微功率宽带光电探测器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电探测器，具体涉及量子光学实验中的光学谐振腔锁定系统中的光电探测器，具体是一种用于探测谐振腔输出光经高反镜的微弱透射光，并利用边带锁频稳频方法，可以很好的实现谐振腔的腔长及工作状态锁定的微功率宽带光电探测器。
【背景技术】
[0002]量子信息是当今世界一个重要的研宄课题，利用量子纠缠完成的信息传递与处理，为人们提供了发展更安全的通信和更快速计算的途径。随着量子信息研宄的深入发展，人们对压缩态光场的压缩度和纠缠态光场的纠缠度要求越来越高。而压缩态光场和纠缠态光场一般都是通过不同类型的光学参量谐振腔输出而得到。在实际实验系统中，为了使得光学参量振荡腔能连续稳定输出压缩态光场或者纠缠态光场，必须将光学参量振荡腔锁定在注入信号光的谐振频率上，锁定精度的高低对最终输出压缩态光场的压缩度或者纠缠态光场的纠缠度影响很大。为了获得高压缩度的压缩态光场或者高纠缠度的纠缠态光场，就必须实现光学参量谐振腔的高精度锁定。
[0003]用于产生压缩态及纠缠态光场的光学参量谐振腔一般都是通过边带锁频的办法实现谐振腔与注入光场的频率锁定。在边带锁频系统中，我们需要在激光上加载一个频率为1-SOMHz左右的调制信号，并对谐振腔反射的信号进行探测解调获得锁定腔长长度的误差信号，然后将信号反馈回驱动光学谐振腔的压电陶瓷，实现谐振腔腔长的锁定。在以前的锁定系统中，为了获得较好的误差信号，一般将光学谐振腔的反射光测量后进行混频产生锁腔的误差信号，这时，虽然可以保证入射到光电探测器的信号光比较强(一般在毫瓦量级)，但是此时产生的误差信号容易受到激光功率波动的影响，使得误差信号上下波动，降低了谐振腔锁定的精度。光学谐振腔的透射光功率一般在百微瓦量级，但是这些光是需要进行量子信息研宄的，所以能用来锁定光学谐振腔的光只能是压缩态或者纠缠态光场在经过高反镜反射时从高反镜后面透射出的少量光束，其能量一般在微瓦量级或者百纳瓦量级，这就要求探测器必须对这个量级的光束有很好的响应，以产生锁定谐振腔腔长所需的误差信号。
[0004]在获得压缩态及纠缠态光场的产生系统中，除了要控制谐振腔的腔长外，我们还需要控制谐振腔泵浦光及注入信号光之间的相对位相。在以前的产生系统中，一般需要利用另外一个低频光电探测器提供误差信号，锁定泵浦光及注入信号光之间的相对位相，使得整个装置布局复杂，接线繁琐。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对光学谐振腔锁定问题提供一种具有高增益、高带宽、高信噪比的微功率宽带光电探测器，其可以很好实现在几百纳瓦到几微瓦光功率条件下对谐振腔的锁定。
[0006]本发明提供的微功率宽带光电探测器是采用如下技术方案实现的:一种微功率宽带光电探测器，包括PIN光电二极管，PIN光电二极管的正极分别连接有高频耦合电容和阻尚频兀件；尚频親合电容另一端连接有尚频跨阻放大电路，尚频跨阻放大电路的输出端连接有高频反相比例放大电路，高频反相比例放大电路的输出端作为AC端；阻高频元件的一端与PIN光电二极管的正极相连接，阻高频元件的另一端分别连接有低频直流放大电路和取样电阻，低频直流放大电路的另一端作为DC端；取样电阻的另一端接地；当光场入射到PIN光电二极管后，PIN光电二极管将光信号转换成相对应的光电流信号，光电流信号经高频耦合电容和阻高频元件分成高频信号和低频信号两部分；所述高频信号为频率范围>MHz的交流信号，所述低频信号为频率范围〈MHz的低频直流信号；高频信号经高频耦合电容耦合，再经高频跨阻放大电路和高频反相比例放大电路放大，由AC端输出；低频直流信号经阻高频元件，并经取样电阻获得电压信号，再经低频直流放大电路放大，由DC端输出。
[0007]进一步的，所述PIN光电二极管采用加反偏电压后结电容小于5pF的光电二极管。所述的PIN光电二极管具有较小的结电容，而对量子效率要求不大，选择量子效率低的光电二极管可降低成本。
[0008]进一步的，所述的高频跨阻放大电路包括TI公司生产第一放大芯片OPA847 ;高频耦合电容接第一放大芯片OPA847的引脚2 (反相输入端)，第一放大芯片OPA847的引脚3顺次连接有串联的电容C4和磁珠bead2，第一放大芯片OPA847的引脚3还连接有电阻R2，磁珠bead2与R2均接地；第一放大芯片OPA847的引脚2与引脚6 (输出端)之间连接有相串联的反馈电容C5和C6，引脚2与引脚6之间还连接有跨阻R5 ;第一放大芯片OPA847的引脚4和引脚7分别接经过旁路滤波和去耦的-5V、+5V电源。
