CN111579065A - 一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器及检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器及检测系统，涉及光电探测器技术领域，第一PIN光电二极管的阴极与电压正极连接，第一PIN光电二极管的阳极与第二PIN光电二极管的阴极连接，并形成第一节点；第二PIN光电二极管的阳极与电压负极连接；第一节点分别与取样电阻的一端和仪表放大器的同相输入端连接；取样电阻的另一端与仪表放大器的反相输入端连接；取样电阻的另一端还与电感的一端连接；仪表放大器的的输出端用于实时监测光强变化；电感的一端通过第一电阻与跨阻放大器的反相输入端连接；跨阻放大器的输出端与第一电容连接。本发明可以实现测量激光器的kHz量级强度噪声以及非经典光场在此频段的压缩噪声谱。

Description

一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器及检测系统
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，特别是涉及一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器及检测系统。
背景技术
连续变量压缩态光场作为精密测量和量子信息处理的重要资源，已被广泛应用于引力波探测，构建纠缠态光场实现通用量子计算等方案，在实验中不仅需要产生高压缩度的压缩态光场，同时准确测量压缩度也同等重要。压缩态光场量子噪声的测量一直都需要低电子学噪声、高信噪比的光电探测器。为了减少电子学噪声对测量的影响，测得的散粒噪声基准至少要高于电子学噪声10dB以上。
平衡零拍探测方法由于具有能够有效地降低经典噪声，放大信号光和直接表征信号光的正交分量起伏量的优点，而成为量子信息科学研究中测量压缩态压缩度的最佳方法之一，目前针对压缩态量子噪声的测量多集中在射频段(～MHz)。原因是固体激光器由于受弛豫振荡的影响，在数十kHz处都有较大的强度噪声，该强度噪声随测量频率增加而减小，测量频率大于1MHz时，强度噪声基本可以忽略达到量子噪声极限。然而，稳定的高压缩度的连续变量压缩态光场作为提高引力波探测精度的一种重要手段，其检测频率一般在低频段。
而现有的平衡零拍探测器，测量带宽一般在MHz量级，而很少有kHz量级的平衡零拍探测器。即使是现有的kHz量级的平衡零拍探测器，多是通过增大取样电阻或取消取样电阻来降低低频噪声，带来的问题是也降低了探测器的饱和功率以及无法测量低频段激光器的强度噪声。
发明内容
本发明的目的是提供一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器及检测系统，以实现测量激光器的kHz量级强度噪声以及非经典光场在此频段的压缩噪声谱。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，包括：第一PIN光电二极管、第二PIN光电二极管、取样电阻、仪表放大器、电感、第一电阻、跨阻放大器和第一电容；
所述第一PIN光电二极管的阴极与电压正极连接，所述第一PIN光电二极管的阳极与所述第二PIN光电二极管的阴极连接，并形成第一节点；所述第二PIN光电二极管的阳极与电压负极连接；所述第一节点分别与所述取样电阻的一端和所述仪表放大器的同相输入端连接；所述取样电阻的另一端与所述仪表放大器的反相输入端连接；所述取样电阻的另一端还与所述电感的一端连接；所述仪表放大器的的输出端用于实时监测光强变化；
所述电感的一端通过所述第一电阻与所述跨阻放大器的反相输入端连接；所述跨阻放大器的输出端与所述第一电容连接。
可选的，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括增益电阻；所述增益电阻与所述仪表放大器的增益端连接。
可选的，所述仪表放大器的REF端接地。
可选的，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括反馈电阻；所述反馈电阻与所述跨阻放大器并联。
可选的，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括第二电容；所述第二电容与所述跨阻放大器并联。
可选的，所述跨阻放大器的同相输入端接地。
可选的，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括第二电阻；所述第一PIN光电二极管通过所述第二电阻与电压正极连接。
可选的，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括第三电阻；所述第二PIN光电二极管通过所述第三电阻与电压负极连接。
可选的，所述电感的电感值为500mH。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器性能检测系统，包括：激光器、分束器、第一高反镜、第二高反镜、如上述任意一项所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器、示波器和频谱分析仪；
所述激光器和所述分束器位于同一光路上；所述第一高反镜和所述第二高反镜用于反射所述分束器分出的光束；
