封面解析

       极微弱信号提取广泛应用于精密测量、量子信息以及雷达探测等领域。本封面以探测黑洞合并释放的极微弱有效信号为类比，利用光电二极管具有结电容特性和低损电感组成谐振电路，对激光中微弱调制信号进行“窄而精”的专心探测，实现高信噪比微弱信号提取。

《光学学报》2023年第07期封面文章 |李卫；武志学；王庆伟；李瑞鑫；李庆回；鞠明健；高子超；尚鑫；田龙；郑耀辉. 高信噪比集成化共振光电探测器研究[J]. 光学学报, 2023, 43(07): 0704001.

导读

       本文通过理论分析共振电路及跨阻放大电路，在选定低噪声器件及优化电路布局等基础上，研发出共振型光电探测器（RPD），可为光电反馈控制及制备连续变量非经典光场提供关键器件。

研究背景

       受益于半导体工业的快速发展，不同波长范围的光电探测系统已经在天文学，高分辨率成像，材料识别，量子信息以及量子光学等方面发挥了重要作用。

       在量子光学制备连续变量量子光源中，需要进行多路腔长及位相的锁定，锁定精度直接影响量子光源性能；这其中Pound-Drever-Hal（PDH）锁定技术是最常用的、也是最有效的技术之一，利用电光相位调制器进行激光相位调制是实现标准PDH稳频锁定的首要过程，光电探测则可将携带的微弱调制信号及谱峰信号等信息进行光电转化为电信号，后续经过比例积分微分等电路进行反馈控制，以便实现稳定锁定及稳频等目标。

       传统光电探测器利用光电二极管将光信号转化为成比例的光电流，通过跨阻放大器将其转换为电压信号、并将所有光电流信号进行放大。然而光电二极管具有一定结电容，结合可变电感可以形成电感电容（LC）共振电路，使其对特定频率信号进行共振增强，也就是共振型光电探测器（RPD）。LC共振电路可等效为一个带通滤波器，只放大需要的频段，抑制不需要的频段的噪声，实现特定频段的高增益探测以及微弱信号提取。

谐振光电探测研究

       电感（L）电容（Cd）串联谐振增强电路利用电容电感之间能量传递可以实现选频网络，典型串联谐振回路如图1所示，其中Rd通常指的是电感线圈损耗以及光电二极管等效暗电阻的总损耗。

图1 谐振探测器等效回路

       不同光电二极管的结电容大小不一，这就需要匹配合适的电感进行谐振探测，根据谐振原理进行谐振电路及跨阻放大电路进行整体设计，通过选定低噪声运算放大器芯片、低温漂系数元件；采用高频电路板材和敷铜工艺降低电路板的杂散电容；优化电路布局，避免电子元件在电路板中排布不合理导致相互串扰，实际电路图如图2所示。

图2 谐振探测器电路图

       光电转换器件采用ETX500T的InGaAs光电二极管，其响应度η约为0.95 A/W@1550 nm。在上述电路中，电感器L具有三种功能：LC共振电路的组成部分，DC(直流)信号分流器和低频电子噪声衰减器。

       交流放大电路中，采用THS3201作为交流前置放大器，单位增益带宽为1.8 GHz，光电二极管中产生的光电流在电流电压转换器由两端产生电压并放大。

       直流放大电路中，经跨阻运算放大器N3（AD811JR）放大后作为直流信号输出（DC端口），此直流信号可以接入示波器用于监控激光强度。

图3 谐振探测测试平台装置图

       为了评估新设计的RPD，构建了一个评估传输函数及误差信号的测试平台如图3。整体光路分为两大部分，利用网络分析仪进行传递函数的测量以及利用光学腔进行误差信号的测量。

图4 谐振型光电探测器和商用宽带探测器传输函数测量结果对比图

       并基于波长为1550 nm的激光搭建光电探测器性能测试系统。最终所研发RPD共振频率为20 MHz，品质因数Q达到了70，其增益在共振频率下比商用宽带探测器（BPD）的增益高30 dB。

图5 谐振探测器与商用宽带探测器误差信号信噪比对比图

后续工作展望

       在制备连续变量非经典光场实验过程中，影响压缩度或纠缠度的最主要两个因素是损耗及位相抖动，其中位相抖动主要由锁定过程中锁定偏离误差信号零点引起。锁定反馈回路的信噪比差是导致各路腔长和位相锁定不稳的主要原因，因此需要研发高信噪比光电探测。本文研究的RPD可为光电反馈控制及制备连续变量非经典光场提供关键器件。

课题组简介

       山西大学光电研究所郑耀辉研究团队，依托量子光学与光量子器件国家重点实验室，一直从事激光物理、连续变量量子光源制备、引力波探测、量子信息、量子精密测量领域等方面研究。

       课题组在连续变量非经典光场制备方面，课题组利用自制的全固态单频激光器泵浦低于阈值的光学参量下转换腔，已得到不同波长的近红外波段量子压缩/纠缠光源[Phys. Rev. Lett. 125, 070502 (2020); Appl. Phys. Lett.115, 171103 (2019)]；采用低损耗光学参量腔以及光电负反馈控制等措施有效降低系统中经典噪声，所制备的1064 nm以及1550 nm波段连续变量量子压缩态光场的压缩度分别为13.8 dB以及12.3 dB；

       在反馈控制技术方面，通过采用楔形晶体的光电调制，消除两个偏振分量在晶体传播中的干涉，减小由于双折射效应以及标准具效应引起的剩余振幅调制[US Patent：10146072 B2；Opt. Lett. 41, 3331 (2016); Opt. Express 27, 7064 (2019)]，有效改善了反馈控制系统零点漂移，并研发了谐振型探测器[Rev. Sci. Instrum. 88, 103101(2017)]进行高增益低噪声调制信号探测、解调以及负反馈控制，从而提高参量腔等腔长锁定以及相干探测中位相锁定的稳定性。

课题负责人简介

       郑耀辉，男，教授，博导，国家杰出青年基金获得者。德国马普学会爱因斯坦研究所高级访问学者，三晋学者特聘教授，主要致力于激光技术、连续变量非经典光场制备与应用、量子精密测量、量子传感、光量子器件等方面的理论与实验研究以及高品质量子光源等高技术成果转化。

       近年来，作为项目负责人先后承担国家杰出青年基金，国家重点研发项目课题、国家重大科研仪器研制项目、国家863计划项目、国家自然科学基金、装备预研航天科工联合基金和省部级科研项目等等。先后在Phys. Rev. Lett, Laser & Photonics Rev, Photon. Res.等国内外学术刊物上发表论文100余篇，授权美国专利一项，中国发明专利数50余项，在中国光学学会学术会议等重要会议受邀作报告20余次。