該光電探測(cè)器具有寬帶、高靈敏度響應(yīng)快、高增益、低噪聲、交直流同時(shí)監(jiān)測(cè)、成本低等優(yōu)點(diǎn)?？梢院芎糜糜诩す庵C振腔透射光微功率邊帶鎖頻穩(wěn)頻、模式監(jiān)視及諧振腔工作狀態(tài)鎖定。
[0024]本實(shí)施方式交流放大電路2、3所采用的芯片是一款低噪聲、高增益帶寬積放大芯片ΟΡΑ847。PIN光電二極管I選用低結(jié)電容光電二極管。采用小結(jié)電容的光電二極管可以提高信噪比，防止電路振蕩。交流一級(jí)放大采用跨阻放大，因?yàn)榭缱璺糯蟛坏軡M足較高的帶寬，還可以降低交流電流信號(hào)的損耗，從而提高信噪比。由于實(shí)際電感存在寄生電容，阻高頻元件6采用多電感和磁珠串聯(lián)方式，這樣可滿足在較寬頻率帶上都具有較高的阻抗，并且抑制低頻端引入噪聲對(duì)信號(hào)的影響。對(duì)于取樣電阻7，如果探測(cè)的光功率較強(qiáng)可以相對(duì)取小一點(diǎn)，反之取大一點(diǎn)，可取值12k Ω。
[0025]圖2是本探測(cè)器的原理圖。其中該電路采用正負(fù)15伏供電；Beadl是磁珠，其取值均為ΙΙ?ΩΟΙΟΟΜΗζ，Cl、C均為旁路電容，L3為10uH電感，高頻耦合電容C3為100pF。
[0026]在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，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(hào)走線寬約50mil，信號(hào)走線背面不鋪地。從而盡量避免寄生電容、分布電容和寄生電感的產(chǎn)生。信號(hào)線的分布電容會(huì)增加電路噪聲而降低信噪比，寄生電容、分布電容和寄生電感都還可能使電路不穩(wěn)定。
[0027]在實(shí)驗(yàn)中需要將高頻信號(hào)通過(guò)電光調(diào)制器，將調(diào)制信號(hào)加載到光上，這就一般需要一個(gè)功率放大器，這樣就會(huì)造成很強(qiáng)的電磁輻射。那探測(cè)器必須具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，否則將會(huì)極大的影響探測(cè)器的信噪比。本發(fā)明采用抗EMI設(shè)計(jì)，將PCB裝在抗電磁屏蔽金屬盒內(nèi)，輸出信號(hào)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。如圖5的Electric Noise的曲線，實(shí)驗(yàn)獲得了較低的電子學(xué)噪聲，并且在調(diào)制頻率處的噪聲功率很小，在測(cè)驗(yàn)中測(cè)量了未采用抗EMI設(shè)計(jì)的噪聲功率，其曲線基本和有2.2 yW光功率輸入時(shí)的曲線相當(dāng)，顯然未經(jīng)抗干擾處理的探測(cè)器不能用于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中。
[0028]圖3所示的是實(shí)驗(yàn)中邊帶鎖頻穩(wěn)頻和諧振腔工作狀態(tài)鎖定原理示意圖。其中8為腔鎖定光學(xué)諧振腔所用的壓電陶瓷(諧振腔的輸出鏡粘附于其上面)，通過(guò)改變電壓可以改變壓電陶瓷的長(zhǎng)度，從而改變諧振腔的腔長(zhǎng)；9為諧振腔輸出光的導(dǎo)光鏡，由于任何的損耗都會(huì)引起諧振腔輸出壓縮態(tài)光場(chǎng)及糾纏態(tài)光場(chǎng)壓縮度的降低，本發(fā)明只利用其導(dǎo)光鏡后透射的微弱光場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振腔腔長(zhǎng)及工作狀態(tài)的鎖定；10為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的微功率寬帶光電探測(cè)器；11為注入信號(hào)及泵浦光光路中的壓電陶瓷，用于鎖定注入諧振腔信號(hào)光及泵浦光之間的相對(duì)位相，從而控制諧振腔的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，高頻信號(hào)源產(chǎn)生頻率為46.75MHz正弦信號(hào)，并將其經(jīng)位相調(diào)制器加載到基頻光上。信號(hào)光經(jīng)諧振腔輸出后，經(jīng)過(guò)9大部分反射用于壓縮態(tài)光場(chǎng)及糾纏態(tài)光場(chǎng)測(cè)量及應(yīng)用，極少部分透射光進(jìn)入探測(cè)器。經(jīng)微功率寬帶光電探測(cè)器10處理后，得到高頻信號(hào)和低頻信號(hào)，分別從微功率寬帶光電探測(cè)器的AC和DC端輸出。
