CN111397858A - 一种平衡零拍探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平衡零拍探测器，共用一个放大芯片来放大两个光电二极管产生的光电流，相同光电流产生的交流信号谱和直流信号完全相同。通过切换双刀双掷开关，能够分别获得两束光相加信号和相减基准，然后进行对比测得激光的量子噪声极限。同时，本发明的探测器具有直流放大功能，能够保证两个光电二极管产生的光电流相等。与之前通过两个性能完全相同的光电探测器测量激光量子噪声极限的方法相比，本发明提高了测量的准确性，简化了实验装置。本发明具有低噪声、高增益、宽带宽和交直流监测等优点。能够准确地测量激光的量子噪声极限。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种平衡零拍探测器。
背景技术
在连续变量量子光学中，连续单频激光器，由于具有出色的输出性能，广泛应用于量子光学、量子通信、原子物理和高精密的测量中。这些应用除了要求激光器具有完美的光束质量、高功率和高稳定性外，强度噪声也要尽可能低，抑制强度噪声通常采用内部和外部的方法。在激光器的研制中，引入非线性损耗来抑制弛豫振荡频率附近的强度噪声或者通过注入锁定的方法，将高功率激光器的振荡频率锁定到低噪声种子源激光器上，控制高功率低噪声激光振荡的产生。外部的方法主要是采用光电负反馈将激光器输出的激光锁定到由三镜环形腔构成的模清洁器上，利用其过滤高频噪声的特性降低激光器的强度噪声。实验中不仅要设法降低激光器本身的强度噪声，而且能够准确地测量激光器的强度噪声从而确定其量子噪声极限也尤为重要。
现有技术是采用两个性能完全相同的光电探测器，其交流输出相减得到测量的基准，相加得到所要的信号，该信号与基准进行比较，得到激光的量子噪声极限。然而，实现两个性能完全相同的光电探测器比较困难，从而无法准确测量激光的量子噪声极限。与以上技术相比，平衡零拍探测中两个光电二极管产生的光电流经同一个运放进行放大，产生的信号具有很好的一致性，然而，现有的平衡零拍探测只能对两个光电流信号进行相减获得基准，无法同时对两个光电流信号进行相加，因此，无法测量激光的量子噪声极限。
发明内容
本发明目的在于针对无法准确测量激光的量子噪声极限的探测问题提供一种能够同时测量两个光电二极管产生的光电流相减基准和相加信号的平衡零拍探测器，其能够准确地测量激光量子噪声极限。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
为实现本发明目的而提供的一种平衡零拍探测器，包括有第一PIN光电二极管和第二PIN光电二极管，所述第一PIN光电二极管的阳极和阴极分别与双刀双掷开关的接线柱1和接线柱4连接，第二PIN光电二极管的阴极和双刀双掷开关的接线柱6连接，双刀双掷开关的接线柱6接+15V电源，第二PIN光电二极管的阳极和双刀双掷开关的接线柱3和接线柱5连接，结点为a，双刀双掷开关的接线柱2连接-15V电压，所述结点a分别与直流耦合电感和交流耦合电容的一端连接，所述直流耦合电感的另一端与同相比例放大电路的同相输入端连接，所述同相比例放大电路的输出端与SMA头输出端连接，所述交流耦合电容的另一端与高频跨阻放大电路的反相输入端连接，所述高频跨阻放大电路的输出端与SMA头输出端连接。
作为上述方案的进一步改进，所述第一PIN光电二极管和第二PIN光电二极管为结电容为1pF的高响应度光电二极管。
