1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 首都师范大学数学科学学院，北京 150001
3 兰州大学物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730000
Overview: In order to achieve the measurement of gravitational wave signals in the millihertz frequency band, the space-based gravitational wave detection projects such as LISA, TianQin, and Taiji projects, which are based on laser interference systems, require the hardware noise floor of the interferometers to be lower than the interstellar weak light shot noise limit. This imposes stringent engineering specifications on the optical-mechanical design and the corresponding interferometer payload. This paper approaches the issue from the perspective of detection mode selection and derives the expressions of readout noise and stray light noise in the interference signal under the single detector mode and the balanced mode. Furthermore, a detailed discussion is provided on the weak-light interference process of the scientific interferometer. The results demonstrate that the balanced mode is capable of suppressing the interference phase noise caused by laser power fluctuations and backscattered stray light across multiple orders of magnitude. However, the suppression capability is constrained by the unequal splitting property of the beam combiner. To address this, a relative gain factor is introduced to compensate for the unequal splitting property of the beam combiner. Further analysis reveals that electronic gain compensation can only eliminate the impact of unequal splitting on one of the two noises rather than both simultaneously. Therefore, a balance must be struck in selecting gain compensation between the suppression of laser power fluctuation noise and stray light noise. Even with this consideration, the balanced mode still offers significant noise suppression capabilities at a magnitude difference, thus potentially reducing the engineering requirements for laser power fluctuations and telescope backscattered stray light.
引力波探测 平衡探测模式 读出噪声 杂散光分析 gravitational wave observation balanced detection mode read out noise straylight analysis
广东工业大学信息工程学院，广东 广州 510006
提出一种结构简单、重复频率可调的任意波形光子生成方案。系统由双平行相位调制器、光纤布拉格光栅和平衡探测器组成。激光经双平行相位调制器调制后，由光纤布拉格光栅获取两路光信号，光信号经平衡探测输出方波和梯形微波信号。同时，通过使用额外的90°移相器，可获得三角形和锯齿微波信号。仿真结果表明，通过调节射频驱动信号的电压和频率，输出的微波光子信号的频率可实现10~25 GHz连续输出，且信号均方根误差（RMSE）小于0.33。此外，实验分析了调制指数和90°电桥相位平衡对微波光子波形质量的影响，当在标准值范围内变化，或在范围内变化时，波形信号RMSE均小于0.42，验证了所设计系统具有较好的稳定性。
光纤光学 微波光子波形 双平行相位调制器 平衡探测 倍频 重复频率可调 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2306007
红外与激光工程
2021, 50(9): 20210616
昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650000
为了进一步提高传感系统的灵敏度，在一片铌酸锂晶片上设计双平行非对称马赫-曾德尔干涉仪型光波导结构，并在光波导的周围设计分段电极，实现方向相反的电光调制，为此研制出尺寸为78 mm×14 mm ×7.5 mm的集成光波导电场传感器。采用LTspice仿真软件设计一种跨阻抗平衡光电探测电路，采用差分法实现对共模噪声的抑制，从而提高电场传感器的灵敏度。实验结果表明，传感系统时域可测电场强度范围为33~3000 V/m，线性动态范围为35 dB，适用于弱电场的时域测量。
集成光学 非对称马赫-曾德尔干涉仪 光波导传感器 平衡探测 电场测量 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1913001
