CN115127672A - 一种共振平衡零拍探测微弱光的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大电路、选频电感、选频电容、二级电压放大器电路、滤波电阻、滤波电容和直流同相比例放大电路；该光电探测装置只在共振频率处有响应，避免了放大器芯片增益带宽积的限制，在高频处也有高增益。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种共振平衡零拍探测微弱光的装置。
背景技术
量子测量连接了量子世界和经典世界，在量子传感、密码学和量子计算等量子技术中发挥着重要作用。光电探测是理想的量子测量方法之一，可以获得接近100％的量子效率以及高信噪比，从而在引力波探测、量子增强光学相位跟踪、压缩态探测、量子态重构和基于测量的量子操作中得到应用。光电探测根据检测方式可以分为直接探测和相干探测，相干探测可以探测光的频率、振幅、相位等信息，应用更加广泛。相干探测又可以根据信号光和本地光频率的差值分为零拍探测和差拍探测，零拍探测可以探测压缩态等非经典光场，在探测微弱光方面有重要价值。
由于量子噪声在物理上无法直接消除，使得微弱光探测难以实现。近几十年的实验研究证明，压缩态光场能够突破标准量子极限，所以对压缩态的探测显得尤为重要，而平衡零拍探测是探测压缩态光场量子噪声的重要技术手段。与此同时，信噪比和饱和功率成了制约低频段平衡零拍探测的重要参数。用于量子光学的传统宽带零拍探测器的带宽受光电二极管的终端电容限制通常低于100MHz，而共振结构可以实现高跨阻增益和良好的信噪比。另外，平衡零拍探测方式通常需要比信号功率至少高一个数量级的本地光功率。这在信号功率本身就很高的情况时，如果再加一个更高功率的本地光很容易让探测器饱和。
现有的平衡零拍探测器的信噪比大多不是很高，尤其是在高频区域，受增益带宽积的限制，普通宽带平衡零拍探测器随着频域增高的同时带宽在增大，但增益却逐渐减小。少数的较高值是在高输入光功率的基础上测量出来的，实际使用效果不是很好。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的平衡零拍探测器易饱和的问题，本发明提供一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，可以只放大特定频率处的信号，从而避免了放大器芯片增益带宽积的限制，在高频处也有高增益。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，包括第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大电路、选频电感、选频电容、二级电压放大器电路、滤波电阻、滤波电容和直流同相比例放大电路；
所述第一光电二极管的阴极连接+5V电压，所述第一光电二极管的阳极与所述第二光电二极管的阴极连接，连接结点为结点a，所述第二光电二极管的阳极连接-5V电压；
所述跨阻放大电路的输入端与所述结点a连接，所述跨阻放大电路的输出端与所述选频电感的输入端连接，连接结点为结点b，所述选频电感的输出端与所述选频电容的输入端连接；
所述选频电容的输出端与所述二级电压放大器电路的反向输入端连接，所述二级电压放大器电路的输出端与BNC头连接；
所述滤波电阻的输入端与所述结点b连接，所述滤波电阻的输出端与所述滤波电容的一端连接，连接结点为结点c，所述滤波电容的另一端接地；
所述直流同相比例放大电路的输入端与所述结点c连接，所述直流同相比例放大电路的输出端与另一BNC头连接。
可选地，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管，在连续光下测量时采用S5971，在脉冲光下测量时采用FD100。
可选地，所述跨阻放大电路包括跨阻放大芯片OPA690；
所述跨阻放大芯片OPA690的引脚4与所述结点a连接，所述跨阻放大芯片OPA690的引脚3接地，所述跨阻放大芯片OPA690的引脚1与所述结点b连接，所述跨阻放大芯片OPA690的引脚2和引脚6分别与经滤波的-5V和+5V电源连接。
可选地，所述二级电压放大器电路包括电压放大芯片LMH6624；
所述电压放大芯片LMH6624的引脚3与所述选频电容连接，所述电压放大芯片LMH6624的引脚2和引脚6之间连接有电阻，同时所述电压放大芯片LMH6624的引脚6还连接有电阻R8输出，所述电压放大芯片LMH6624的引脚4和引脚7分别与经滤波的-5V和+5V电源连接。
可选地，所述直流同相比例放大电路包括放大芯片OP27；
所述放大芯片OP27的引脚3与所述滤波电阻连接，所述放大芯片OP27的引脚2和引脚3之间连接有滑动变阻器，所述放大芯片OP27的引脚6与电阻R12连接，所述放大芯片OP27的引脚4和引脚7分别与经滤波的-5V和+5V电源连接。
可选地，所述选频电感和所述选频电容组成选频电路，所述选频电路用于通过共振频率处的信号，滤除噪声。