作为上述方案的进一步改进，所述高频跨阻放大电路包括跨阻放大芯片OPA847，所述交流耦合电容的另一端与跨阻放大芯片OPA847的引脚2连接，所述跨阻放大芯片OPA847的引脚3接地，在所述跨阻放大芯片OPA847引脚2和引脚6之间并联有反馈电容C2和反馈电阻R1，所述跨阻放大芯片OPA847引脚6与输出电容C3的一端连接，所述输出电容C3的另一端与输出电阻R2连接，所述跨阻放大芯片OPA847的引脚7和引脚4分别与经滤波的+5V和-5V电源连接。
作为上述方案的进一步改进，所述同相比例放大电路包括低噪声精密放大芯片OP27、采样电阻R3、滤波电容C4和输入电阻R4，所述直流耦合电感分别与采样电阻R3、滤波电容C4和输入电阻R4的一端连接，所述采样电阻R3的一端与滤波电容C4的一端连接，二者共同连接输入电阻R4的一端，输入电阻R4的另一端与低噪声精密放大芯片OP27的引脚3连接，所述采样电阻R3的另一端与滤波电容C4的另一端接地，所述低噪声精密放大芯片OP27的引脚2与接地电阻R5连接，在所述低噪声精密放大芯片OP27引脚2和引脚6之间并联有反馈电阻R6，所述低噪声精密放大芯片OP27的引脚6与输出电阻R7连接，所述低噪声精密放大芯片OP27的引脚7和引脚4分别与经滤波的+15V和-15V电源连接。
本发明的有益效果是：
本发明中平衡零拍探测共用一个放大芯片来放大两个光电二极管产生的光电流，相同光电流产生的交流信号谱和直流信号完全相同。通过切换双刀双掷开关，能够分别获得两束光相加信号和相减基准，然后进行对比测得激光的量子噪声极限。同时，本发明的探测器具有直流放大功能，能够保证两个光电二极管产生的光电流相等。与之前通过两个性能完全相同的光电探测器测量激光量子噪声极限的方法相比，本发明提高了测量的准确性，简化了实验装置。本发明具有低噪声、高增益、宽带宽和交直流监测等优点。能够准确地测量激光的量子噪声极限。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明所述测量激光量子噪声极限的平衡零拍探测器的原理示意图；
图2为本发明所述测量激光量子噪声极限的平衡零拍探测器的电路图；
图3为本发明所述平衡零拍探测器应用于激光量子噪声极限探测的工作原理图；
图4为本发明所述平衡零拍探测器测量激光量子噪声极限的测量结果图。
图中：1-第一PIN光电二极管、2-双刀双掷开关、3-第二PIN光电二极管、4-直流耦合电感、5-交流耦合电容、6-高频跨阻放大电路、7-同相比例放大电路。
具体实施方式
本发明提供的一种平衡零拍探测器，包括有第一PIN光电二极管1和第二PIN光电二极管3，第一PIN光电二极管1的阳极和阴极分别与双刀双掷开关2的接线柱1和接线柱4连接，第二PIN光电二极管3的阴极和双刀双掷开关2的接线柱6连接，双刀双掷开关2的接线柱6接+15V电源，第二PIN光电二极管3的阳极和双刀双掷开关2的接线柱3和接线柱5连接，结点为a，双刀双掷开关2的接线柱2连接-15V电压，结点a分别与直流耦合电感4和交流耦合电容5的一端连接，直流耦合电感4的另一端与同相比例放大电路7的同相输入端连接，同相比例放大电路7的输出端与SMA头输出端连接，交流耦合电容5的另一端与高频跨阻放大电路6的反相输入端连接，高频跨阻放大电路6的输出端与SMA头输出端连接。
其中，第一PIN光电二极管1和第二PIN光电二极管3为结电容为1pF的高响应度光电二极管。
本发明中高频跨阻放大电路6包括跨阻放大芯片OPA847，交流耦合电容5的另一端与跨阻放大芯片OPA847的引脚2连接，跨阻放大芯片OPA847的引脚3接地，在跨阻放大芯片OPA847引脚2和引脚6之间并联有反馈电容C2和反馈电阻R1，跨阻放大芯片OPA847引脚6与输出电容C3的一端连接，输出电容C3的另一端与输出电阻R2连接，跨阻放大芯片OPA847的引脚7和引脚4分别与经滤波的+5V和-5V电源连接。
