CN110702238B - 高速脉冲时域平衡零拍探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可探测高重复速率纳秒脉冲光场的时域平衡零拍探测装置，包括光电二极管，可调电容，低频高通滤波器，电荷积分放大器，RLC高通滤波器，放大器，整形电路，可应用于量子光学和量子信息处理等领域。本发明通过在光电二极管两端并联可调电容，当光电二极管偏置电压不能完全补偿脉冲光相位差情况下，有效补偿残余的相位差。在电荷积分放大器反馈回路采用特殊电路板设计，有效抑制了电路焊盘所产生的寄生电容，提高了探测器的信噪比。
Description
技术领域
本发明属于连续变量量子密钥分发系统，具体涉及一种用于在接收端测量高重复速率脉冲信号光场正交分量的高速脉冲时域平衡零拍探测装置。
背景技术
时域脉冲平衡零拍探测器是量子通信和量子层析等量子信息领域重要的测量器件之一。它的输出脉冲电压峰值正比于被探测脉冲光场的正交分量，可以方便直接测量脉冲光场的正交分量，而无需数据后处理。在连续变量量子密钥分发系统中，探测器主要用来在接收端测量发送端经由量子通道发送的加载有密钥信息的信号光脉冲的正交分量，得到密钥信息。由于安全密钥率和信号光脉冲的重复速率成正比，为了提高系统成码率，要求探测器能够测量高重复速率的脉冲光信号，并且足够灵敏，信噪比高，具有较强的稳定性。
文献“Ultrasensitive pulsed,balanced homodyne detector:application totime-domain quantum measurements,Opt.Lett.26.1714(2001)”报道了一种基于前置电荷积分放大器的时域脉冲平衡零拍探测器，其光电流差信号会在电荷放大器A250内置的反馈电容处积分，可测量脉冲的重复速率达1MHz。文献“Ultrastable fiber-based time-domain balanced homodyne detector for quantum communication,Chin.Phys.Lett.29.124202(2012)”报道的探测器可测量脉冲重复速率提高到2MHz。
由以上文献可看出对于基于前置电荷放大器的平衡零拍探测器，光电流差信号会在电荷放大器的反馈电容处积分，此时输出脉冲的峰值将正比于光场的正交分量，既简化数据处理，并且适用于纳秒脉冲光场的连续变量量子密钥分发系统，但目前此类探测器可测脉冲重复速率限制在MHz水平，带宽低，会对量子密钥分发系统的密钥率造成严重限制。
由于光纤分束器两尾纤臂以及光电二极管尾纤长度并非严格等长，导致探测器两臂光场相位偏差，使得探测器共模抑制比降低。若其中一臂插入光延迟器，会引起两臂的插入损耗不平衡，文献“Balanced homodyne detection with high common mode rejectionratio based on parameter compensation of two arbitrary photodiodes,Opt.Express.23.023859(2015)”提出通过增加微分微调电路和调制偏置电压电路来补偿串联电阻和等效电容的不平衡。然而该方法只适用于两个光电二极管等效电容差别较小时的情形，无法克服等效电容较大差别时引起的光电流相位差。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种能够测量高重复速率纳秒脉冲光场的基于电荷积分放大器的高速脉冲时域平衡零拍探测装置，具有信噪比高、可有效调节高速光脉冲相位差、稳定性强的特点，可应用于量子光学、量子通信领域所需的高速纳秒脉冲光场正交分量的测量。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
一种高速脉冲时域平衡零拍探测装置，包括光电二极管，可调电容，低频高通滤波器，电荷积分放大器，RLC高通滤波器，放大器，整形电路和封闭金属盒；所述光电二极管有两个，在两个光电二极管的两端分别并联一个可调电容；两个光电二极管相减后的电流信号经过由RC组成的低频高通滤波器，提取出携带有光场量子态信息的信号；之后连接电荷积分放大器，电脉冲信号在电荷积分放大器中的反馈电容Cf处进行积分；积分后的信号通过RLC高通滤波器滤除掉低频成分，使积分后的电脉冲信号下降时间达到ns量级；之后再通过放大器放大信号；最后经过整形电路将放大后的电脉冲整形成高斯型脉冲信号。所述光电二极管，可调电容，低频高通滤波器，电荷积分放大器，RLC高通滤波器，放大器和整形电路置于封闭金属盒中。