所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器分别与所述示波器和所述频谱分析仪连接；所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器用于接收所述第一高反镜和所述第二高反镜反射的光束。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器及检测系统，通过采用仪表放大器构成差分电路，可以直接监测光强变化；用电感取代了传统固定电阻，利用电感的感抗随频率变化，即光电二极管产生的光电流通过电感转化的光电压随频率变化，光电流低频(或直流)部分转换阻抗小于高频部分，进而提高了光电探测器饱和功率和kHz量级信噪比，克服了传统固定电阻阻值大(>5kΩ)时，光电探测器低频(或直流)部分饱和功率低，固定电阻阻值小(<5kΩ)时，光电探测器在kHz量级电子学噪声大的缺点，实现测量激光器的kHz量级强度噪声以及非经典光场在此频段的压缩噪声谱。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例kHz量级高信噪比平衡零拍探测器原理图；
图2为本发明实施例kHz量级高信噪比平衡零拍探测器电路图；
图3为现有技术增大取样电阻低频段平衡零拍探测器原理图；
图4为现有技术取消取样电阻低频段平衡零拍探测器原理图；
图5为本发明实施例kHz量级高信噪比平衡零拍探测器性能检测系统示意图；
图6为本发明实施例kHz量级高信噪比平衡零拍探测器测量全固态单频Nd:YVO4激光器在5-100kHz范围内强度噪声图；
图7为本发明实施例kHz量级高信噪比平衡零拍探测器输出端口信噪比曲线图。
符号说明：
1、第一PIN光电二极管，2、第二PIN光电二极管，3、取样电阻，4、仪表放大器，5、电感，6、第一电阻，7、跨阻放大器，8、第一电容，9、增益电阻，10、反馈电阻，11、第二电容，12、激光器，13、第一PBS分束棱镜，14、λ/2波片，15、第二PBS分束棱镜，16、第一高反镜，17、第二高反镜，18、kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，19、示波器，20、频谱分析仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器及检测系统，以实现测量激光器的kHz量级强度噪声以及非经典光场在此频段的压缩噪声谱。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-2所示，本发明提供的一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，包括：第一PIN光电二极管1、第二PIN光电二极管2、取样电阻3、仪表放大器4、电感5、第一电阻6、跨阻放大器7和第一电容8；所述第一PIN光电二极管1的阴极与电压正极连接，本实施例中电压正极为+15V电压。所述第一PIN光电二极管1的阳极与所述第二PIN光电二极管2的阴极连接，并形成第一节点；所述第二PIN光电二极管2的阳极与电压负极连接；本实施例中电压负极为-15V电压。第一PIN光电二极管1和第二PIN光电二极管2产生光电流差信号。所述第一节点分别与所述取样电阻3的一端和所述仪表放大器4的同相输入端连接；所述取样电阻3的另一端与所述仪表放大器4的反相输入端连接；所述取样电阻3的另一端还与所述电感5的一端连接；其中，取样电阻3阻值为39.9Ω。即光电流差信号连接阻值为39.9Ω的取样电阻3，取样电阻3两端分别接至仪表放大器4的同相输入端和反相输入端。所述仪表放大器4的REF端接地。所述仪表放大器4的的输出端用于实时监测光强变化；所述电感5的一端通过所述第一电阻6与所述跨阻放大器7的反相输入端连接；所述跨阻放大器7的输出端与所述第一电容8连接。跨阻放大器7的输出端通过第一电容8连接X2，X2作为kHz信号输出端。所述跨阻放大器7的同相输入端接地。
此外，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括增益电阻9；所述增益电阻9与所述仪表放大器4的增益端连接。本实施例中仪表放大器4采用的是低功耗、高精密的通用仪表放大器INA128，INA128的REF端接地，设置增益的Pin1端和Pin8端接的增益电阻9为1kΩ，根据仪表放大器INA128的说明书，可知其增益为51倍，仪表放大器4的输出端接X1，X1信号接至示波器，用于实时监测光强变化。
优选的，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括反馈电阻10；所述反馈电阻10与所述跨阻放大器7并联。
另外，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括第二电容11；所述第二电容11与所述跨阻放大器7并联。
为了更符合实际应用，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括第二电阻；所述第一PIN光电二极管1通过所述第二电阻与电压正极连接。其中，第二电阻的阻值为10Ω。，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括第三电阻；所述第二PIN光电二极管2通过所述第三电阻与电压负极连接。其中，第三电阻的阻值为10Ω。
