CN114923567A - 一种自举低噪声光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测技术领域，公开了一种用于测量1‑30MHz光场信息的自举低噪声光电探测器，包括：光电二极管、自举放大电路、跨阻放大器、电阻R13、电容C5、电容C6、阻交流高频元件、同相比例放大器，光电二极管的阴极通过电阻R13连接电源正极，阳极通过电容C5、电容C6与跨阻放大器的输入端连接，跨组放大器的输出端连接AC输出端；光电二极管的阳极还通过阻交流高频元件与同相比例放大器的输入端连接，同相比例放大器的输出端连接DC输出端；自举放大电路的输入端经电容C5与光电二极管的阳极连接，输出端与光电二极管阴极连接。本发明在1‑30MHz带宽范围内具有最低的噪声，大幅降低了等效输入电流噪声。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及量子光学实验中的用于压缩态光场信号检测的探测器，具体是一种用于测量1-30MHz光场信息的自举低噪声光电探测器。
背景技术
随着信息技术的不断发展，量子网络由于其无条件绝对安全性和高效性受到人们广泛关注，非经典光场则是构建量子网络的重要量子资源。压缩态光场由于其量子噪声起伏低于散粒噪声基准，成为了量子信息领域一种重要资源，并且已被应用于量子通信，量子精密测量，量子计算等领域。由于降低探测器的噪声可以有效提高量子态光场的测量精度，因此低噪声光电探测器是量子信息技术中实现光场信号有效探测的重要工具。例如，在用于星间引力波探测的弱光锁相系统中，光信号为纳瓦量级，且调制信号频率范围为20-30MHz；在基于光学参量振荡(OPA)的压缩态产生过程中，用于锁定谐振腔的光场强度也为纳瓦量级，且调制频率为几十MHz，所以30MHz带宽的低噪声光电探测器是引力波探测以及压缩态制备的关键设备。
通常，随着频率的不断增大，探测器的噪声会越来越大，从而导致信噪比降低，现有光电探测器在30MHz的等效输入电流噪声达到
而且，较大的噪声也限制光电探测器的探测精度。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种具有高信噪比、高增益、低噪声的光电探测器，以实现1-30MHz带宽范围内对光场压缩态的高精度测量。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种自举低噪声光电探测器，用于测量1-30MHz光场信息，包括：光电二极管、自举放大电路、跨阻放大器、电阻R13、电容C5、电容C6、阻交流高频元件、同相比例放大器，
所述光电二极管的阴极通过电阻R13连接电源正极，阳极通过电容C5、电容C6与跨阻放大器的输入端连接，跨组放大器的输出端连接AC输出端；
所述光电二极管的阳极还通过阻交流高频元件与同相比例放大器的输入端连接，同相比例放大器的输出端连接DC输出端；
所述自举放大电路的输入端经电容C5与光电二极管的阳极连接，输出端与光电二极管阴极连接。
所述自举放大电路包括一级JFET放大器J1、二级JFET放大器J2、电阻R6、电阻R7、电阻R5、电容C2、电阻R14；
所述一级JFET放大器J1的引脚G依次经电阻R6、电阻R7与电容C5的输出端连接，所述一级JFET放大器J1的引脚G还依次经电阻R6、电阻R5与电源负极连接；
所述二级JFET放大器J2的引脚G依次经电容C2与一级JFET放大器J1的引脚D连接，所述二级JFET放大器J2的引脚D经电阻R14与光电二极管阴极连接。
所述自举放大电路还包括电阻R4、电阻R3、电阻R2、电阻R1、电容C1、电容C3；
所述一级JFET放大器J1的引脚S通过电阻R4连接电源负极，引脚D通过电阻R3接地，所述电容C3与电阻R4并联；
所述二级JFET放大器J2的引脚S通过电阻R1接地，引脚G通过电阻R2接地，电容C1与电阻R1并联连接。
一级JFET放大器J1、二级JFET放大器J2的型号为NE3509M04，电容C2的电容值为10nf。