[0009]进一步的，所述的高频反相比例放大电路包括一个TI公司产的第二放大芯片OPA847 ;高频跨阻放大电路的输出端连接有输入电阻R7，R7另一端接第二放大芯片OPA847的引脚2 (反相输入端);第二放大芯片OPA847引脚3 (同相输入端)接与R7取值一样的电阻R9，R9另一端接地；第二放大芯片OPA847的引脚2和引脚6 (输出端)之间连接有反馈电阻R11，引脚2和引脚6之间还连接有串联的反馈电容C7和C8，第二放大芯片OPA847的引脚6再接1nF电容C9和50 Ω电阻50R输出。
[0010]进一步的，所述的阻高频元件由330uH电感、10u电感和磁珠Bead3串联组合而成。
[0011]进一步的，所述的低频直流放大电路包括低噪声低偏置放大芯片OP27，放大芯片OP27引脚3(同相输入端)连接有10ΚΩ电阻R4，R4电阻另一端接在取样电阻和阻高频元件之间，放大芯片OP27引脚2 (反相输入端)连接有一个接地电阻R3，放大芯片OP27的引脚2与引脚6 (输出端)之间连接有反馈电阻R6，引脚6分别连接接地电阻R8和输出电阻RlO输出，放大芯片OP27引脚4、7分别接-15V、+15V经过旁路滤波的电源。
[0012]进一步的，所述各个电路均印刷在PCB板上，PCB板设计采用双面板并铺地，避免两面平行走线，在芯片下面及背面都不铺地，信号走线均宽为50mil，信号走线背面不铺地。
[0013]采用抗电磁干扰设计，将PCB板装在抗电磁屏蔽金属盒内，输出信号与BNC接口采用同轴线相连；并采用锂电池作电源供电，电源线用同轴线并尽量短。
[0014]与现有技术相比，本发明的优点和效果:为了保证谐振腔的锁定效果，现有的光学谐振腔锁定技术一般采用边带锁频技术进行腔长的锁定。由于谐振腔锁定后能用来锁定谐振腔的光信号很小，为保证入射到探测器光信号功率的大小而产生合适的误差信号，一般都采用谐振腔的反射信号光来产生锁定所需要的误差信号。但是在这种情况下，如果谐振腔的入射光功率稍有波动，就会引起谐振腔反射光的功率波动，从而引起误差信号的漂移，造成谐振腔锁定精度的降低。还有一些采用APD雪崩二极管的高增益微功率探测器可以测量微瓦量级功率的光信号，但是雪崩二极管噪声大，而且需要较大的反偏电压，一般需要几十伏到几百伏，其倍增因子受温度和反偏电压影响较大，如果没有稳定的温度控制和稳定的电压，输出将不稳定，对谐振腔锁定有较大影响。
[0015]本发明正好弥补以上现有技术的不足之处，在增益和带宽上都取得很大进步，能够将微瓦及百纳瓦功率光信号转换成的光电流信号经跨阻前置放大转换为电压信号，再经过高频反相比例放大输出满足边带锁频系统所需要的信号，实现利用微弱透射光对谐振腔的锁定。而且本发明的探测器同时具有直流信号放大功能，可通过直流输出端监测光是否打进探测器，还可监视并匹配腔的模式，并且可用于谐振腔工作状态的锁定。与以前需要两套探测系统分别实现谐振腔腔长和工作状态锁定系统相比，也简化了相应的实验系统。
[0016]本发明具有带宽宽、高灵敏度、响应快、高增益、低噪声、交直流同时监测、成本低等优点。可以很好用于激光谐振腔透射光微功率边带稳频、模式监视及工作状态锁定。
【附图说明】
[0017]图1本发明所述微功率光电探测器的原理示意图。
[0018]图2本发明所述微功率光电探测器的核心电路图。
[0019]图3本发明应用于边带锁频稳频实验中的工作原理图。
[0020]图4加扫描信号，峰值光功率为2.2 μ W时鉴频曲线与谐振腔透射模式。
[0021]图5本发明所述的微功率光电探测器输出功率谱。
[0022]1-PIN光电二极管，2-高频跨阻放大电路，3-高频反相比例放大电路，4_低频直流放大电路、5-高频耦合电容，6-阻高频元件，7-取样电阻、8-腔锁定光学谐振腔所用的压电陶瓷，9-谐振腔输出光的导光镜，10-微功率宽带光电探测器，11-注入信号及泵浦光光路中的压电陶瓷，12-示波器，13-锁相放大器，14-高频信号源。
【具体实施方式】
[0023]图1所示的是本发明所述的微瓦量级光功率宽带光电探测器，可用于激光微功率边带锁频稳频，位相锁定同时监测激光模式。具体是基于一种低噪声宽带放大芯片，将光电流信号经跨阻前置放大转换为电压信号，再经过高频反相比例放大。包括PIN光电二极管1，高频跨阻放大电路2，高频反相比例放大电路3，高频耦合电容5，阻高频元件6，取样电阻7和低频直流放大电路4。