CN105157829B - 一种低频平衡零拍光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低频平衡零拍光电探测器，可用于探测激光在频率为50Hz‑200kHz处的量子噪声，测量非经典光场在此频段的压缩噪声谱。该探测器包括具有较高量子效率的第一PIN光电二极管(1)、第二PIN光电二极管(2)，交流耦合电容(3)，低频跨阻放大电路(4)，直流取样电阻(5)，直流同向比例放大电路(6)。该光电探测器交流输出具有高增益、低噪声、高共模抑制比等优点,同时具有直流输出，可同时监测光强变化。

Description

一种低频平衡零拍光电探测器

技术领域

本发明涉及光电探测器，具体涉及量子光学实验中的平衡零拍光电探测器，具体是一种用于测量激光在低频处的噪声和测量非经典光场在低频处的压缩的光电探测器。

背景技术

对激光光场量子噪声的探测一直以来都需要低噪声、高增益探测器。而大多数激光器所产生的激光，受弛豫振荡的影响，在低频处都有较大的经典噪声，该经典噪声随频率增加而减小，当分析频率大于大约2MHz时，经典噪声基本可以忽略。所以一般进行量子噪声探测的探测器带宽为2MHz到20MHz之间，而对于低频探测器的研究相对较少。随着压缩态光场制备方法的成熟，输出光场的压缩度也被逐渐提高，人们期望可以将低噪声的压缩态光场应用于更加广泛的研究领域。由于地球引力波等的信号弱于相干光的量子噪声极限，只能利用低于量子噪声极限的压缩态光场进行测量，而引力波的噪声频率一般在Hz-kHz量级，传统平衡零拍探测器无法在这个频率范围进行测量，因此必须使用低频范围的低噪声平衡零拍探测器进行测量。随着激光技术的发展，现在大家通过对激光的优化和处理，如在外光路加上Niose eater，就可以降低甚至消除激光中的低频经典噪声，也使得低频处的压缩产生及应用成为可能。

发明内容

本发明的目的在于针对非经典光场的压缩在低频处的噪声测量问题提供一种具有高增益、低噪声、高信噪比、高共模抑制比的平衡零拍光电探测器，以实现对激光频率为50Hz-200kHz处噪声的探测。

本发明提供的低频平衡零拍光电探测器采用如下技术方案实现的：一种低频平衡零拍光电探测器，包括第一PIN光电二极管、第二PIN光电二极管，第一PIN光电二极管的负极接+12v电压，正极与第二PIN光电二极管负极相连，结点为a，光电二极管的正极接-12v电压；交流耦合电容一端连接跨阻放大电路的反向输入端，一端与结点a相连；跨阻放大电路的输出端连接BNC头输出；取样电阻一端接地，一端与结点a相连；直流同向比例放大电路同向输入端经输入电阻与结点a相连；当光场入射到第一PIN光电二极管、第二PIN光电二极管后，光电二极管将光信号转换成相对应的电流信号，电流信号经交流电容和取样电阻分成交流信号和直流信号两部分；所述交流信号频率大于50Hz；交流信号经交流耦合电容，再经跨阻放大电路由AC端输出；直流信号经取样电阻获得电压信号，再经直流同向比例放大电路放大，由DC端输出。

进一步的，所述的第一PIN光电二极管和第二PIN光电二极管，为量子效率较高的光电二极管，在600nm-1000nm波段时采用S3883,PC20-7或S5971；在1000nm-1550nm波段时采用FD500w或ETX500。

进一步的，所述的跨阻放大电路包括TI公司生产跨阻放大芯片OPA657；47uf交流耦合电容与其引脚2相连；放大芯片OPA657的引脚3接地；放大芯片OPA657的引脚2与引脚6之间连接有0.5pf反馈电容C6和1MΩ跨阻R5，同时引脚6接50欧姆电阻输出；放大芯片OPA657的引脚4和引脚7分别接经过旁路滤波和去耦的-5V、+5V电源。

进一步的，所述的直流放大电路包括低噪声低偏置放大芯片OP27，放大芯片OP27引脚3连接有20kΩ电阻R4和2kΩ电阻R2，电阻R4另一端接在结点a；放大芯片OP27引脚2连接有一个接地的2kΩ电阻R3，并且引脚2与引脚6之间连接有20kΩ反馈电阻R6，引脚6再连接接地的50Ω电阻R8和1kΩ电阻R10输出；放大芯片OP27引脚4、7分别接-12V、+12V经过旁路滤波的电源。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：

