一种基于微波光子转换和平衡零拍探测的高灵敏度微波接收机

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现有的雷达或微波接收机基本采用电子学方法对信号进行处理。雷达噪声主要分为两大部分，第一种是接收机内部器件产生的噪声，包括放大器、混频器产生的噪声，第二种是由天线进入接收机的各种干扰和天线热噪声。这里重点讨论热噪声，雷达接收机的灵敏度主要受热噪声限制。其主要来源于天线电阻中的热噪声，由导体中自由电子的无规则热运动形成，又被称为Johnson-Nyquist噪声。雷达的灵敏度可以用接收机输入端最小可检测功率Simin。对于基于电子学方法的雷达接收机来说，灵敏度可由下式计算得出：

其中k为玻尔兹曼常数，T为电阻温度，Bn为滤波带宽，F为接收机噪声系数。

在室温下T取290K，此时上式可简化为：

对于典型的雷达接收机，F=6dB，Bn=1.8MHz时，则其灵敏度约为-105.4dBm。采用低噪声放大器的雷达接收机F可以到2dB左右，此时灵敏度-109.4dBm。一般的超外差接收机灵敏度在-90——--110dBm。

量子光学在光波段的探测技术日趋成熟，目前已经有雪崩二极管单光子探测器（APD），平衡零拍探测器等。其中平衡零拍探测器利用本振光对信号光进行放大，可探测到信号的量子抖动，一般应用于连续变量量子信息光学实验中，典型如连续变量量子密钥分配等。其灵敏度可到百光子量级，并且由于对两路输出信号进行差分，热噪声等随机噪声会被抑制，从而大幅提高信噪比。

针对上述基于电子学技术的雷达接收机灵敏度无法突破热噪声限制的问题，我们利用量子光学中微波光子相干转换技术，结合平衡零拍探测技术进行探测的方法，使得接收机灵敏度和信噪比大幅提高。具体问题如图1所示，图1(a)为一般雷达接收机的情况，即信号功率必须大于本底噪声才能被有效探测。图1(b)为我们的接收机或微波探测器的情况，即最小可探测信号功率比噪声功率更小。这是由于平衡零拍探测器对两路信号进行差分，热噪声等随机噪声会被抑制，在电子学方法中无法做到这一点。电子学中的提高信噪比一般属于滤波来抑制滤波带宽外噪声，滤波带宽内的噪声仍然无法滤除。

图1 (a)电子学雷达接收机所能探测到的信号情况；(b)与本方案所能探测到的信号情况示意图

为解决上述技术问题，我们提出一种基于微波光子相干转换装置和平衡零拍探测器的微波接收机。

这里所用的微波光子相干转换装置原理如图2所示。微波与腔的耦合以LC震荡电路为媒介，光波与腔的耦合以F-P光学腔的形式实现。微波与光波的共振模式都会对同一个机械腔产生作用，通过机械腔的“传导”，微波与光波最终可实现频率转换。整个系统的哈密顿量可写为：

图2 微波光子转换原理示意图

其中H0，HE，HM，为机械、微波和光学谐振子的哈密顿量。后面两项分别为光学-机械相互作用和微波-机械相互作用。gOM，gEM分别为对应的耦合系数。由此可以看出，微腔中实现的微波频率转换是相干保持的，因此可以作为量子态频率转换的一种技术手段，不会失去量子特性。

基于以上原理，已有文献实现了微波到光子的相干转换装置。其中有研究小组基于磁光效应实现微波光子相干转换。我们基于这种原理的微波光子转换装置，在后端引入平衡零拍探测器对微波信号进行探测。

平衡零拍探测是光学中特有的探测方法，其提供了一种可以将信号从噪声中提取出来的方法。平衡零拍探测利用本振光与信号光干涉，可以将信号放大，并可以压制热噪声等，从而可以探测到量子涨落，其广泛应用于量子信息中的连续变量编码体系的研究中。原理如图3所示。利用此方法可突破上述热噪声对接收机灵敏度的限制。其中信号光和本振光具有固定的相位差，经过分束器干涉后，经PIN光电探测器1和探测器2转化为电信号，之后两路电信号进行差分，最终经过放大器等电子学处理得到最终的输出信号。

图3 平衡零拍探测器原理

整体的微波接收机系统如图4所示，微波射频信号经过微波天线等进行电子学预处理后，进入上述微波光子转换装置，被相干地转换为光信号。这种转换装置保留了微波的所有信息，包括极易被环境退相干的量子信息。之后光信号进入平衡零拍探测器中，与本振光进行干涉后进入两个探测器，两个探测器的差分信号即最终得到的输出信号。

图4 高灵敏度微波接收机系统

我们利用高效率微波光子转换装置，将信号微波和本振微波分别相干转换为光子，再利用光学中的平衡零拍探测器进行探测。整个系统对于微波信号的灵敏度至少为108个微波光子，对应灵敏度功率约为-120dBm，即灵敏度相对于电子学方法灵敏度提升1-3个量级。同时热噪声被平衡零拍探测器抑制，大幅提高微波接收机的信噪比。