张宏飞 1,2,3,4苏波 1,2,3,4,*JONES David R 1,2,3,4何敬锁 1,2,3,4张存林 1,2,3,4
1 首都师范大学太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 100048
2 首都师范大学太赫兹波谱与成像北京市重点实验室，北京 100048
3 首都师范大学北京成像理论与技术高精尖创新中心，北京 100048
4 首都师范大学物理系，北京 100048，北京 100048
平衡探测器是直接探测太赫兹信号的器件，位于高速太赫兹时域光谱 (THz-TDS)系统末端光信号检测部分，是将光学信号转变为模拟电信号的关键器件，其性能决定了测量出的 THz信号的精确度。利用 2个低噪声光电二极管串联，直接探测出 2束激光的差值光电流，降低了探测噪声；选用增益带宽乘积为4 GHz的运算放大器对差值光电流进行两级放大，得到高动态范围的 THz信号，提高了THz信号的探测速度，并测量了 α-乳糖一水合物吸收峰，得到了和文献中相同的吸收峰。
太赫兹时域光谱 异步采样 平衡探测器 放大器 Terahertz Time-Domain Spectroscopy asynchronous sampling balanced detector amplifier 太赫兹科学与电子信息学报
2019, 17(5): 755
西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
通过抑制微波光子链路中的非线性失真因子可以提高MPL的带宽和无杂散动态范围(SFDR)。提出了一种基于双电极马赫-曾德尔调制器和平衡探测的线性化方案,该方案结合了相位控制,优化偏置电压以及平衡探测技术,理论分析结果显示,系统可消除二阶谐波失真(HD2),抑制三阶交调失真(IMD3)和五阶交调失真(IMD5)。利用OptiSystem软件进行了仿真分析,结果显示:二阶交调失真和HD2被完全消除,IMD3和IMD5被抑制在基底噪声以下,其中,IMD3被抑制约45.76 dB,三阶SFDR达到114 dB·Hz 2/3,五阶SFDR达到137.97 dB·Hz 4/5。
探测器 平衡探测 线性化方法 三阶交调失真 二阶交调失真 二阶谐波失真 光学学报
2019, 39(11): 1104001
1 上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网省部级共建国家重点实验室培育基地, 上海 200444
2 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
3 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
为实现高灵敏度的外差相位检测,提出了一种基于光外差检测原理的光纤四通道双平衡外差相位检测方法。搭建光纤四通道双平衡外差检测光路,采用1/4波片作为相位检测样品,验证分析了光纤四通道双平衡外差相位检测的性能。分析了外差检测中信号调制频率对相位测量结果的影响,结果表明受限于光电接收器件的响应带宽,过高或过低的调制频率均不能有效检测到相位信息。在实验中,最优的信号调制频率范围为 500.5~1550.5 kHz,实际测得的相位均方根为89.1°,标准差为0.3°。在此基础上,分析了双平衡外差干涉中光纤分束比以及耦合透镜的有效接收口径效应对相位检测的影响。当光纤分束比接近1∶1时,得到了较高信噪比下更加精确的检测结果;通过改变耦合透镜的发射角,验证了有效接收口径对接收信号灵敏度的实际影响。
测量 外差检测 四通道双平衡探测 电光调制 相位检测
1 中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
3 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 100049
平衡相干检测技术能够大幅度提高光通信系统的灵敏度, 在相干光通信和微波光子系统中得到广泛应用。作为相干检测的核心器件, 平衡探测器近年来已成为研究热点。阐述了平衡探测器的工作原理、器件结构和性能参数, 概述了平衡探测器的最新研究进展, 并对平衡探测器发展过程中存在的问题和发展趋势进行了分析。随着光通信技术的发展, 平衡探测器将在高速率、高射频功率、高响应度和高共模抑制比等方面不断优化, 封装模块将朝着高集成度、低成本和低功耗方向发展。
光通信 相干光通信 平衡探测器 波导集成 单片集成 混合集成 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 100001
中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001
为了实现对光泵原子磁力仪系统中发散的快速调制光信号的精密相位检测，解决现有平衡光电探测器存在的接光面积小、增益小、带宽小及相位性能不理想等问题，本文采用基于结点差分电流的平衡差分探测方法，分析了平衡探测器抑制系统共模噪声的机理，通过优化元件和提高带宽设计出具有低相位噪声且单管接光面尺寸达到10 mm的大面积平衡光电探测器，并进一步利用双板隔离式的制作方法避免了热噪声干扰，实现了其低相位漂移的特性。实验结果表明，该探测器-3 dB带宽达到1.1 MHz，信号跨阻增益达到0.91 MΩ，在175 kHz调制光信号下的相位噪声峰峰值不超过0.002 3°，能够满足碱金属原子磁力仪系统光信号精密相位检测的要求。
平衡探测器 光泵磁力仪 相位检测 低相噪 相位漂移 大面积 balanced photodetector optically pumped atomic magnetometer phase detection low phase noise phase drift large area
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
傅里叶变换光谱仪现已广泛应用于红外光谱学领域，它也是较为适合对大气温度、湿度、风场以及大气成分进行天基垂直探测的一种遥感仪器。提出了一种基于马赫-曾德干涉仪的傅里叶变换光谱仪。马赫-曾德干涉仪的一组反射镜作匀速直线运动，线性改变两个光学臂之间的光程差，然后平衡探测器对两路干涉信号进行差分检测。通过对光程差线性变化的电信号进行傅里叶变换，可以获得输入光的光谱分布曲线。与迈克尔逊干涉仪相比，马赫-曾德干涉仪在同样光通量输入条件下得到的干涉信号更强，且由非相干强度带来的噪声更小。该结果对于卫星遥感来说十分有利。
傅里叶变换光谱仪 马赫-曾德干涉仪 平衡探测器 信噪比 Fourier transform spectrometer Mach-Zehnder interferometer balanced photoreceiver signal-to-noise ratio