电容C5和电容C6的电容值分别为10nf和500pf；
光电二极管采用结电容为1.1pf，量子效率为90％的光电二极管FD-100W。
跨阻放大器包括跨阻运算放大芯片U1、电容C4、电阻R8、耦合电容C8、电阻R9；
跨阻运算放大芯片U1的反向输入端与电容C6的输出端连接，跨阻运算放大芯片U1的输出端经电阻R8与反向输入端相连，电容C4与电阻R8并联；跨阻运算放大芯片U1的正向输入端接去耦滤波的正向电压，跨阻运算放大芯片U1的正电源供电端接去耦滤波的正向电压，跨阻运算放大芯片U1的负电源端子接地，跨阻运算放大芯片U1的输出端依次经耦合电容C8、电阻R9连接SMD-KFD射频接头AC，作为总的射频输出端；电容C8和电阻R9之间接入接地保护电阻R10。
所述跨阻运算放大芯片U1的芯片型号为LTC6268-10。
阻交流高频元件包括依次串联连接的电感L1、电感L2和电阻R12；其中电感L2的一端经电感L1与光电二极管的阳极连接，另一端经电阻R12后接地，电感L2的另一端与同相比例放大器的输入端连接；
电感L1为LQW绕线电感，电感值为470nH，电感L2为绕线电感，电感值为330uH；电阻R12的阻值为50欧。
所述的一种自举低噪声光电探测器，整个电路均印刷在PCB板上，PCB板设计为双面板，一面放置所有器件，一面铺地，且信号线与芯片部分移除铜皮，防止产生寄生电容，信号线走线宽度均为10mil；所述PCB板放置在电磁屏蔽金属盒内，AC输出端和DC输出端均使用SMD-KFD射频接头固定在所述电磁屏蔽金属盒。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、现有光电探测器在30MHz的等效输入电流噪声达到
而本发明提供的一种自举低噪声光电探测器，利用自举阻抗增强技术，结合低噪声芯片选择和电路设计，降低了探测器的噪声，实现了1-30MHz低噪声光电探测器其噪声水平在
以下，且在1-30MHz内信噪比极高，能够实现对压缩态等非经典态的有效探测。
2、本发明利用自举阻抗增强技术降低探测器高频处的噪声，提高了探测器的性能。
3、本发明中的跨阻抗放大电路采用放大芯片LTC6268-10，因其具有极低的输入噪声电流和输入电容，结合自举放大技术，进一步降低光电二极管结电容，极大的降低了电路的噪声，并提高了电路的信噪比。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种自举低噪声光电探测器的电路结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种自举低噪声光电探测器的电路原理示意图；
图3为本发明实施例一提供的一种自举低噪声光电探测器应用于光场检测的工作原理图；
图4为本发明实施例中的自举低噪声探测器在不同光功率下的输出功率谱；
图5为本发明实施例中的自举低噪声探测器的等效输入电流噪声曲线；
图中：1-JFET自举放大器，2-跨阻放大器，3-光电二极管，4-阻交流高频元件，5-同相比例放大器，6-激光器，7-λ/2波片，8-偏振分光棱镜，9-自举低噪声光电探测器，10-频谱分析仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供了一种自举低噪声光电探测器，包括：光电二极管3、自举放大电路1、跨阻放大器2、电阻R13、电容C5、电容C6、阻交流高频元件4、同相比例放大器5，所述光电二极管3的阴极通过电阻R13连接电源正极(+3.7V)，阳极通过电容C5、电容C6与跨阻放大器2的输入端连接，跨组放大器2的输出端连接AC输出端；所述光电二极管3的阳极还通过阻交流高频元件与同相比例放大器5的输入端连接，同相比例放大器5的输出端连接DC输出端；所述自举放大电路1的输入端经电容C5与光电二极管3的阳极连接，输出端与光电二极管3阴极连接。
