微功率寬帶光電探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電探測器，具體涉及量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)諧振腔鎖定系統(tǒng)中的光電探測器，具體是一種用于探測諧振腔輸出光經(jīng)高反鏡的微弱透射光，并利用邊帶鎖頻穩(wěn)頻方法，可以很好的實(shí)現(xiàn)諧振腔的腔長及工作狀態(tài)鎖定的微功率寬帶光電探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]量子信息是當(dāng)今世界一個(gè)重要的研宄課題，利用量子糾纏完成的信息傳遞與處理，為人們提供了發(fā)展更安全的通信和更快速計(jì)算的途徑。隨著量子信息研宄的深入發(fā)展，人們對壓縮態(tài)光場的壓縮度和糾纏態(tài)光場的糾纏度要求越來越高。而壓縮態(tài)光場和糾纏態(tài)光場一般都是通過不同類型的光學(xué)參量諧振腔輸出而得到。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了使得光學(xué)參量振蕩腔能連續(xù)穩(wěn)定輸出壓縮態(tài)光場或者糾纏態(tài)光場，必須將光學(xué)參量振蕩腔鎖定在注入信號光的諧振頻率上，鎖定精度的高低對最終輸出壓縮態(tài)光場的壓縮度或者糾纏態(tài)光場的糾纏度影響很大。為了獲得高壓縮度的壓縮態(tài)光場或者高糾纏度的糾纏態(tài)光場，就必須實(shí)現(xiàn)光學(xué)參量諧振腔的高精度鎖定。
[0003]用于產(chǎn)生壓縮態(tài)及糾纏態(tài)光場的光學(xué)參量諧振腔一般都是通過邊帶鎖頻的辦法實(shí)現(xiàn)諧振腔與注入光場的頻率鎖定。在邊帶鎖頻系統(tǒng)中，我們需要在激光上加載一個(gè)頻率為1-SOMHz左右的調(diào)制信號，并對諧振腔反射的信號進(jìn)行探測解調(diào)獲得鎖定腔長長度的誤差信號，然后將信號反饋回驅(qū)動光學(xué)諧振腔的壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)諧振腔腔長的鎖定。在以前的鎖定系統(tǒng)中，為了獲得較好的誤差信號，一般將光學(xué)諧振腔的反射光測量后進(jìn)行混頻產(chǎn)生鎖腔的誤差信號，這時(shí)，雖然可以保證入射到光電探測器的信號光比較強(qiáng)(一般在毫瓦量級)，但是此時(shí)產(chǎn)生的誤差信號容易受到激光功率波動的影響，使得誤差信號上下波動，降低了諧振腔鎖定的精度。光學(xué)諧振腔的透射光功率一般在百微瓦量級，但是這些光是需要進(jìn)行量子信息研宄的，所以能用來鎖定光學(xué)諧振腔的光只能是壓縮態(tài)或者糾纏態(tài)光場在經(jīng)過高反鏡反射時(shí)從高反鏡后面透射出的少量光束，其能量一般在微瓦量級或者百納瓦量級，這就要求探測器必須對這個(gè)量級的光束有很好的響應(yīng)，以產(chǎn)生鎖定諧振腔腔長所需的誤差信號。
[0004]在獲得壓縮態(tài)及糾纏態(tài)光場的產(chǎn)生系統(tǒng)中，除了要控制諧振腔的腔長外，我們還需要控制諧振腔泵浦光及注入信號光之間的相對位相。在以前的產(chǎn)生系統(tǒng)中，一般需要利用另外一個(gè)低頻光電探測器提供誤差信號，鎖定泵浦光及注入信號光之間的相對位相，使得整個(gè)裝置布局復(fù)雜，接線繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對光學(xué)諧振腔鎖定問題提供一種具有高增益、高帶寬、高信噪比的微功率寬帶光電探測器，其可以很好實(shí)現(xiàn)在幾百納瓦到幾微瓦光功率條件下對諧振腔的鎖定。
