CN111220858A - 一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法 - Google Patents

一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种量子Bell态探测器噪声等效功率(NEP)测量方法，适用于光电探测器以及激光雷达系统灵敏度的测量。在无光环境下，利用频谱分析仪对量子Bell态光电探测器噪声进行测量，然后对测量数据进行如下处理：测量待测光电探测器的输出噪声谱密度值；修正所测的输出噪声谱密度值；数据归一化处理；将所测得数据转换为NEP值。利用本发明开展量子Bell态探测器NEP测量试验，试验周期短，经济成本低；通过设置不同的测量带宽以及频谱分析仪的分辨率带宽，本发明可为不同型号的光电探测器定量分析计算NEP值与测量带宽之间函数关系，以及为激光雷达系统、量子探测系统标定其灵敏度。

Description

一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法
技术领域
本发明涉及量子Bell态探测器的测量，涉及一种量子Bell态探测器噪声等效功率(NEP)测量方法。
背景技术
由于量子压缩光的功率只有百微瓦量级，很容易被电子学噪声淹没。若要实现对压缩光的准确探测，首先需要对量子Bell态光电探测器探测微弱信号的能力有准确的评估。噪声等效功率(NEP)是评估光电探测器这一性能的首要指标。除此之外， NEP常常用于衡量激光雷达系统、量子雷达系统的极限探测能力。因此，利用NEP 来研究量子雷达光接收机的噪声问题，对光接收机进行优化设计，进而提高光接收机的灵敏度及极限探测能力。
目前，噪声等效功率的测量方法主要根据其定义来测量，它首先测量入射光功率P，测得光电探测器的输出电压为U0，然后挡住入射光，测得噪声电压为UN，最后按照比例计算，若要使U0＝UN，则得到入射光功率(噪声等效功率)为 NEP＝P(UN/U0)2(W)。该方案虽然测试速度快，但是只能得到一个NEP值，不能得到不同测量带宽下对应的准确NEP值，在很大程度上很难正确评估光电探测器或者量子雷达系统的探测性能。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法，可以获得不同测量带宽下对应的NEP值。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法采取技术方案如下：
一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法，在无光环境下，利用频谱分析仪对量子Bell态光电探测器噪声进行测量，包括如下步骤：
步骤一：测量待测量子Bell态光电探测器的输出噪声谱密度值和频谱分析仪的本底噪声；
步骤二：修正所测的输出噪声谱密度值并进行归一化处理；
步骤三：依据所测得归一化后的噪声谱密度值获得积分输出噪声功率；
步骤四：将积分输出噪声功率转换为NEP值。
进一步，所述步骤二修正所测的输出噪声谱密度值测量方法为：首先将测得的光电探测器的输出噪声谱密度值和频谱分析仪的本底噪声的的单位dBm换算成W，然后将光电探测器的输出噪声谱密度值减去频谱分析仪的本底噪声，所得到的数据为修正后的光电探测器输出噪声谱密度。
进一步，所述步骤二数据归一化处理的方法为：将修正后的输出噪声谱密度值除以频谱分析仪的分辨率带宽，完成归一化。
进一步，所述步骤三获得积分输出噪声功率的方法为：将归一化的数据乘以相邻两测量点之间的频率差，得到两测量点之间的积分功率；集合每频率点的积分功率，得到一条积分输出噪声功率Pout,NI与测量带宽的函数关系曲线。
进一步，所述步骤四将积分输出噪声功率转换为NEP值，包括如下步骤：
(1)按如下公式计算积分输出噪声电压Uout,NI：
Figure RE-GDA0001977355900000021
式中，RL是频谱分析仪的输入阻抗，其值一般为50Ω；
(2)按如下公式计算输入噪声电流Iin,NI：
Iin,NI＝Uout,NI/G；
式中，G为跨阻增益，单位为V/A；
(3)按如下公式计算积分输入噪声功率Pin,NI：
Figure RE-GDA0001977355900000022
式中，
Figure RE-GDA0001977355900000023
是最大的探测器响应率，单位为A/W；
(4)按如下公式计算噪声等效功率NEP：
Figure RE-GDA0001977355900000024
式中，BW为探测器带宽；
将每一个积分输出噪声功率值按步骤(1)到步骤(4)计算得到对应的NEP值，直到得到所测量频率范围内的所有值；完成NEP值与测量带宽的函数关系图。
本发明解决了尚未成熟的全频谱标定量子Bell态光电探测器NEP测量方法问题，完善量子Bell态光电探测器的性能参数，为准确检测量子压缩态以及量子雷达系统灵敏度打下基础。采用本发明方法能够准确得到量子Bell态光电探测器NEP值与测量带宽之间的函数关系，从而实现了光电探测器噪声的精确测量。本发明为量子雷达系统探测微弱信号能力的定量分析提供了有效的测量方案，因此该发明的实现具有广泛的应用前景和重要意义。
附图说明
图1为本发明测试得到的光电探测器NEP值与测量带宽之间的函数关系图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的测量方案进行具体说明。
本发明量子Bell态探测器噪声等效功率测量装置包括：双路输出直流稳压电源、量子Bell态光电探测器、频谱分析仪。
本发明提出一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法，包括以下步骤：
步骤一：测量待测量子Bell态光电探测器的输出噪声谱密度值：在无光环境下，利用频谱分析仪测量光电探测器的输出噪声谱密度值。
步骤二：测量频谱分析仪的本底噪声：首先要关闭探测器或者频谱分析仪的输入，此时所测得数据为频谱分析仪的本底噪声。
步骤三：修正所测的输出噪声谱密度值：首先将测得的光电探测器的输出噪声谱密度值和频谱分析仪的本底噪声的的单位dBm换算成瓦(W)，然后将光电探测器的输出噪声谱密度值减去频谱分析仪的本底噪声，所得到的数据为修正后的光电探测器输出噪声谱密度。
步骤四：数据归一化处理：依据测量带宽范围，选择合适的频谱分析仪的分辨率带宽，将修正后的输出噪声谱密度值除以频谱分析仪的分辨率带宽，完成归一化。
步骤五：依据所测得归一化后的噪声谱密度值获得积分输出噪声功率：将归一化的数据乘以相邻两测量点之间的频率差，得到两测量点之间的积分功率；集合每频率点的积分功率，得到一条积分输出噪声功率与测量带宽的函数关系曲线，其中，积分输出噪声功率的单位为W，符号表示为Pout,NI；
步骤六：将积分输出噪声功率转换为NEP值：
(1)按如下公式计算积分输出噪声电压Uout,NI：
Figure RE-GDA0001977355900000041
式中，RL是频谱分析仪的输入阻抗，其值一般为50Ω；
(2)按如下公式计算输入噪声电流Iin,NI：
Iin,NI＝Uout,NI/G； (2)
式中，G为跨阻增益，单位为V/A。
(3)按如下公式计算积分输入噪声功率Pin,NI：
Figure RE-GDA0001977355900000042
式中，
Figure RE-GDA0001977355900000043
是最大的探测器响应率，单位为A/W。
(4)按如下公式计算噪声等效功率NEP：
Figure RE-GDA0001977355900000044
式中，BW为探测器带宽；
将每一个积分输出噪声功率值按照式(1)到式(4)计算得到对应的NEP值，直到得到所测量频率范围内的所有值；完成NEP值与测量带宽的函数关系图如图1 所示，NEP值在不同的测量带宽具有不同的数值，随着测量带宽的增加呈现先上升后下降的趋势。
对比光电探测器所给出的标准NEP数值15.28pW/Hz1/2，利用本发明得到的NEP 峰值为14.32pW/Hz1/2，二者相差不大，测量结果与理论值相符合，这说明了该方案能够精确测量NEP值。