本实施例中，光电二极管3接收光信号，进行光电转换后输出信号，输出信号中的直流信号经阻交流高频元件4后，进入同相比例放大器5进行放大，然后从DC输出端输出；输出信号的交流信号经交流耦合电容C5后，由自举放大电路1进行自举放大，放大后的信号经交流耦合电容C6后，输入跨阻放大器2，经跨阻放大器2进行放大后，从AC输出端输出。
具体地，如图2所示，本实施例中，所述自举放大电路包括一级JFET放大器J1、二级JFET放大器J2、电阻R6、电阻R7、电阻R5、电容C2、电阻R14；所述一级JFET放大器J1的引脚G依次经电阻R6、电阻R7与电容C5的输出端连接，所述一级JFET放大器J1的引脚G还依次经电阻R6、电阻R5与电源负极(-3.7V)连接；所述二级JFET放大器J2的引脚G依次经电容C2与一级JFET放大器J1的引脚D连接，所述二级JFET放大器J2的引脚D经电阻R14与光电二极管3阴极连接。
进一步地，本实施例中，所述自举放大电路还包括电阻R4、电阻R3、电阻R2、电阻R1、电容C1、电容C3；所述一级JFET放大器J1的引脚S通过电阻R4连接电源负极(-3.7V)，引脚D通过电阻R3接地，所述电容C3与电阻R4并联；所述二级JFET放大器J2的引脚S通过电阻R1接地，引脚G通过电阻R2接地，电容C1与电阻R1并联连接。
具体地，本实施例中，一级JFET放大器J1、二级JFET放大器J2采用具有高速、极低噪声的N沟道异质结型场效应晶体管NE3509M04，电容C2的电容值为10nf。电阻R14的阻值为300欧。
具体地，本实施例中，光电二极管3采用结电容为1.1pf，量子效率为90％的光电二极管FD-100W。且本实施例中，可利用光电二极管大的光敏面，使其能以接近单位量子效率提高探测器对压缩态等非经典态的探测效率。在所关注的光波段采用结电容更小的光电二极管可以使其性能更加优异。
具体地，本实施例中，电容C5和电容C6的电容值分别为10nf和500pf；
进一步地，如图2所示，本实施例中，跨阻放大器2包括跨阻运算放大芯片U1，电容C4、电阻R8、耦合电容C8、电阻R9；跨阻运算放大芯片U1的反向输入端(引脚2)与电容C6的输出端连接，跨阻运算放大芯片U1的输出端(引脚6)经电阻R8与反向输入端相连，电容C4与电阻R8并联；跨阻运算放大芯片U1的正向输入端(引脚3)接去耦滤波的正向+1.8V电压，跨阻运算放大芯片U1的正电源供电端(引脚7)接去耦滤波的正向+3.7V电压，跨阻运算放大芯片U1的负电源供电端(引脚5)接地，其引脚1、引脚4和引脚8不接；跨阻运算放大芯片U1的信号输出端依次经耦合电容C8、电阻R9连接SMD-KFD射频接头AC，作为总的射频输出端；电容C8和电阻R9之间接入接地保护电阻R10。
具体地，本实施例中，所述跨阻运算放大芯片U1的芯片型号为LTC6268-10。电阻R8为反馈电阻，其阻值为82k欧，接地保护电阻R10的阻值为50欧。
进一步地，如图2所示，本实施例中，阻交流高频元件4包括依次串联连接的电感L1、电感L2和电阻R12；其中电感L2的一端经电感L1与光电二极管3的阳极连接，另一端经电阻R12后接地，电感L2的另一端与同相比例放大器5的输入端连接；具体地，本实施例中，电感L1为LQW绕线电感，电感值为470nH，电感L2为绕线电感，电感值为330uH；电阻R12为取样电阻，其阻值为50欧。
进一步地，如图2所示，本实施例中，所述同相比例放大器5包括同比例放大芯片U2、电阻R17、电阻R15、电阻R16、电阻R18、电阻R19；所述同比例放大芯片U2的同向输入端(引脚3)通过电阻R17、电感L2、电感L1与光电二极管3的阳极连接，反相输入端(引脚2)通过电阻R15接地，输出端(引脚6)通过电阻R16与反相输入端连接，输出端还通过电阻R18与DC输出端连接，电阻R19的一端与同比例放大芯片U2的输出端连接，另一端接地。其中，同比例放大芯片U2的型号为op27，其正电源供电端(引脚7)和负电源供电端(引脚4)分别连接去耦滤波的正向电压(+3.7V)和负向电压(-3.7V)。电阻R18的阻值为50欧。
