

23、进一步地，所述主时钟发生单元根据所述参考场施加单元的相位稳定建立时间，控制所述参考场相位复位信号的结束时刻与预设的微波曝光窗口起始时刻之间的时间间隔大于或等于，确保在每个测量循环预设的微波曝光窗口开始前，参考微波信号的初始相位已被复位为本循环的预设相位。

24、进一步地，所述预设相位采用以下任一种模式：

25、0°和180°交替切换的相位对模式；或

26、0°、90°、180°及270°循环切换的四相序列模式；

27、采用所述相位对模式时，所述数据处理单元将所述相位对对应的外差信号作差，消除不随参考场相位变化的共模背景并增强外差信号，得到待测微波信号的同相分量，进而得到待测微波信号的幅值；

28、采用所述四相序列模式时，所述数据处理单元根据所述四相序列对应的外差信号重构待测微波信号的同相分量和正交分量，进而得到待测微波信号的幅值和相位。

29、进一步地，所述主时钟发生单元将所述循环起点触发信号和所述数据采集采样时钟锁定；不同测量循环中相同序号的采样点对应于循环内相同的物理时刻，且该对应关系覆盖全部采样点，确保预设的微波曝光窗口内采集到的所述包含差频分量的外差信号的相位在不同循环之间具有可重复性。

30、进一步地，所述待测微波信号的幅值和相位通过以下公式表示：

31、

32、式中，表示待测微波信号的同相分量，表示待测微波信号的正交分量，表示待测微波信号的幅值，表示待测微波信号的相位，表示单个测量循环中第个采样点的序号，表示第个采样点多个测量循环的平均值，表示参考微波信号和待测微波信号的频率差，表示采样频率，表示单个测量循环中采样点的数量。

33、第二方面，本发明实施例提供了一种利用第一方面中任一项所述的装置进行基于主时钟协同触发的色心外差微波探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

34、主时钟发生单元按照预设的循环周期输出循环起点触发信号至各单元，作为每个测量循环的起始时刻；

35、主时钟发生单元根据预先标定的延时补偿表，在输出循环起点触发信号的同时输出激光门控信号至激光激发单元、输出数据采集采样时钟至光电探测与数据采集单元；激光激发单元同步接收循环起点触发信号和激光门控信号，向碳化硅色心传感单元照射激光；

36、主时钟发生单元根据预先标定的延时补偿表，在预设的微波曝光窗口开始前输出参考场相位复位信号至参考场施加单元，将参考微波信号的初始相位复位为预设相位；

37、主时钟发生单元根据预先标定的延时补偿表，在预设的微波曝光窗口前同步输出待测微波门控信号至待测微波接收单元将待测微波信号发送至所述微波耦合单元、输出参考场输出门控信号至参考场施加单元将相位复位后的参考微波信号发送至所述微波耦合单元，使所述待测微波信号和所述相位复位后的参考微波信号同步发送至微波耦合单元；

38、微波耦合单元在预设的微波曝光窗口起始时刻将待测微波信号与参考微波信号合束并共同耦合至碳化硅色心传感单元，使碳化硅色心传感单元产生包含差频分量的外差信号；

39、光电探测与数据采集单元同步接收循环起点触发信号和数据采集采样时钟，对所述外差信号进行采集；

40、数据处理单元对每个测量循环的外差信号进行外差解调，得到待测微波信号的幅值和相位。

41、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

42、1、本发明通过主时钟发生单元，使整个微波外差探测链路具有统一的循环起点、相位和采样。与现有技术中各模块依赖自身时钟或软件命令启动相比，本发明从根本上解决了循环起点不一致、采样点跨循环错位的问题，使成千上万次循环的数据能够实现精确的相干累加。

43、2、本发明在每个测量循环的微波曝光窗口开始前，通过参考场相位复位信号将参考场施加单元的初始相位强制复位为预设相位，使参考场在每个循环中从确定的初始相位开始输出。与现有技术中参考场自由运行、相位漂移不可控相比，本发明保证了外差差频信号的相位在不同循环之间具有可重复性，避免了因相位漂移导致的信号平均抵消，显著提高了长时间累加探测的信噪比。

44、3、本发明使采样时钟由主时钟派生并与循环起点触发信号锁定，不同测量循环中相同序号的采样点对应于该循环内相同的物理时刻，该对应关系覆盖全部采样点。与现有技术中采样时钟独立运行、采样点跨循环错位相比，本发明确保微波曝光窗口内采集到的外差差频信号的相位在不同循环之间保持一致，为外差信号逐点相干累加平均提供了时序基础，降低了因内部晶振频偏和软件启动延迟造成的波形展宽。

45、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。