现有的平衡零拍探测器，带宽一般为1MHz以上，而很少有kHz量级的平衡零拍探测器。由于光电流的直流信号与交流的量子噪声强度差距非常大，所以不能同时将交流直流放大，这样会严重影响饱和功率，因此我们选择交流直流分开，并分别放大。由于在低频处难以将光电流交流信号分离，随着频率降低，其信噪比将越差，所以我们选择50Hz以上频率。

在带宽为50Hz到1kHz之间，该探测器具有极高的信噪比和共模抑制比，共模抑制比在40dB以上。并且该平衡零拍探测器，同时可测量1kHz到200kHz的量子噪声，在低频和中频都具有很好的效果。

本发明直流放大电路运用电阻R2和R4，有效的降低因放大芯片OP27自身输入电压和输入电流噪声对交流放大电路的影响，从而提高了交流放大的信噪比。

附图说明

图1本发明所述低频平衡零拍光电探测器的原理示意图。

图2本发明所述低频平衡零拍光电探测器的电路图。

图3本发明应用于光场平衡零拍探测的工作原理图。

图1-3中：1-PIN光电二极管，2-PIN光电二极管，3-交流耦合电容，4-交流跨阻放大电路、5-直流取样电阻，6-直流放大电路，7-光学斩波器，8-λ/2波片，9-PBS棱镜，10-低频平衡零拍光电探测器，11-频谱分析仪，12-示波器。

图4本发明所述低频平衡零拍光电探测器在不同光功率下的输出功率谱。

图5本发明所述低频平衡零拍光电探测器加斩波调制后，入射单个和两个光电二极管的输出功率谱。

图6本发明所述低频平衡零拍光电探测器1kHz带宽内的共模抑制比。

图7本发明所述低频平衡零拍光电探测器在1-200kHz的输出功率谱。

具体实施方式

图1所示的是本发明所述的低频平衡零拍光电探测器的原理示意图，可用于探测激光分析频率在50Hz-200kHz之间的噪声和测量非经典光场在这频率段的压缩噪声谱，同时还可监测光强的变化。具体是基于一种低噪声跨阻放大芯片，将光电流信号经跨阻放大转换为电压信号。包括第一PIN光电二极管1、第二PIN光电二极管2，交流耦合电容3，交流跨阻放大电路4，直流取样电阻5，直流放大电路6。该光电探测器交流放大具有高增益、低噪声、高共模抑制比、高饱和光功率等优点,同时具有直流输出，可同时监测光强变化。

本实施方式交流放大电路4所采用的芯片是一款低噪声、高增益带宽积放大芯片OPA657。第一、第二PIN光电二极管均选用高量子效率的光电二极管。具有高量子效率的光电二极管能减小压缩光的损耗，在一定程度上提高测量得到的非经典光场的压缩度，我们采用S5971光电二极管测量852nm的激光，FD500w光电二极管测量1342nm激光。由于交直流分开放大，所以具有较高的饱和光功率。

图2是本探测器的电路图。其中该电路采用正负12伏供电，光电二极管均反偏，两光电二极管相连的结点为a，结点a再分别与47uf交流耦合电容3、直流取样电阻R1、直流放大电路输入电阻R4相连。交流跨阻放大电路的跨阻R5为1MΩ，反馈电容C6为0.5pf，输出电阻R7为50Ω。直流放大电路6为同向比例放大电路，放大器同向端接有20kΩ电阻R4和2kΩ电阻R2。直流信号经2kΩ取样电阻R1，得到直流电压，再经R4，R2分压，进入运放OP27放大，这样可以有效防止OP27的噪声影响交流信号，其中R3为2kΩ，R6为20kΩ。放大的信号再经1kΩ电阻R10输出。

图3所示的是实验中检测平衡零拍探测器性能的原理示意图。其中7为光学斩波器，可用于在低频处粗略调制光的频率，在测量共模抑制比时打开；8为λ/2波片，9为PBS分束棱镜，他们组合起来可调节PBS分束棱镜后两束光的光强；10为低频平衡零拍光电探测器，用于探测两束光强的交流直流特性；11为频谱分析仪，用于观测输出的交流信号在不同频率上的功率谱。12为示波器，用于检测两个光电二极管产生的光电流相减后的直流变化情况。

将光路搭好后，我们调节λ/2波片8，使PBS后的两束光光功率相同，此时我们可观察示波器12的变化，如示波器为直线，且平均值与挡光时相同，则表明已平衡。接下来逐步增加光功率，通过频谱分析仪11，我们可以得到不同光功率下的输出功率谱。