进一步，所述的可调电容可调节的电容范围值为0.1pF至2pF。通常高速光电二极管的结电容为pF量级，通过调节并联电容0.1pF至2pF即可实现结电容不一致的补偿，进一步实现光电流相位的同步。
再进一步，所述的低频高通滤波器的低频截止频率为百赫兹量级，其中的R1值在兆欧姆量级。
更进一步，所述的电荷积分放大器的反馈电阻Rf由三个电阻串联而成，并且将与每个电阻上两个引脚连接的两个焊盘之间的电路板打孔断开；反馈电容Cf由电路板焊盘自身的寄生电容提供，具体为将两两成一组的两个焊盘之间的电路板打孔断开，共断开三组，将三组焊盘串联构成反馈电容Cf，其电容值为0.2pF。积分后输出信号电压峰值为Q/Cf，其中Q为单个脉冲总电荷量，即可看出信号值与Cf成反比，因此，Cf越小，信号越大。同时，Cf的减小不仅会提高高频信号，同时也会使低频噪声增加，但对于信号的增加比噪声增加更明显，因此可以提高信噪比。
更进一步，所述的电荷积分放大器和RLC高通滤波器之间通过50欧姆的电阻连接。可以有效消除电信号的振荡。
更进一步，所述的整形电路为九阶π型巴特沃斯型低通滤波器，可以将电脉冲整形为近高斯型电脉冲。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明通过在光电二极管两端并联可调电容，在通过调节光电二极管两端的偏置电压后仍然不能补偿相位差的情况下，通过调节并联电容值，可以调节光电二极管的两臂响应时间，等效于改变光纤的输出臂长，来进一步补偿相位差，不需要光纤延迟器或光纤熔接等，并且当两臂的光功率变化时，光场相位受到的影响较小，探测器的稳定性好；
2、可测量脉冲重复速率与信噪比是高速脉冲时域平衡零拍探测器的两个关键指标，本发明在不影响探测速率的情况下，通过以电路板的寄生电容作为反馈电容，并将电容连接处的焊盘断开降低反馈电容Cf的容值，在重复速率40MHz的情况下，将电荷积分放大器的反馈电容从0.7pF降低至0.2pF，有效将探测器的信噪比提高了4.5dB。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明并联电容对相位影响测试图；
图3为本发明探测装置线性响应测试结果图；
图4为本发明反馈电阻Rf和反馈电容Cf的结构示意图；
图中光电二极管—1、可调电容—2、低频高通滤波器—3、电荷积分放大器—4、RLC高通滤波器—5、放大器—6、整形电路—7、封闭金属盒—8、电路板—9、反馈电阻Rf—10、反馈电容Cf—11、焊盘—12、中间断孔—13、电阻—14。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种高速脉冲时域平衡零拍探测装置，包括光电二极管1，可调电容2，低频高通滤波器3，电荷积分放大器4，RLC高通滤波器5，放大器6，π型巴特沃斯型的九阶低通滤波器7和封闭金属盒8；所述光电二极管1采用暗电流噪声低、-3dB带宽达6GHz以上的铟砷化镓光电二极管，选取量子效率和脉冲响应曲线相近的两个光电二极管。脉冲光源为重复速率40MHz，脉宽3纳秒的1550纳米单频激光，信号光场和本地光场输入50/50光纤耦合器中，干涉后两臂的输出分别接入两个光电二极管1，光信号转换为电信号进行相减，之后通过由RC组成的低频高通滤波器3，提取出携带有光场量子态信息的电信号；之后连接电荷积分放大器4，电信号在反馈电容Cf处进行积分；积分后的电信号通过60MHz截止频率的RLC高通滤波器5滤除掉低频成分，使积分后的脉冲信号下降时间达到ns量级；有效提高可探测脉冲重复速率，之后再通过放大器6放大电信号；最后经过π型巴特沃斯型的九阶低通滤波器7将放大后的电脉冲整形成高斯型脉冲信号。最终输出正比于脉冲信号光场正交分量的电脉冲信号，即真空起伏噪声。
由于50/50光纤耦合器输出两臂光程差不等，且两个光电二极管1的响应有差异，使得两臂存在相位差。单个光电二极管1产生的电信号相位如式(1)所示：