优选的，跨阻放大器7为LMH6624或ADA4817-1，跨阻放大器7的反相输入端与输出端之间并联连接有20kΩ的反馈电阻10和20pF的第二电容11，跨阻放大器7的同相输入端接地，第一电容8为4.7uF。
光电流差信号经取样电阻3后进入电感5和第一电阻6组成的高通滤波器，电感5的另一端接地，其中电感5是绕线性电感。电感5的DC电阻为30Ω，电感值为500mH。第一电阻6的阻值为1.3kΩ，所以滤波器的极点频率为413Hz。第一电阻6的另一端接至跨阻放大器7的反相输入端，跨阻放大器7芯片是低噪声、高增益带宽积放大芯片ADA4817-1，其输入电流噪声密度为
Figure BDA0002475883280000061
跨阻放大器7ADA4817-1的反相输入端与输出端之间并联连接有20kΩ的反馈电阻10和20pF的第二电容11，计算可知其增益为20kV/A，低通滤波极点频率为398kHz，跨阻放大器7的同相输入端接地，其输出端经4.7uF的第一电容8接至X2输出端，X2输出端用于测量激光器的强度噪声(kHz量级)以及非经典光场在此频段的压缩噪声谱。
本发明提供的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，用于测量激光器的强度噪声(kHz量级)以及非经典光场在此频段的压缩噪声谱，同时可以监测光强变化情况。两个光电二极管产生的光电流差信号，首先经由取样电阻和仪表放大器构成差分电路输出X1信号接至示波器，用于实时监测各个光电管光强变化情况以及两光电管的入射光功率是否相等；再经由电感和第一电阻构成的高频滤波电路，进入跨阻放大器输出X2信号接至频谱分析仪，用于测量激光器的强度噪声(kHz量级)以及非经典光场在此频段的压缩噪声谱。本发明提供的探测器输出端X2作为kHz信号输出端具有高增益、高饱和功率、低噪声等优点，同时输出端X1可实时监测光强变化。
如图3-图4所示，现有低频段平衡零拍探测器，分别通过增大取样电阻或取消取样电阻来降低低频噪声。
如图5所示，本发明提供的一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器性能检测系统，包括：激光器12、分束器、第一高反镜16、第二高反镜17、如上述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器18、示波器19和频谱分析仪20；所述激光器12和所述分束器位于同一光路上；在本实施例中，所述激光器12和所述分束器位于同一直线上，放成直线是可以节省一个高反镜。所述第一高反镜16和所述第二高反镜17用于反射所述分束器分出的光束；所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器18分别与所述示波器19和所述频谱分析仪20连接；所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器18用于接收所述第一高反镜16和所述第二高反镜17反射的光束。
其中激光器12为全固态单频Nd:YVO4激光器，该激光器12输出1064nm激光；第一PBS分束棱镜13，第二PBS分束棱镜15和λ/2波片14构成50/50分束器。第一高反镜16和第二高反镜17均为22.5°的1064nm高反镜。本实施例中两个光电二极管均采用FD500测量1064nm的激光。
光路搭建好后，调节λ/2波片14，使第二PBS分束棱镜15后的两束光光功率相同，通过改变光功率，使得注入第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2的激光功率依次均为225uW、450uW、900uW、1.8mW、3.6mW和7.2mW，表1所示为依次测量各个光电二极管通过X1输出端在数字示波器19上显示的直流输出电压，步骤是挡住第二光电二极管PD2，第一光电二极管PD1照射，反之亦然，最后两个光电二极管均不挡光。
表1 X1输出端在数字示波器上显示的直流输出电压
Figure BDA0002475883280000071
图6本发明提供的探测器测量全固态单频Nd:YVO4激光器在5-100kHz范围内强度噪声图。其中最上面一条谱线是在通过旋转λ/2波片14，使第一光电二极管PD1或第二光电二极管PD2的入射光功率为450uW，另外一个光电二极管的入射光功率为0(或挡住光)，探测器X2输出端口接到频谱分析仪测得的功率谱，即激光器功率450uW时的强度噪声。中间的谱线是在通过旋转λ/2波片14，使两光电二极管的入射光功率均为225uW，探测器X2输出端口所测得的功率谱作为散粒噪声基准。从图6中看出，当入射功率为450uw时，在5-100kHz范围内激光器强度噪声至少高于散粒噪声基准8dB，在13kHz左右最大强度噪声高于高于散粒噪声基准20dB，在5-100kHz范围内散粒噪声基准高于电子学噪声17dB左右。
图7是本发明提供的探测器在第二PBS分束棱镜15后的两束光光功率相同情况下，注入第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2的激光功率依次均为225uW、450uW、900uW、1.8mW、3.6mW和7.2mW，探测器X2输出端口接到频谱分析仪，分析频率在0-300kHz内的输出功率谱，即散粒噪声基准。谱线从下之上依次为探测器电子学噪声，1064nm激光输入光功率依次为450uw、900uW、1.8mw、3.6mW、7.2mW、14.4mW时所测的散粒噪声基准。当入射功率为450uw时，0-300kHz内散粒噪声基准比电子学噪声至少高13dB，当入射功率为14.4mw时，散粒噪声基准比电子学噪声至少高28dB，并且饱和功率高于15mW。所以在0-300kHz带宽内，本发明提供的探测器具有很高信噪比，高饱和功率。