Claims (5)

1.一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法，其特征在于：在无光环境下，利用频谱分析仪对量子Bell态光电探测器噪声进行测量，包括如下步骤：
步骤一：测量待测量子Bell态光电探测器的输出噪声谱密度值和频谱分析仪的本底噪声；
步骤二：修正所测的输出噪声谱密度值并进行归一化处理；
步骤三：依据所测得归一化后的噪声谱密度值获得积分输出噪声功率；
步骤四：将积分输出噪声功率转换为噪声等效功率值。
2.如权利要求1所述的一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法，其特征在于：所述步骤二修正所测的输出噪声谱密度值测量方法为：首先将测得的光电探测器的输出噪声谱密度值和频谱分析仪的本底噪声的的单位dBm换算成W，然后将光电探测器的输出噪声谱密度值减去频谱分析仪的本底噪声，所得到的数据为修正后的光电探测器输出噪声谱密度。
3.如权利要求1所述的一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法，其特征在于：所述步骤二数据归一化处理的方法为：将修正后的输出噪声谱密度值除以频谱分析仪的分辨率带宽，完成归一化。
4.如权利要求1所述的一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法，其特征在于：所述步骤三获得积分输出噪声功率的方法为：将归一化的数据乘以相邻两测量点之间的频率差，得到两测量点之间的积分功率；集合每频率点的积分功率，得到一条积分输出噪声功率Pout,NI与测量带宽的函数关系曲线。
5.如权利要求1所述的一种量子Bell态探测器噪声等效功率测量方法，其特征在于：所述步骤四将积分输出噪声功率转换为噪声等效功率值，包括如下步骤：
(1)按如下公式计算积分输出噪声电压Uout,NI：
Figure FDA0001879747520000011
式中，RL是频谱分析仪的输入阻抗，其值一般为50Ω；
(2)按如下公式计算输入噪声电流Iin,NI：
Iin,NI＝Uout,NI/G；(2)
式中，G为跨阻增益，单位为V/A；
(3)按如下公式计算积分输入噪声功率Pin,NI：
Figure FDA0001879747520000021
式中，
Figure FDA0001879747520000022
是最大的探测器响应率，单位为A/W；
(4)按如下公式计算噪声等效功率NEP：
Figure FDA0001879747520000023
式中，BW为探测器带宽；
将每一个积分输出噪声功率值按照式(1)到式(4)计算得到对应的噪声等效功率值，直到得到所测量频率范围内的所有值，完成噪声等效功率值与测量带宽的函数关系图。
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