[0029]將AC信號(hào)與高頻信號(hào)源14輸出的另外一路信號(hào)在混頻器MIX中混頻，得到諧振腔鎖定所需要的誤差信號(hào)(鑒頻信號(hào))，光學(xué)諧振腔透射峰及對(duì)應(yīng)的鑒頻信號(hào)曲線如圖4所示。誤差信號(hào)再經(jīng)PID控制器進(jìn)行控制，高壓放大器HV放大后加載到腔體的壓電陶瓷8上，就可以實(shí)現(xiàn)諧振腔腔長(zhǎng)的鎖定。
[0030]而DC端輸出的低頻信號(hào)，可以直接用示波器12監(jiān)測(cè)諧振腔透射模式，如圖4所示。同時(shí)，將其輸入鎖相放大器13獲得誤差信號(hào)，再經(jīng)過(guò)另外一套PID控制器和高壓放大器HV進(jìn)行處理放大，并將處理后的控制信號(hào)加載到壓電陶瓷11上，就可以實(shí)現(xiàn)諧振腔工作狀態(tài)的鎖定。
[0031]圖4為給諧振腔加掃描信號(hào)得到的諧振腔透射模式及對(duì)應(yīng)的諧振腔鎖定誤差信號(hào)(鑒頻信號(hào))。其峰值光功率為2.2 μ W。
[0032]圖5是本發(fā)明光電探測(cè)器的輸出功率譜。實(shí)驗(yàn)中將探測(cè)器的AC端接頻譜分析儀，可觀測(cè)到探測(cè)器的輸出功率譜，圖中為注入光功率分別為2.2 μ W，0.4 μ W時(shí)探測(cè)器輸出的功率譜和探測(cè)器的電子學(xué)噪聲?？梢钥闯鎏綔y(cè)器帶寬為80MHz左右。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微功率寬帶光電探測(cè)器，其特征在于，包括PIN光電二極管(I )，PIN光電二極管(I)的正極分別連接有高頻耦合電容(5)和阻高頻元件(6);高頻耦合電容(5)另一端連接有尚頻跨阻放大電路(2)，尚頻跨阻放大電路(2)的輸出端連接有尚頻反相比例放大電路(3)，高頻反相比例放大電路(3)的輸出端作為AC端；阻高頻元件(6)的一端與PIN光電二極管(I)的正極相連接，阻高頻元件(6)的另一端分別連接有低頻直流放大電路(4)和取樣電阻(7)，低頻直流放大電路(4)的另一端作為DC端；取樣電阻(7)的另一端接地；當(dāng)光場(chǎng)入射到PIN光電二極管(I)后，PIN光電二極管(I)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的光電流信號(hào)，光電流信號(hào)經(jīng)高頻耦合電容(5)和阻高頻元件(6)分成高頻信號(hào)和低頻信號(hào)兩部分；所述高頻信號(hào)為頻率范圍>MHz的交流信號(hào)，所述低頻信號(hào)為頻率范圍〈MHz的低頻直流信號(hào)；高頻信號(hào)經(jīng)高頻耦合電容(5 )耦合，再經(jīng)高頻跨阻放大電路(2 )和高頻反相比例放大電路(3 )放大，由AC端輸出；低頻直流信號(hào)經(jīng)阻高頻元件(6)，并經(jīng)取樣電阻(7)獲得電壓信號(hào)，再經(jīng)低頻直流放大電路(4)放大，由DC端輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的微功率寬帶光電探測(cè)器，其特征在于，所述PIN光電二極管(I)采用加反偏電壓后結(jié)電容小于5pF的光電二極管。
