用于量子光学实验的宽带低噪声探测器研制及应用

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为了适应未来的高速通讯、高密度存储及精密探测,人们不断地探索以获得噪声更低的光源,从而有效提高信噪比。但是,根据量子力学基本原理,即使我们获得了理想的相干光源,由于光的粒子性,相干光场仍然存在由光子数起伏所引起的量子噪声(即标准量子极限或散粒噪声极限)。利用量子光学的方法可以将光场的某一个分量的噪声降低至散粒噪声极限以下,即实验获得压缩态光场。利用压缩态光场可以进行突破散粒噪声极限的精密测量等工作,在完成量子保密通信、执行量子计算研究领域有着潜在的应用前景。在量子光学实验中,要实现对压缩态的探测,光电探测器首先要能够准确测量散粒噪声极限,以此为基准,测到的低于散粒噪声基准的信号便是压缩态光场。实验中,光电探测器的选取要满足以下基本条件:1、光电探测器的量子效率要足够高,从而在探测过程中减小对量子噪声的破坏;2、光电探测器的带宽要尽可能的宽,实现在宽带范围内(测量量子噪声的分析频率通常为几兆、几十兆、甚至上百兆)对压缩态光场的测量;3、光电探测器测得的散粒噪声基准要高出光电探测器电子学噪声10dB以上,从而在实验中可以直接通过频谱分析仪记录的噪声功率谱读出压缩态光场的压缩度;4、散粒噪声基准的校准、压缩态光场的测量需要一对性能相同的光电探测器同时工作,要求这一对光电探测器的共模抑制比大于30dB,从而可以减去经典噪声,有效探测散粒噪声基准及压缩态光场。本论文在阐明了量子光学实验对光电探测器的特殊要求后,分析了影响光电探测器性能的主要因素,即光电检测器件的选取和放大电路的设计,并选择合适的光电检测器件和信号放大器件,设计电路图,制作了一对平衡的宽带低噪声光电探测器。接着,用频谱分析仪测试了宽带低噪声光电探测器的电子学噪声为-91.5dBm(谱仪本身的噪声为-98dBm),带宽为50MHz,饱和功率为16mW。在平衡探测中,一对平衡的光电探测器在2MHz-31MHz宽带范围内共模抑制比均大于30dB。在获得了一对平衡的宽带低噪声光电探测器后,实验采用三种光源分别测量了散粒噪声基准,并作出比较;对全固态连续单频激光器、光纤激光器的噪声进行了分析。
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