用于量子光学实验的Bell态探测器的设计调试

摘要

量子光学实验中,要实现对光场散粒噪声、及其非经典特性(压缩或纠缠)的有效测量,光电探测器必须具备低电子学噪声和高灵敏度的特性。尤其是光场Bell态探测中,注入到探测器的1064nm光场的功率约为50mW量级,对应的散粒噪声非常微弱。为了实现对光场非经典特性的有效测量,实验上要求:在分析频率2MHz处,探测到的散粒噪声必须大于电子学噪声10dB及以上,才能忽略电子学噪声对测量结果的影响。因此,设计出低电子学噪声、高增益的光场Bell态探测器,一直是量子光学实验的重要研究内容。
　　本研究论文在介绍了光电检测机理、高信噪比光电探测方式、如何降低光电探测器的电子学噪声、如何提高探测器的增益等基本原理的基础上,设计获得了低电子学噪声、高增益的光场Bell态探测器。注入的1064nm光场的功率为51mW时,增益性能达到同类型探测器的最好水平,满足了光场Bell态的测量需求。本论文的主要内容与创新点如下:
　　1.基于光电探测电路的SPICE模型,定量分析、仿真了低噪声、高增益光电探测器的性能;
　　2.通过对低噪声电路的研究,分析出:只有降低跨阻抗放大器(TIA)的输入噪声电压和输入电容,才能实现对光场散粒噪声的高信噪比探测;
　　3.设计的光场Bell态探测器,巧妙利用了场效应管对光电二极管的自举效应,在分析频率2MHz处,电子学噪声降低了8.8dB;
　　4.设计的光场Bell态探测器的各项参数,满足了目前的实验需求:入射的1064nm激光的功率为51mW时,散粒噪声高于电子学噪声13dB@2MHz,为同类探测器最高水平。入射光功率在12.5mW到1.52mW时,探测器线性响应于入射光功率,测量带宽可达5MHz。

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第1章 绪论

1.1前言

1.2光场噪声

1.3本文的主要工作

第2章 常用的光电检测器件

2.1 半导体器件的光电转换原理

2.2 光电检测器件的基本特性参数

2.3 有关噪声方面的特性参数

2.4光电探测器的性能衡量

第3章 光电信号检测电路设计

3.1三种基本光电转换电路

3.2跨阻抗放大器（TIA）电路设计

第4章 跨阻抗放大器(TIA)的噪声分析

4.1元器件的噪声分析

4.2跨阻抗放大器（TIA）的噪声模型与分析

第5章 光场Bell态探测器的设计原则

5.1光场Bell态光电探测器的基本要求

5.2关于NSNR的分析与计算

5.3在频域内分析TIA的NSNR

5.4测量散粒噪声的电路结构

5.5低噪声TIA的设计原则与方法

第6章 光场散粒噪声探测器与光场Bell态探测器

6.1最初的光场散粒噪声探测器

6.2全新设计的光场Be

第7章 总结与展望

参考文献

成果目录

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