3.如權(quán)利要求1或2所述的微功率寬帶光電探測(cè)器，其特征在于，所述的高頻跨阻放大電路(2)包括TI公司生產(chǎn)第一放大芯片0PA847 ;高頻耦合電容(5)接第一放大芯片0PA847的引腳2，第一放大芯片0PA847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0PA847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0PA847的引腳2與引腳6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0PA847的引腳4和引腳7分別接經(jīng)過(guò)旁路濾波和去耦的_5V、+5V電源。
4.如權(quán)利要求1或2所述的微功率寬帶光電探測(cè)器，其特征在于，所述的高頻反相比例放大電路(3)包括一個(gè)TI公司產(chǎn)的第二放大芯片0PA847 ;高頻跨阻放大電路(2)的輸出端連接有輸入電阻R7，R7另一端接第二放大芯片0PA847的引腳2 ;第二放大芯片0PA847引腳3接與R7取值一樣的電阻R9，R9另一端接地；第二放大芯片0PA847的引腳2和引腳6之間連接有反饋電阻RH，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0PA847的引腳6再接1nF電容C9和50 Ω電阻50R輸出。
5.如權(quán)利要求1或2所述的微功率寬帶光電探測(cè)器，其特征在于，所述的阻高頻元件(6)由330uH電感、10uH電感和磁珠Bead3串聯(lián)組合而成。
6.如權(quán)利要求1或2所述的微功率寬帶光電探測(cè)器，其特征在于，所述的低頻直流放大電路(4)包括低噪聲低偏置放大芯片OP27，放大芯片OP27引腳3連接有10ΚΩ電阻R4，R4電阻另一端接在取樣電阻(7)和阻高頻元件(6)之間，放大芯片OP27引腳2連接有一個(gè)接地電阻R3，放大芯片OP27的引腳2與引腳6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(guò)旁路濾波的電源。
7.如權(quán)利要求1或2所述的微功率寬帶光電探測(cè)器，其特征在于，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(hào)走線均寬為50mil，信號(hào)走線背面不鋪地。
8.如權(quán)利要求7所述的微功率寬帶光電探測(cè)器，其特征在于，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(hào)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。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種適于微瓦及百納瓦功率激光入射的寬帶光電探測(cè)器，可用于激光諧振腔腔長(zhǎng)邊帶鎖頻，工作狀態(tài)鎖定同時(shí)監(jiān)測(cè)諧振腔模式。將微瓦及百納瓦功率光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的光電流信號(hào)經(jīng)跨阻前置放大轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)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(hào)，同時(shí)探測(cè)器具有直流信號(hào)輸出，可監(jiān)視入射光功率的大小及諧振腔的透射模式。該探測(cè)器包括PIN光電二極管，高頻跨阻放大電路，高頻反相比例放大電路，高頻耦合電容，阻高頻元件，取樣電阻和低頻直流放大電路。該光電探測(cè)器具有帶寬寬、高靈敏度、響應(yīng)快、高增益、低噪聲、交直流同時(shí)監(jiān)測(cè)、成低等優(yōu)點(diǎn)?？梢院芎糜糜诩す庵C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。
【IPC分類】G01J1-42, G01D5-30
【公開(kāi)號(hào)】CN104567954
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510066076
【發(fā)明人】秦際良, 賈曉軍, 靳曉麗, 彭堃墀
【申請(qǐng)人】山西大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年2月9日