可选地，所述跨阻放大芯片OPA690的引脚1和引脚4之间并联有反馈电容C1、反馈电阻R2和共振电感L1。
可选地，所述滑动变阻器的最大阻值为10kΩ。
本发明具有如下技术效果：
本发明提出的共振平衡零拍探测器可以只放大特定频率处的信号，从而避免了放大器芯片增益带宽积的限制，在高频处也有高增益。
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为本发明实施例共振平衡零拍探测微弱光装置的原理示意图；
图2为本发明实施例共振平衡零拍探测微弱光装置的电路图；
图3为本发明实施例共振平衡零拍探测微弱光装置应用于光电探测的工作原理图；
图4为本发明实施例共振平衡零拍探测微弱光装置在不同功率下的输出功率谱；
图5为本发明实施例共振平衡零拍探测微弱光装置入射单个和两个光电二极管的输出功率谱；
图6为本发明实施例共振平衡零拍探测微弱光装置在量子噪声峰值处的线性度。
附图标记说明：1、第一光电二极管；2、第二光电二极管；3、跨阻放大电路；4、选频电感；5、选频电容；6、二级电压放大器电路；7、滤波电阻；8、滤波电容；9、直流同相比例放大电路；L1、共振电感；C1、反馈电容。
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。
实施例
如图1所示，本发明公开一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，包括：
第一光电二极管1、第二光电二极管2、跨阻放大电路3、选频电感4、选频电容5、二级电压放大器电路6、滤波电阻7、滤波电容8和直流同相比例放大电路9；
第一光电二极管1的阴极连接+5V电压，阳极与第二光电二极管2的阴极连接，连接结点为结点a，第二光电二极管2的阳极连接-5V电压；跨阻放大电路3的输入端与结点a连接，跨阻放大电路3的输出端与选频电感4的输入端连接，连接结点为结点b，选频电感4的输出端与选频电容5的输入端连接；选频电容5的输出端与二级电压放大器电路6的反向输入端连接，二级电压放大器电路6的输出端与BNC头连接输出交流信号；滤波电阻7的输入端与结点b连接，滤波电阻7的输出端与滤波电容8的一端连接，连接结点为结点c，滤波电容8的另一端接地；直流同相比例放大电路9的输入端与结点c连接，直流同相比例放大电路9的输出端与另一BNC头连接输出直流信号。
进一步地，第一光电二极管1和第二光电二极管2，在连续光下测量时采用S5971，在脉冲光下测量时采用FD100。
进一步地，滤波电阻7和滤波电容8组成的滤波电路可以滤除交流信号。
进一步地，选频电感4和选频电容5组成选频电路，只选择共振频率处的电流信号通过，滤除其他频率可能产生的噪声，保证共振频率的稳定。
如图2所示，跨阻放大电路3包括跨阻放大芯片OPA690，跨阻放大芯片OPA690的引脚4与结点a连接，跨阻放大芯片OPA690的引脚3接地，跨阻放大芯片OPA690的引脚1与结点b连接，跨阻放大芯片OPA690的引脚2和引脚6分别与经滤波的-5V和+5V电源连接。跨阻放大芯片OPA690的引脚1和引脚4之间并联有反馈电容C1、反馈电阻R2和共振电感L1。
二级电压放大器电路6包括电压放大芯片LMH6624，电压放大芯片LMH6624的引脚3与选频电容5连接，电压放大芯片LMH6624的引脚2和引脚6之间连接有电阻值为715Ω的电阻R6，同时电压放大芯片LMH6624的引脚6还连接有电阻值为50Ω的电阻R8输出，电压放大芯片LMH6624的引脚4和引脚7分别与经滤波的-5V和+5V电源连接。
直流同相比例放大电路9包括放大芯片OP27，放大芯片OP27的引脚3与滤波电阻7连接，放大芯片OP27的引脚2和引脚3之间连接有最大电阻值为10kΩ的滑动变阻器，放大芯片OP27的引脚6与电阻值为50Ω的电阻R12连接，放大芯片OP27的引脚4和引脚7分别与经滤波的-5V和+5V电源连接。
如图3所示，当光场分别入射到第一光电二极管1和第二光电二极管2后，光电二极管将入射的光信号转换为相对应的电流信号，电流信号经过跨阻放大电路3和共振电路(电感L1和电容C1组成共振电路，电容C1、电阻R2和放大芯片OPA690组成跨阻放大电路，共振电路和跨阻放大电路3结合在一起)后，再经过选频电路和滤波电阻7，将电流信号分成交流信号和直流信号两部分，其中，交流信号经选频电路，再经二级电压放大器电路6由AC端输出；直流信号经滤波电阻7和滤波电容8组成的滤波电路，进一步滤除交流信号获得稳定直流信号，获得的稳定直流信号再经直流同相比例放大电路9放大，由DC端输出，本发明共振平衡零拍探测微弱光装置在不同入射光功率下的输出功率谱图如图4所示，探测器在不同光功率下的输出功率谱，最底下线是电子学噪声，其余从下到上依次为光功率0.5mW、1mW、2mW、4mW、8mW、16mW、32mW、64mW对应的不同频率处的输出功率。