式中Rs是光电二极管等效串联电阻，R是光电二极管等效负载电阻，ω为分析频率，Cd代表光电二极管的结电容。由此公式可看出，在Rs和R一定的情况下，改变光电二极管1的结电容可以有效的调节两臂的相位差。改变结电容有两种方法，其一，可以通过调节光电二极管1两端的偏压，当调节范围为5-10V时，结电容的改变量级约为十分之一皮法。其二，通过在光电二极管1两端并联电容，进而改变两个光电二极管1的相对相位，可实现较大范围两臂不等的相位差补偿。图2-a为偏置电压调节最佳值时，探测器输出的真空起伏噪声，由于相位差没有完全被补偿，探测器输出迹线不平坦，且真空起伏左右不对称。
通过将两个光电二极管1中的两端并联一个0.1pF至2pF的可调电容，在不降低信噪比的基础上，可实现完全的相位差补偿。此时，光脉冲真空起伏噪声如图2-b所示。
在电荷积分放大器4与RLC高通滤波器5两者中间串联50欧姆电阻，可以有效的消除电信号振荡。
电荷积分放大器4采用低输入噪声的ADA4817，将积分反馈电容外置，可降低反馈电容值有效提高信噪比。电路板上的相关元器件主要采用贴片封装，如图4所示，在电荷积分放大器的反馈电容Cf和反馈电阻Rf处采用特殊设计，即反馈电阻Rf由三个电阻串联而成，并且将与每个电阻的两个引脚连接的两个焊盘之间的电路板打孔断开；反馈电容Cf由电路板焊盘自身的寄生电容提供，具体为将两两成一组的两个焊盘之间的电路板打孔断开，共断开三组，将三组焊盘串联构成反馈电容Cf，其电容值为0.2pF。
为降低电子学噪声，提高探测装置稳定性和紧凑性，将光电二极管1，可调电容2，低频高通滤波器3，电荷积分放大器4，RLC高通滤波器5，放大器6和π型巴特沃斯型的九阶低通滤波器7组装到一个PCB电路板上，置于封闭金属盒8内，将电路板的地线接金属外壳，可以起到隔离外界电磁干扰的作用。
图3所示为真空场的噪声起伏方差随本地光功率的变化曲线。本地光场为重复速率40MHz的单频光脉冲信号，信号光场为真空光场。由图3可以看出，真空起伏方差随本地光功率增加呈线性增长，说明高速脉冲时域平衡零拍探测装置能够正常工作。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种高速脉冲时域平衡零拍探测装置，其特征在于：包括光电二极管(1)，可调电容(2)，低频高通滤波器(3)，电荷积分放大器(4)，RLC高通滤波器(5)，放大器(6)，整形电路(7)和封闭金属盒(8)；所述光电二极管(1)有两个，在两个光电二极管(1)的两端分别并联一个可调电容(2)；两个光电二极管(1)相减后的电脉冲信号经过由RC组成的低频高通滤波器(3)，提取出携带有光场量子态信息的信号；之后连接电荷积分放大器(4)，电脉冲信号在电荷积分放大器(4)中的反馈电容Cf处进行积分；积分后的信号通过RLC高通滤波器(5)滤除掉低频成分，使积分后的电脉冲信号下降时间达到ns量级；之后再通过放大器(6)放大电脉冲信号；最后经过整形电路(7)将放大后的电脉冲整形成高斯型脉冲信号，所述光电二极管(1)，可调电容(2)，低频高通滤波器(3)，电荷积分放大器(4)，RLC高通滤波器(5)，放大器(6)和整形电路(7)置于封闭金属盒(8)中。
2.根据权利要求1所述的一种高速脉冲时域平衡零拍探测装置，其特征在于：所述的可调电容(2)可调节的电容范围值为0.1pF至2pF。
3.根据权利要求1所述的一种高速脉冲时域平衡零拍探测装置，其特征在于：所述的低频高通滤波器(3)的低频截止频率为百赫兹量级，其中的R1值在兆欧姆量级。
4.根据权利要求1所述的一种高速脉冲时域平衡零拍探测装置，其特征在于：所述的电荷积分放大器(4)的反馈电阻Rf由三个电阻串联而成，并且将与每个电阻的两个引脚连接的两个焊盘之间的电路板打孔断开；反馈电容Cf由电路板焊盘自身的寄生电容提供，具体为将两两成一组的两个焊盘之间的电路板打孔断开，共断开三组，将三组焊盘串联构成反馈电容Cf，其电容值为0.2pF。
5.根据权利要求1所述的一种高速脉冲时域平衡零拍探测装置，其特征在于：所述的电荷积分放大器(4)和RLC高通滤波器(5)之间通过50欧姆的电阻连接。
6.根据权利要求1所述的一种高速脉冲时域平衡零拍探测装置，其特征在于：所述的整形电路(7)为九阶π型巴特沃斯型低通滤波器。
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