本发明的同相比例放大电路7包括低噪声精密放大芯片OP27、采样电阻R3、滤波电容C4和输入电阻R4，直流耦合电感4分别与采样电阻R3、滤波电容C4和输入电阻R4的一端连接，采样电阻R3的一端与滤波电容C4的一端连接，二者共同连接输入电阻R4的一端，输入电阻R4的另一端与低噪声精密放大芯片OP27的引脚3连接，采样电阻R3的另一端与滤波电容C4的另一端接地，低噪声精密放大芯片OP27的引脚2与接地电阻R5连接，在低噪声精密放大芯片OP27引脚2和引脚6之间并联有反馈电阻R6，低噪声精密放大芯片OP27的引脚6与输出电阻R7连接，低噪声精密放大芯片OP27的引脚7和引脚4分别与经滤波的+15V和-15V电源连接。
本发明的所有电路均印刷在电路板上，电路板采用双面板并且双面铺地，芯片周围不铺地，信号线与电源线之间地隔离。
本发明中的平衡零拍探测器采用抗电磁干扰技术，将电路板装在定制的铝质金属壳内，交直流输出信号采用高频SMA接头，供电电源采用锂电池。
如图1所示的是本发明所述测量激光量子噪声极限的平衡零拍探测器的原理示意图，可用于测量激光的量子噪声极限，同时还能监测单个光电二极管输入光功率的变化以及两个光电二极管产生的光电流是否相等。具体是基于一种高增益带宽积、低输入噪声和低输入电容的跨阻放大芯片，通过切换双刀双掷开关将两个光电二极管产生光电流信号相加和相减，然后经直流耦合电感和交流耦合电容分为低频直流信号和交流高频信号，低频直流信号经同相比例放大电路放大后输出直流电压信号的加和减，交流高频信号经跨阻放大后转换为交流电压信号的加和减。包括第一PIN光电二极管1，双刀双掷开关2，第二PIN光电二极管3，直流耦合电感4，交流耦合电容5，高频跨阻放大电路6，同相比例放大电路7。该光电探测器交流输出具有低噪声、高增益、宽带宽的特点，直流输出能够监视两个光电二极管的输入光功率。
本实施例中第一PIN光电二极管1和第二PIN光电二极管3均选择低结电容、高响应度的光电二极管。光电二极管低的结电容有利于增加高频跨阻放大电路的带宽，高的响应度在相同光功率下能实现高的信噪比。高频跨阻放大电路6选用的放大芯片为高增益带宽积、低输入噪声和低输入电容的跨阻放大芯片OPA847；同相比例放大电路7包括低噪声精密放大芯片OP27，所述低噪声精密放大芯片OP27具有高的速度，低的输入电压噪声和低的输入失调电压。该探测器通过直流耦合电感4和交流耦合电容5将交直流分开并用不同的放大芯片放大，所以该探测器具有高的饱和光功率。
图2为本发明所述测量激光量子噪声极限的平衡零拍探测器的电路图。该电路中两个光电二极管反向偏置，当双刀双掷开关K1的接线柱1和接线柱4分别连接接线柱2和5时，两个光电二极管的供电电压分别为-15V和+15V，此时两个光电二极管产生的光电流相减；当双刀双掷开关K1的接线柱1和接线柱4分别接接线柱3和接线柱6时，两个光电二极管的供电电压都为+15V，此时两个光电二极管产生的光电流相加；双刀双掷开关K1的接线柱3和接线柱5相连，结点为a，结点a分别与直流耦合电感4和交流耦合电容5相连，直流耦合电感4为330μH，交流耦合电容5为100nF。高频跨阻放大电路6的反馈电阻R1为6.8kΩ，反馈电容C2为0.2pF，输出电容C3为100nF，输出电阻R2为51Ω。同相比例放大电路7中100Ω采样电阻R3将直流光电流转换成电压信号，与采样电阻R3并联的100nF电容C4滤除直流中剩余的交流成分，经1kΩ电阻R4输入到运放中，反馈网络中电阻R5和R6分别为51Ω和1kΩ，输出电阻R7为51Ω。