[0006]本發(fā)明提供的微功率寬帶光電探測器是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種微功率寬帶光電探測器，包括PIN光電二極管，PIN光電二極管的正極分別連接有高頻耦合電容和阻尚頻兀件；尚頻親合電容另一端連接有尚頻跨阻放大電路，尚頻跨阻放大電路的輸出端連接有高頻反相比例放大電路，高頻反相比例放大電路的輸出端作為AC端；阻高頻元件的一端與PIN光電二極管的正極相連接，阻高頻元件的另一端分別連接有低頻直流放大電路和取樣電阻，低頻直流放大電路的另一端作為DC端；取樣電阻的另一端接地；當(dāng)光場入射到PIN光電二極管后，PIN光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的光電流信號，光電流信號經(jīng)高頻耦合電容和阻高頻元件分成高頻信號和低頻信號兩部分；所述高頻信號為頻率范圍>MHz的交流信號，所述低頻信號為頻率范圍〈MHz的低頻直流信號；高頻信號經(jīng)高頻耦合電容耦合，再經(jīng)高頻跨阻放大電路和高頻反相比例放大電路放大，由AC端輸出；低頻直流信號經(jīng)阻高頻元件，并經(jīng)取樣電阻獲得電壓信號，再經(jīng)低頻直流放大電路放大，由DC端輸出。
[0007]進(jìn)一步的，所述PIN光電二極管采用加反偏電壓后結(jié)電容小于5pF的光電二極管。所述的PIN光電二極管具有較小的結(jié)電容，而對量子效率要求不大，選擇量子效率低的光電二極管可降低成本。
[0008]進(jìn)一步的，所述的高頻跨阻放大電路包括TI公司生產(chǎn)第一放大芯片OPA847 ;高頻耦合電容接第一放大芯片OPA847的引腳2 (反相輸入端)，第一放大芯片OPA847的引腳3順次連接有串聯(lián)的電容C4和磁珠bead2，第一放大芯片OPA847的引腳3還連接有電阻R2，磁珠bead2與R2均接地；第一放大芯片OPA847的引腳2與引腳6 (輸出端)之間連接有相串聯(lián)的反饋電容C5和C6，引腳2與引腳6之間還連接有跨阻R5 ;第一放大芯片OPA847的引腳4和引腳7分別接經(jīng)過旁路濾波和去耦的-5V、+5V電源。
[0009]進(jìn)一步的，所述的高頻反相比例放大電路包括一個(gè)TI公司產(chǎn)的第二放大芯片OPA847 ;高頻跨阻放大電路的輸出端連接有輸入電阻R7，R7另一端接第二放大芯片OPA847的引腳2 (反相輸入端);第二放大芯片OPA847引腳3 (同相輸入端)接與R7取值一樣的電阻R9，R9另一端接地；第二放大芯片OPA847的引腳2和引腳6 (輸出端)之間連接有反饋電阻R11，引腳2和引腳6之間還連接有串聯(lián)的反饋電容C7和C8，第二放大芯片OPA847的引腳6再接1nF電容C9和50 Ω電阻50R輸出。
[0010]進(jìn)一步的，所述的阻高頻元件由330uH電感、10u電感和磁珠Bead3串聯(lián)組合而成。
[0011]進(jìn)一步的，所述的低頻直流放大電路包括低噪聲低偏置放大芯片OP27，放大芯片OP27引腳3(同相輸入端)連接有10ΚΩ電阻R4，R4電阻另一端接在取樣電阻和阻高頻元件之間，放大芯片OP27引腳2 (反相輸入端)連接有一個(gè)接地電阻R3，放大芯片OP27的引腳2與引腳6 (輸出端)之間連接有反饋電阻R6，引腳6分別連接接地電阻R8和輸出電阻RlO輸出，放大芯片OP27引腳4、7分別接-15V、+15V經(jīng)過旁路濾波的電源。
[0012]進(jìn)一步的，所述各個(gè)電路均印刷在PCB板上，PCB板設(shè)計(jì)采用雙面板并鋪地，避免兩面平行走線，在芯片下面及背面都不鋪地，信號走線均寬為50mil，信號走線背面不鋪地。