为测量探测器的共模抑制比，我们打开光学斩波器7，设置斩波频率，将光束调平衡后在频谱仪11上记录数据，再将通过调节λ/2波片8，使光束全在一条光束上，而另一条几乎没有，并记录此时频谱仪的数据，从而得到探测器的共模抑制比。

图4是本发明光电探测器在852nm激光不同光功率下的输出功率谱。谱线从下之上依次为谱仪噪声，探测器电子学噪声，输入光功率依次为80uw，160uw，420uw，640uw，1.6mw的功率谱。

图5是本发明光电探测器在光上加入500Hz斩波测得的共模抑制比。图5中上面的谱线为激光只入射一个光电二极管时测得的功率谱，下面的谱线为在总光功率相同的条件下，旋转λ/2波片8，使两光电二极管的入射光功率相同所测得的功率谱。在500Hz处，其共模抑制比约为47.3dB。

图6是用在1kHz内具有较高经典噪声的1342nm激光，所测的在1kHz内的共模抑制比。图6中上面的谱线为激光只入射一个光电二极管时测得的功率谱，下面的谱线为在总光功率相同的条件下，旋转λ/2波片8，使两光电二极管的入射光功率相同所测得的功率谱。由于该激光在频率为1kHz内都具有较高的经典噪声，所以我们选择其作为测量整个带宽内的共模抑制比的光源，不足之处是每个频率点处的功率有所差别。但我们仍然可以看出在整个带宽内，其共模抑制比在40dB以上。

图7是本探测器分析频率在1-200kHz内的输出功率谱。该谱线为用1342nm激光在入射功率分别为140uw、1.7mw时所测的输出功率谱，其中最下面一条为电子学噪声，可以看出，当入射功率为140uw时，谱线比电子学噪声高11dB，当入射功率为1.7mw时谱线比电子学噪声高22dB。所以在1-200kHz带宽内，该探测器同样具有很高信噪比，符合实验要求。

Claims (4)

1.一种低频平衡零拍光电探测器，其特征在于，包括第一PIN光电二极管(1)、第二PIN光电二极管(2)，第一PIN光电二极管(1)的负极接+12v电压，正极与第二PIN光电二极管(2)负极相连，结点为a，第二PIN光电二极管(2)的正极接-12v电压；交流耦合电容(3)一端连接跨阻放大电路(4)的反向输入端，一端与结点a相连；跨阻放大电路(4)的输出端连接BNC头输出；取样电阻(5)一端接地，一端与结点a相连；直流同向比例放大电路(6)同向输入端经输入电阻与结点a相连；当光场入射到第一PIN光电二极管(1)、第二PIN光电二极管(2)后，光电二极管将光信号转换成相对应的电流信号，电流信号经交流电容(3)和取样电阻(5)分成交流信号和直流信号两部分；所述交流信号频率大于50Hz；交流信号经交流耦合电容(3)，再经跨阻放大电路(4)由AC端输出；直流信号经取样电阻(5)获得电压信号，再经直流同向比例放大电路(6)放大，由DC端输出。

2.如权利要求1所述的低频平衡零拍光电探测器，其特征在于，所述的第一PIN光电二极管(1)和第二PIN光电二极管(2)，在600nm-1000nm波段时采用S3883、PC20-7或S5971；在1000nm-1550nm波段时采用FD500w或ETX500。

3.如权利要求1所述的低频平衡零拍光电探测器，其特征在于，所述的跨阻放大电路(4)包括跨阻放大芯片OPA657；交流耦合电容(3)与其引脚2相连；跨阻放大芯片OPA657的引脚3接地；放大芯片OPA657的引脚2与引脚6之间连接有0.5pf反馈电容C6和1MΩ跨阻R5，同时引脚6接50欧姆电阻输出；放大芯片OPA657的引脚4和引脚7分别接经过旁路滤波和去耦的-5V、+5V电源。

4.如权利要求1所述的低频平衡零拍光电探测器，其特征在于，所述的直流放大电路(6)包括放大芯片OP27，放大芯片OP27引脚3连接有20kΩ电阻R4和2kΩ电阻R2，电阻R4另一端接在结点a；放大芯片OP27引脚2连接有一个接地的2kΩ电阻R3，并且引脚2与引脚6之间连接有20kΩ反馈电阻R6，引脚6再连接接地的50Ω电阻R8和1kΩ电阻R10输出；放大芯片OP27引脚4、7分别接-12V、+12V经过旁路滤波的电源。