图3为本发明所述平衡零拍探测器应用于激光量子噪声极限探测的工作原理图。其中8为半波片，用于改变线偏振光的偏振态，调节线偏振光经分束棱镜后两束光的功率比；9为分束棱镜，用于两束光平衡输出；10为测量激光量子噪声极限的平衡零拍光电探测器；11为示波器，用于监视两个光电二极管输入光功率的变化和两个光电二极管产生光电流相减后直流变化的情况；12为频谱仪，当双刀双掷开关切换时，分别测量两个光电二极管产生的交流信号在测量频率范围内功率谱的和与差，通过比较获得的两个功率谱，测量激光的量子噪声极限。
图4为本发明所述平衡零拍探测器测量激光量子噪声极限的测量结果图。谱线从下到上分别为频谱仪测量的两个光电流信号相减和相加的功率谱。
本发明的第一PIN光电二极管1、双刀双掷开关2、第二PIN光电二极管3、直流耦合电感4、交流耦合电容5、高频跨阻放大电路6、同相比例放大电路7、均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种平衡零拍探测器，其特征在于：包括有第一PIN光电二极管(1)和第二PIN光电二极管(3)，所述第一PIN光电二极管(1)的阳极和阴极分别与双刀双掷开关(2)的接线柱1和接线柱4连接，第二PIN光电二极管(3)的阴极和双刀双掷开关(2)的接线柱6连接，双刀双掷开关(2)的接线柱6接+15V电源，第二PIN光电二极管(3)的阳极和双刀双掷开关(2)的接线柱3和接线柱5连接，结点为a，双刀双掷开关(2)的接线柱2连接-15V电压，所述结点a分别与直流耦合电感(4)和交流耦合电容(5)的一端连接，所述直流耦合电感(4)的另一端与同相比例放大电路(7)的同相输入端连接，所述同相比例放大电路(7)的输出端与SMA头输出端连接，所述交流耦合电容(5)的另一端与高频跨阻放大电路(6)的反相输入端连接，所述高频跨阻放大电路(6)的输出端与SMA头输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种平衡零拍探测器，其特征在于：所述第一PIN光电二极管(1)和第二PIN光电二极管(3)为结电容为1pF的高响应度光电二极管。
3.根据权利要求1所述的一种平衡零拍探测器，其特征在于：所述高频跨阻放大电路(6)包括跨阻放大芯片OPA847，所述交流耦合电容(5)的另一端与跨阻放大芯片OPA847的引脚2连接，所述跨阻放大芯片OPA847的引脚3接地，在所述跨阻放大芯片OPA847引脚2和引脚6之间并联有反馈电容C2和反馈电阻R1，所述跨阻放大芯片OPA847引脚6与输出电容C3的一端连接，所述输出电容C3的另一端与输出电阻R2连接，所述跨阻放大芯片OPA847的引脚7和引脚4分别与经滤波的+5V和-5V电源连接。
4.根据权利要求1所述的一种平衡零拍探测器，其特征在于：所述同相比例放大电路(7)包括低噪声精密放大芯片OP27、采样电阻R3、滤波电容C4和输入电阻R4，所述直流耦合电感(4)分别与采样电阻R3、滤波电容C4和输入电阻R4的一端连接，所述采样电阻R3的一端与滤波电容C4的一端连接，二者共同连接输入电阻R4的一端，输入电阻R4的另一端与低噪声精密放大芯片OP27的引脚3连接，所述采样电阻R3的另一端与滤波电容C4的另一端接地，所述低噪声精密放大芯片OP27的引脚2与接地电阻R5连接，在所述低噪声精密放大芯片OP27引脚2和引脚6之间并联有反馈电阻R6，所述低噪声精密放大芯片OP27的引脚6与输出电阻R7连接，所述低噪声精密放大芯片OP27的引脚7和引脚4分别与经滤波的+15V和-15V电源连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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