一種基于微波光子轉(zhuǎn)換和平衡零拍探測(cè)的高靈敏度微波接收機(jī)

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現(xiàn)有的雷達(dá)或微波接收機(jī)基本采用電子學(xué)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。雷達(dá)噪聲主要分為兩大部分，第一種是接收機(jī)內(nèi)部器件產(chǎn)生的噪聲，包括放大器、混頻器產(chǎn)生的噪聲，第二種是由天線進(jìn)入接收機(jī)的各種干擾和天線熱噪聲。這里重點(diǎn)討論熱噪聲，雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度主要受熱噪聲限制。其主要來源于天線電阻中的熱噪聲，由導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成，又被稱為Johnson-Nyquist噪聲。雷達(dá)的靈敏度可以用接收機(jī)輸入端最小可檢測(cè)功率Simin。對(duì)于基于電子學(xué)方法的雷達(dá)接收機(jī)來說，靈敏度可由下式計(jì)算得出：

其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為電阻溫度，Bn為濾波帶寬，F(xiàn)為接收機(jī)噪聲系數(shù)。

在室溫下T取290K，此時(shí)上式可簡(jiǎn)化為：

對(duì)于典型的雷達(dá)接收機(jī)，F(xiàn)=6dB，Bn=1.8MHz時(shí)，則其靈敏度約為-105.4dBm。采用低噪聲放大器的雷達(dá)接收機(jī)F可以到2dB左右，此時(shí)靈敏度-109.4dBm。一般的超外差接收機(jī)靈敏度在-90——--110dBm。

量子光學(xué)在光波段的探測(cè)技術(shù)日趨成熟，目前已經(jīng)有雪崩二極管單光子探測(cè)器（APD），平衡零拍探測(cè)器等。其中平衡零拍探測(cè)器利用本振光對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大，可探測(cè)到信號(hào)的量子抖動(dòng)，一般應(yīng)用于連續(xù)變量量子信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，典型如連續(xù)變量量子密鑰分配等。其靈敏度可到百光子量級(jí)，并且由于對(duì)兩路輸出信號(hào)進(jìn)行差分，熱噪聲等隨機(jī)噪聲會(huì)被抑制，從而大幅提高信噪比。

針對(duì)上述基于電子學(xué)技術(shù)的雷達(dá)接收機(jī)靈敏度無法突破熱噪聲限制的問題，我們利用量子光學(xué)中微波光子相干轉(zhuǎn)換技術(shù)，結(jié)合平衡零拍探測(cè)技術(shù)進(jìn)行探測(cè)的方法，使得接收機(jī)靈敏度和信噪比大幅提高。具體問題如圖1所示，圖1(a)為一般雷達(dá)接收機(jī)的情況，即信號(hào)功率必須大于本底噪聲才能被有效探測(cè)。圖1(b)為我們的接收機(jī)或微波探測(cè)器的情況，即最小可探測(cè)信號(hào)功率比噪聲功率更小。這是由于平衡零拍探測(cè)器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行差分，熱噪聲等隨機(jī)噪聲會(huì)被抑制，在電子學(xué)方法中無法做到這一點(diǎn)。電子學(xué)中的提高信噪比一般屬于濾波來抑制濾波帶寬外噪聲，濾波帶寬內(nèi)的噪聲仍然無法濾除。

圖1 (a)電子學(xué)雷達(dá)接收機(jī)所能探測(cè)到的信號(hào)情況；(b)與本方案所能探測(cè)到的信號(hào)情況示意圖

為解決上述技術(shù)問題，我們提出一種基于微波光子相干轉(zhuǎn)換裝置和平衡零拍探測(cè)器的微波接收機(jī)。

這里所用的微波光子相干轉(zhuǎn)換裝置原理如圖2所示。微波與腔的耦合以LC震蕩電路為媒介，光波與腔的耦合以F-P光學(xué)腔的形式實(shí)現(xiàn)。微波與光波的共振模式都會(huì)對(duì)同一個(gè)機(jī)械腔產(chǎn)生作用，通過機(jī)械腔的“傳導(dǎo)”，微波與光波最終可實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。整個(gè)系統(tǒng)的哈密頓量可寫為：

圖2 微波光子轉(zhuǎn)換原理示意圖

其中H0，HE，HM，為機(jī)械、微波和光學(xué)諧振子的哈密頓量。后面兩項(xiàng)分別為光學(xué)-機(jī)械相互作用和微波-機(jī)械相互作用。gOM，gEM分別為對(duì)應(yīng)的耦合系數(shù)。由此可以看出，微腔中實(shí)現(xiàn)的微波頻率轉(zhuǎn)換是相干保持的，因此可以作為量子態(tài)頻率轉(zhuǎn)換的一種技術(shù)手段，不會(huì)失去量子特性。

基于以上原理，已有文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)了微波到光子的相干轉(zhuǎn)換裝置。其中有研究小組基于磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微波光子相干轉(zhuǎn)換。我們基于這種原理的微波光子轉(zhuǎn)換裝置，在后端引入平衡零拍探測(cè)器對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。

平衡零拍探測(cè)是光學(xué)中特有的探測(cè)方法，其提供了一種可以將信號(hào)從噪聲中提取出來的方法。平衡零拍探測(cè)利用本振光與信號(hào)光干涉，可以將信號(hào)放大，并可以壓制熱噪聲等，從而可以探測(cè)到量子漲落，其廣泛應(yīng)用于量子信息中的連續(xù)變量編碼體系的研究中。原理如圖3所示。利用此方法可突破上述熱噪聲對(duì)接收機(jī)靈敏度的限制。其中信號(hào)光和本振光具有固定的相位差，經(jīng)過分束器干涉后，經(jīng)PIN光電探測(cè)器1和探測(cè)器2轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，之后兩路電信號(hào)進(jìn)行差分，最終經(jīng)過放大器等電子學(xué)處理得到最終的輸出信號(hào)。

圖3 平衡零拍探測(cè)器原理

整體的微波接收機(jī)系統(tǒng)如圖4所示，微波射頻信號(hào)經(jīng)過微波天線等進(jìn)行電子學(xué)預(yù)處理后，進(jìn)入上述微波光子轉(zhuǎn)換裝置，被相干地轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。這種轉(zhuǎn)換裝置保留了微波的所有信息，包括極易被環(huán)境退相干的量子信息。之后光信號(hào)進(jìn)入平衡零拍探測(cè)器中，與本振光進(jìn)行干涉后進(jìn)入兩個(gè)探測(cè)器，兩個(gè)探測(cè)器的差分信號(hào)即最終得到的輸出信號(hào)。

圖4 高靈敏度微波接收機(jī)系統(tǒng)

我們利用高效率微波光子轉(zhuǎn)換裝置，將信號(hào)微波和本振微波分別相干轉(zhuǎn)換為光子，再利用光學(xué)中的平衡零拍探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于微波信號(hào)的靈敏度至少為108個(gè)微波光子，對(duì)應(yīng)靈敏度功率約為-120dBm，即靈敏度相對(duì)于電子學(xué)方法靈敏度提升1-3個(gè)量級(jí)。同時(shí)熱噪聲被平衡零拍探測(cè)器抑制，大幅提高微波接收機(jī)的信噪比。