一種基于微波光子轉換和平衡零拍探測的高靈敏度微波接收機

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現有的雷達或微波接收機基本采用電子學方法對信號進行處理。雷達噪聲主要分為兩大部分，第一種是接收機內部器件產生的噪聲，包括放大器、混頻器產生的噪聲，第二種是由天線進入接收機的各種干擾和天線熱噪聲。這里重點討論熱噪聲，雷達接收機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，由導體中自由電子的無規則熱運動形成，又被稱為Johnson-Nyquist噪聲。雷達的靈敏度可以用接收機輸入端最小可檢測功率Simin。對于基于電子學方法的雷達接收機來說，靈敏度可由下式計算得出：

其中k為玻爾茲曼常數，T為電阻溫度，Bn為濾波帶寬，F為接收機噪聲系數。

在室溫下T取290K，此時上式可簡化為：

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

量子光學在光波段的探測技術日趨成熟，目前已經有雪崩二極管單光子探測器（APD），平衡零拍探測器等。其中平衡零拍探測器利用本振光對信號光進行放大，可探測到信號的量子抖動，一般應用于連續變量量子信息光學實驗中，典型如連續變量量子密鑰分配等。其靈敏度可到百光子量級，并且由于對兩路輸出信號進行差分，熱噪聲等隨機噪聲會被抑制，從而大幅提高信噪比。

針對上述基于電子學技術的雷達接收機靈敏度無法突破熱噪聲限制的問題，我們利用量子光學中微波光子相干轉換技術，結合平衡零拍探測技術進行探測的方法，使得接收機靈敏度和信噪比大幅提高。具體問題如圖1所示，圖1(a)為一般雷達接收機的情況，即信號功率必須大于本底噪聲才能被有效探測。圖1(b)為我們的接收機或微波探測器的情況，即最小可探測信號功率比噪聲功率更小。這是由于平衡零拍探測器對兩路信號進行差分，熱噪聲等隨機噪聲會被抑制，在電子學方法中無法做到這一點。電子學中的提高信噪比一般屬于濾波來抑制濾波帶寬外噪聲，濾波帶寬內的噪聲仍然無法濾除。

圖1 (a)電子學雷達接收機所能探測到的信號情況；(b)與本方案所能探測到的信號情況示意圖

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

這里所用的微波光子相干轉換裝置原理如圖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光學腔的形式實現。微波與光波的共振模式都會對同一個機械腔產生作用，通過機械腔的“傳導”，微波與光波最終可實現頻率轉換。整個系統的哈密頓量可寫為：

圖2 微波光子轉換原理示意圖

其中H0，HE，HM，為機械、微波和光學諧振子的哈密頓量。后面兩項分別為光學-機械相互作用和微波-機械相互作用。gOM，gEM分別為對應的耦合系數。由此可以看出，微腔中實現的微波頻率轉換是相干保持的，因此可以作為量子態頻率轉換的一種技術手段，不會失去量子特性。

基于以上原理，已有文獻實現了微波到光子的相干轉換裝置。其中有研究小組基于磁光效應實現微波光子相干轉換。我們基于這種原理的微波光子轉換裝置，在后端引入平衡零拍探測器對微波信號進行探測。

平衡零拍探測是光學中特有的探測方法，其提供了一種可以將信號從噪聲中提取出來的方法。平衡零拍探測利用本振光與信號光干涉，可以將信號放大，并可以壓制熱噪聲等，從而可以探測到量子漲落，其廣泛應用于量子信息中的連續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接收機靈敏度的限制。其中信號光和本振光具有固定的相位差，經過分束器干涉后，經PIN光電探測器1和探測器2轉化為電信號，之后兩路電信號進行差分，最終經過放大器等電子學處理得到最終的輸出信號。

圖3 平衡零拍探測器原理

整體的微波接收機系統如圖4所示，微波射頻信號經過微波天線等進行電子學預處理后，進入上述微波光子轉換裝置，被相干地轉換為光信號。這種轉換裝置保留了微波的所有信息，包括極易被環境退相干的量子信息。之后光信號進入平衡零拍探測器中，與本振光進行干涉后進入兩個探測器，兩個探測器的差分信號即最終得到的輸出信號。

圖4 高靈敏度微波接收機系統

我們利用高效率微波光子轉換裝置，將信號微波和本振微波分別相干轉換為光子，再利用光學中的平衡零拍探測器進行探測。整個系統對于微波信號的靈敏度至少為108個微波光子，對應靈敏度功率約為-120dBm，即靈敏度相對于電子學方法靈敏度提升1-3個量級。同時熱噪聲被平衡零拍探測器抑制，大幅提高微波接收機的信噪比。