具体地，本实施例中，整个电路均印刷在PCB板上，PCB板设计为双面板，一面放置所有器件，一面铺地，且信号线与芯片部分移除铜皮，防止产生寄生电容，信号线走线宽度均为10mil；所述PCB板放置在电磁屏蔽金属盒内，AC输出端和DC输出端均使用SMD-KFD射频接头固定在所述电磁屏蔽金属盒。
图3所示的是实验中检测1-30MHz自举低噪声探测器性能的原理示意图。激光器6输出激光光束，经过λ/2波片7和偏振分光棱镜(PBS)8后的组合后分为两束光，其中一束红光经反射镜12后入射至本实施例提供的自举低噪声光电探测器9探测，得到此束光强的交流特性，探测器9将光电转换后的信号输出至频谱分析仪10，以观测输出的交流信号在不同频率上的功率谱。
将光路搭好后，调节λ/2波片7，逐步增加光功率，通过频谱分析仪10，可以得到不同光功率下的输出功率谱。图4是本发明实施例提供的自举低噪声光电探测器在1342nm激光不同光功率下的输出功率谱。谱线从下至上依次为谱仪噪声，探测器电子学噪声，输入光功率依次为77uW，155uW，313uW，624uW，1.26mW的功率谱。
如图4所示，为本发明实施例中的自举低噪声探测器在不同光功率下的输出功率谱；图4说明了本探测器在1-30MHz内具有较高的信噪比，在注入1.26mW的近饱和功率下，在分析频率2MHz处，探测器的信噪比高达35dB，在分析频率10MHz-20MHz信噪比大于22dB。并且此探测器还具有良好的线性响应度，注入的光功率每增加一倍时，信号的噪声功率提高3dB。除此之外，该探测器在屏蔽盒的作用下，外界电磁干扰基本除去。
如图5所示，为本发明实施例中的自举低噪声探测器的等效输入电流噪声曲线；图5说明了本发明实施例提供的探测器在1-30MHz内具有极低的输入电流噪声，在频率点为15MHz处，输入噪声水平为
频率点为30MHz处，输入噪声水平为
综上所述，本发明提供了一种自举低噪声光电探测器，利用自举阻抗增强技术，结合低噪声芯片选择和电路设计，降低了探测器的噪声，实现了1-30MHz低噪声光电探测器，在国际范围内，该探测器在1-30MHz带宽范围内具有最低的噪声，等效输入电流噪声小于
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种自举低噪声光电探测器，其特征在于，用于测量1-30MHz光场信息，包括：光电二极管(3)、自举放大电路(1)、跨阻放大器(2)、电阻R13、电容C5、电容C6、阻交流高频元件(4)、同相比例放大器(5)，
所述光电二极管(3)的阴极通过电阻R13连接电源正极，阳极通过电容C5、电容C6与跨阻放大器(2)的输入端连接，跨组放大器(2)的输出端连接AC输出端；
所述光电二极管(3)的阳极还通过阻交流高频元件与同相比例放大器(5)的输入端连接，同相比例放大器(5)的输出端连接DC输出端；
所述自举放大电路(1)的输入端经电容C5与光电二极管(3)的阳极连接，输出端与光电二极管(3)阴极连接。
2.根据权利要求1所述的一种自举低噪声光电探测器，其特征在于，所述自举放大电路包括一级JFET放大器J1、二级JFET放大器J2、电阻R6、电阻R7、电阻R5、电容C2、电阻R14；
所述一级JFET放大器J1的引脚G依次经电阻R6、电阻R7与电容C5的输出端连接，所述一级JFET放大器J1的引脚G还依次经电阻R6、电阻R5与电源负极连接；
所述二级JFET放大器J2的引脚G依次经电容C2与一级JFET放大器J1的引脚D连接，所述二级JFET放大器J2的引脚D经电阻R14与光电二极管(3)阴极连接。
3.根据权利要求2所述的一种自举低噪声光电探测器，其特征在于，所述自举放大电路还包括电阻R4、电阻R3、电阻R2、电阻R1、电容C1、电容C3；
所述一级JFET放大器J1的引脚S通过电阻R4连接电源负极，引脚D通过电阻R3接地，所述电容C3与电阻R4并联；