本发明的有益效果是：现有的平衡零拍探测器，测量带宽一般在MHz量级，而很少有kHz量级的平衡零拍探测器。即使是现有的kHz量级的平衡零拍探测器，多是通过增大取样电阻或取消取样电阻来降低低频噪声，带来的问题是也降低了探测器的饱和功率以及无法测量低频段激光器的强度噪声。本发明通过采用仪表放大器构成差分电路，可以直接监测光强变化；用电感取代了传统固定电阻，利用电感的感抗随频率变化，即光电二极管产生的光电流通过电感转化的光电压随频率变化，光电流低频(或直流)部分转换阻抗小于高频部分，进而提高了光电探测器饱和功率和kHz量级信噪比。克服了传统固定电阻阻值大(>5kΩ)时，光电探测器低频(或直流)部分饱和功率低，固定电阻阻值小(<5kΩ)时，光电探测器在kHz量级电子学噪声大的缺点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，其特征在于，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器包括：第一PIN光电二极管、第二PIN光电二极管、取样电阻、仪表放大器、电感、第一电阻、跨阻放大器和第一电容；
所述第一PIN光电二极管的阴极与电压正极连接，所述第一PIN光电二极管的阳极与所述第二PIN光电二极管的阴极连接，并形成第一节点；所述第二PIN光电二极管的阳极与电压负极连接；所述第一节点分别与所述取样电阻的一端和所述仪表放大器的同相输入端连接；所述取样电阻的另一端与所述仪表放大器的反相输入端连接；所述取样电阻的另一端还与所述电感的一端连接；所述仪表放大器的的输出端用于实时监测光强变化；
所述电感的一端通过所述第一电阻与所述跨阻放大器的反相输入端连接；所述跨阻放大器的输出端与所述第一电容连接。
2.根据权利要求1所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，其特征在于，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括增益电阻；所述增益电阻与所述仪表放大器的增益端连接。
3.根据权利要求1所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，其特征在于，所述仪表放大器的REF端接地。
4.根据权利要求1所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，其特征在于，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括反馈电阻；所述反馈电阻与所述跨阻放大器并联。
5.根据权利要求1所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，其特征在于，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括第二电容；所述第二电容与所述跨阻放大器并联。
6.根据权利要求1所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，其特征在于，所述跨阻放大器的同相输入端接地。
7.根据权利要求1所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，其特征在于，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括第二电阻；所述第一PIN光电二极管通过所述第二电阻与电压正极连接。
8.根据权利要求1所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，其特征在于，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器还包括第三电阻；所述第二PIN光电二极管通过所述第三电阻与电压负极连接。
9.根据权利要求1所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器，其特征在于，所述电感的电感值为500mH。
10.一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器性能检测系统，所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器性能检测系统包括：激光器、分束器、第一高反镜、第二高反镜、如权利要求1-9任意一项所述的kHz量级高信噪比平衡零拍探测器、示波器和频谱分析仪；
所述激光器和所述分束器位于同一光路上；所述第一高反镜和所述第二高反镜用于反射所述分束器分出的光束；
所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器分别与所述示波器和所述频谱分析仪连接；所述kHz量级高信噪比平衡零拍探测器用于接收所述第一高反镜和所述第二高反镜反射的光束。
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