共振平衡零拍探测微弱光装置光信号入射单个和两个光电二极管的输出功率谱图如图5所示，测量步骤如下，第一步，我们挡住任意一个光电二极管，调节入射光总功率至32mW即单边功率为16mW，用频谱分析仪记下探测器此时的交流输出谱线，该谱线就是此时未挡住的光电二极管探测到的量子噪声谱线；第二步，反过来挡住另一个光电二极管，并用频谱分析仪记下此时探测器的交流输出谱线；第三步，我们不遮挡光电二极管，使用频谱分析仪记下此时光电流差的交流噪声谱线。我们知道虽然光电流是相减的，但是其携带的量子噪声的能量却是相加的。因此单管光电流噪声谱应是光电流差噪声谱能量的一半，对应图中曲线也就是单边比双边低3dB左右。
图6展示了探测器的线性度，实验数据点越集中在一条直线上表明探测器线性度越好，测量的准确性也就越高。图中虚线表示电子学噪声，方块表示没有消除电子学噪声的影响时，20MHz处不同光功率下对应的探测器的输出功率，圆圈表示消除电子学噪声后，20MHz处不同光功率下对应的探测器的输出功率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，其特征在于，包括第一光电二极管(1)、第二光电二极管(2)、跨阻放大电路(3)、选频电感(4)、选频电容(5)、二级电压放大器电路(6)、滤波电阻(7)、滤波电容(8)和直流同相比例放大电路(9)；
所述第一光电二极管(1)的阴极连接+5V电压，所述第一光电二极管(1)的阳极与所述第二光电二极管(2)的阴极连接，连接结点为结点a，所述第二光电二极管(2)的阳极连接-5V电压；
所述跨阻放大电路(3)的输入端与所述结点a连接，所述跨阻放大电路(3)的输出端与所述选频电感(4)的输入端连接，连接结点为结点b，所述选频电感(4)的输出端与所述选频电容(5)的输入端连接；
所述选频电容(5)的输出端与所述二级电压放大器电路(6)的反向输入端连接，所述二级电压放大器电路(6)的输出端与BNC头连接；
所述滤波电阻(7)的输入端与所述结点b连接，所述滤波电阻(7)的输出端与所述滤波电容(8)的一端连接，连接结点为结点c，所述滤波电容(8)的另一端接地；
所述直流同相比例放大电路(9)的输入端与所述结点c连接，所述直流同相比例放大电路(9)的输出端与另一BNC头连接。
2.根据权利要求1所述的一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，其特征在于，所述第一光电二极管(1)和所述第二光电二极管(2)，在连续光下测量时采用S5971，在脉冲光下测量时采用FD100。
3.根据权利要求1所述的一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，其特征在于，所述跨阻放大电路(3)包括跨阻放大芯片OPA690；
所述跨阻放大芯片OPA690的引脚4与所述结点a连接，所述跨阻放大芯片OPA690的引脚3接地，所述跨阻放大芯片OPA690的引脚1与所述结点b连接，所述跨阻放大芯片OPA690的引脚2和引脚6分别与经滤波的-5V和+5V电源连接。
4.根据权利要求1所述的一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，其特征在于，所述二级电压放大器电路(6)包括电压放大芯片LMH6624；
所述电压放大芯片LMH6624的引脚3与所述选频电容(5)连接，所述电压放大芯片LMH6624的引脚2和引脚6之间连接有电阻(R6)，同时所述电压放大芯片LMH6624的引脚6还连接有电阻(R8)输出，所述电压放大芯片LMH6624的引脚4和引脚7分别与经滤波的-5V和+5V电源连接。
5.根据权利要求1所述的一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，其特征在于，所述直流同相比例放大电路(9)包括放大芯片OP27；
所述放大芯片OP27的引脚3与所述滤波电阻(7)连接，所述放大芯片OP27的引脚2和引脚3之间连接有滑动变阻器，所述放大芯片OP27的引脚6与电阻(R12)连接，所述放大芯片OP27的引脚4和引脚7分别与经滤波的-5V和+5V电源连接。
6.根据权利要求1所述的一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，其特征在于，所述选频电感(4)和所述选频电容(5)组成选频电路，所述选频电路用于通过共振频率处的信号，滤除噪声。
7.根据权利要求3所述的一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，其特征在于，所述跨阻放大芯片OPA690的引脚1和引脚4之间并联有反馈电容(C1)、反馈电阻(R2)和共振电感(L1)。
8.根据权利要求5所述的一种共振平衡零拍探测微弱光的装置，其特征在于，所述滑动变阻器的最大阻值为10kΩ。
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