所述二级JFET放大器J2的引脚S通过电阻R1接地，引脚G通过电阻R2接地，电容C1与电阻R1并联连接。
4.根据权利要求2所述的一种自举低噪声光电探测器，其特征在于，一级JFET放大器J1、二级JFET放大器J2的型号为NE3509M04，电容C2的电容值为10nf。
5.根据权利要求1所述的一种自举低噪声光电探测器，其特征在于，电容C5和电容C6的电容值分别为10nf和500pf；
光电二极管(3)采用结电容为1.1pf，量子效率为90％的光电二极管FD-100W。
6.根据权利要求1所述的一种自举低噪声光电探测器，其特征在于，跨阻放大器(2)包括跨阻运算放大芯片U1、电容C4、电阻R8、耦合电容C8、电阻R9；
跨阻运算放大芯片U1的反向输入端与电容C6的输出端连接，跨阻运算放大芯片U1的输出端经电阻R8与反向输入端相连，电容C4与电阻R8并联；跨阻运算放大芯片U1的正向输入端接去耦滤波的正向电压，跨阻运算放大芯片U1的正电源供电端接去耦滤波的正向电压，跨阻运算放大芯片U1的负电源端子接地，跨阻运算放大芯片U1的输出端依次经耦合电容C8、电阻R9连接SMD-KFD射频接头AC，作为总的射频输出端；电容C8和电阻R9之间接入接地保护电阻R10。
7.根据权利要求6所述的一种自举低噪声光电探测器，其特征在于，所述跨阻运算放大芯片U1的芯片型号为LTC6268-10。
8.根据权利要求1所述的一种自举低噪声光电探测器，其特征在于，阻交流高频元件(4)包括依次串联连接的电感L1、电感L2和电阻R12；其中电感L2的一端经电感L1与光电二极管(3)的阳极连接，另一端经电阻R12后接地，电感L2的另一端与同相比例放大器(5)的输入端连接；
电感L1为LQW绕线电感，电感值为470nH，电感L2为绕线电感，电感值为330uH；电阻R12的阻值为50欧。
9.根据权利要求1所述的一种自举低噪声光电探测器，其特征在于，整个电路均印刷在PCB板上，PCB板设计为双面板，一面放置所有器件，一面铺地，且信号线与芯片部分移除铜皮，防止产生寄生电容，信号线走线宽度均为10mil；所述PCB板放置在电磁屏蔽金属盒内，AC输出端和DC输出端均使用SMD-KFD射频接头固定在所述电磁屏蔽金属盒。
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| CN202210464873.2A CN114923567A (zh) | 2022-04-29 | 2022-04-29 | 一种自举低噪声光电探测器 |
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| CN202210464873.2A CN114923567A (zh) | 2022-04-29 | 2022-04-29 | 一种自举低噪声光电探测器 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116826499A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-09-29 | 山西大学 | 一种基于注入锁定技术的高功率单频脉冲激光器 |
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2022
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116826499A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-09-29 | 山西大学 | 一种基于注入锁定技术的高功率单频脉冲激光器 |
| CN116826499B (zh) * | 2023-06-13 | 2024-03-12 | 山西大学 | 一种基于注入锁定技术的高功率单频脉冲激光器 |
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