[0013]采用抗電磁干擾設(shè)計(jì)，將PCB板裝在抗電磁屏蔽金屬盒內(nèi)，輸出信號與BNC接口采用同軸線相連；并采用鋰電池作電源供電，電源線用同軸線并盡量短。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果:為了保證諧振腔的鎖定效果，現(xiàn)有的光學(xué)諧振腔鎖定技術(shù)一般采用邊帶鎖頻技術(shù)進(jìn)行腔長的鎖定。由于諧振腔鎖定后能用來鎖定諧振腔的光信號很小，為保證入射到探測器光信號功率的大小而產(chǎn)生合適的誤差信號，一般都采用諧振腔的反射信號光來產(chǎn)生鎖定所需要的誤差信號。但是在這種情況下，如果諧振腔的入射光功率稍有波動，就會引起諧振腔反射光的功率波動，從而引起誤差信號的漂移，造成諧振腔鎖定精度的降低。還有一些采用APD雪崩二極管的高增益微功率探測器可以測量微瓦量級功率的光信號，但是雪崩二極管噪聲大，而且需要較大的反偏電壓，一般需要幾十伏到幾百伏，其倍增因子受溫度和反偏電壓影響較大，如果沒有穩(wěn)定的溫度控制和穩(wěn)定的電壓，輸出將不穩(wěn)定，對諧振腔鎖定有較大影響。
[0015]本發(fā)明正好彌補(bǔ)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，在增益和帶寬上都取得很大進(jìn)步，能夠?qū)⑽⑼呒鞍偌{瓦功率光信號轉(zhuǎn)換成的光電流信號經(jīng)跨阻前置放大轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過高頻反相比例放大輸出滿足邊帶鎖頻系統(tǒng)所需要的信號，實(shí)現(xiàn)利用微弱透射光對諧振腔的鎖定。而且本發(fā)明的探測器同時(shí)具有直流信號放大功能，可通過直流輸出端監(jiān)測光是否打進(jìn)探測器，還可監(jiān)視并匹配腔的模式，并且可用于諧振腔工作狀態(tài)的鎖定。與以前需要兩套探測系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)諧振腔腔長和工作狀態(tài)鎖定系統(tǒng)相比，也簡化了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
[0016]本發(fā)明具有帶寬寬、高靈敏度、響應(yīng)快、高增益、低噪聲、交直流同時(shí)監(jiān)測、成本低等優(yōu)點(diǎn)。可以很好用于激光諧振腔透射光微功率邊帶穩(wěn)頻、模式監(jiān)視及工作狀態(tài)鎖定。
【附圖說明】
[0017]圖1本發(fā)明所述微功率光電探測器的原理示意圖。
[0018]圖2本發(fā)明所述微功率光電探測器的核心電路圖。
[0019]圖3本發(fā)明應(yīng)用于邊帶鎖頻穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)中的工作原理圖。
[0020]圖4加掃描信號，峰值光功率為2.2 μ W時(shí)鑒頻曲線與諧振腔透射模式。
[0021]圖5本發(fā)明所述的微功率光電探測器輸出功率譜。
[0022]1-PIN光電二極管，2-高頻跨阻放大電路，3-高頻反相比例放大電路，4_低頻直流放大電路、5-高頻耦合電容，6-阻高頻元件，7-取樣電阻、8-腔鎖定光學(xué)諧振腔所用的壓電陶瓷，9-諧振腔輸出光的導(dǎo)光鏡，10-微功率寬帶光電探測器，11-注入信號及泵浦光光路中的壓電陶瓷，12-示波器，13-鎖相放大器，14-高頻信號源。
【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1所示的是本發(fā)明所述的微瓦量級光功率寬帶光電探測器，可用于激光微功率邊帶鎖頻穩(wěn)頻，位相鎖定同時(shí)監(jiān)測激光模式。具體是基于一種低噪聲寬帶放大芯片，將光電流信號經(jīng)跨阻前置放大轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過高頻反相比例放大。包括PIN光電二極管1，高頻跨阻放大電路2，高頻反相比例放大電路3，高頻耦合電容5，阻高頻元件6，取樣電阻7和低頻直流放大電路4。