1 湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068
2 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 智能感知与目标识别光电实验室，湖北 黄石 435003
物体微振动信号测量在磁场、建筑、生物成像及航空航天等方面具有重要的应用价值。但是，物体微振动产生的弱反射光不仅极其微弱，易受到探测距离、雨雾气等环境因素的干扰，而且低频振动的振动形式多变，易受到经典噪声影响，难以实现极端微弱反射光条件下的振动信号测量。针对以上问题，文中采用光学偏振控制方法，对信号光与本振光的偏振性进行控制，以减少光学噪声的干扰；采用平衡外差探测，将低频直流信号转变为高频交流信号，避免信号被噪声湮没的同时，克服了光电流共模噪声的影响。在赫兹（~10 Hz）频段，探测器的噪声水平达到了散粒噪声极限，并实现了阿瓦量级反射光条件下的微振动信号测量，测得的物体微振动振幅为11.44 nm，A类标准不确定度为0.25 nm，合成不确定度为0.34 nm，测量精度为±0.75 nm。该方案不仅为微弱多普勒频率测量、振动检测等测量领域的研究提供了实验支持，在弱反光、长距离、雨雾天气等复杂测量环境也具有广阔的应用前景。
微振动 弱反射光 偏振控制 散粒噪声极限 平衡外差探测 micro-vibration weak reflected light polarization control shot noise limit balanced heterodyne detection 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220872
1 中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室，陕西 西安 710600
2 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
通过分析平衡零拍探测器的噪声来源，采用电阻-电容（R-C）耦合跨阻电路方案并优化跨阻放大电路结构，实现了一种低噪声、高共模抑制比的宽带平衡零拍探测器，工作带宽为1 kHz~200 MHz。当光功率为8 mW的 1550 nm激光入射时：在5 kHz分析频率处散粒噪声功率比电子学噪声功率高12 dB，共模抑制比达到70 dB；在100 MHz分析频率处散粒噪声功率比电子学噪声功率高20 dB，共模抑制比达到66 dB。该探测器可以为低频引力波探测、高速连续变量量子密钥分发和高速量子随机数发生器等应用提供高性能的探测工具。
光学器件 跨阻放大器 散粒噪声 共模抑制比 信噪比 电子学噪声
山西大学物理电子工程学院 山西 太原 030006
平衡零拍探测器是量子光学和量子信息科学实验中的关键器件之一。本文针对典型的基于跨阻运算放大器的平衡零拍探测器, 理论上详细分析了探测器的电子学噪声、散粒噪声和信噪比等输出特性; 从理论分析、软件仿真和实验研究三方面分别获得了平衡零拍探测器的电子学噪声和散粒噪声功率谱, 谱线线型互相吻合; 实验研制的平衡零拍探测器, 在分析频率2 MHz处的信噪比达到了22 dB, 相应于电子学噪声引入的测量损耗约为0.6%, 满足测量压缩态光场等量子光学实验的需求。
平衡零拍探测器 电子学噪声 散粒噪声 信噪比 balanced homodyne detection electronic noise shot noise signal to noise ratio
针对可见光通信(VLC)在室外传输受到强背景光干扰的问题,通过对室外强背景光环境下的可见光信道进行分析,并根据室外环境下主要干扰源为低频太阳光的特点,提出了一种基于硬件滤波的室外低频散粒噪声抑制方法。使用白光LED搭建了可达75 m的中远距离室外VLC系统,实现了室外强背景光干扰情况下的基于白光LED的低误码率点对点可靠通信。实验结果表明,该噪声抑制方法的系统误码率低于10 -5,数据传输速率可达8 Mbit/s。
光通信 室外可见光通信系统 噪声抑制 室外信道分析 散粒噪声 激光与光电子学进展
2020, 57(13): 130601
国防科技大学电子对抗学院脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
分析了多脉冲位置调制星间激光通信系统的性能,在散粒噪声极限下,给出了平均误符号率(ASER)的解析表达式;在热噪声极限下,给出了ASER的紧密上边界的解析表达式,并验证了理论计算的正确性。数值仿真结果表明,随着抖动方差的增大,系统性能迅速下降;当发射功率的取值范围不同时,不同束腰半径下系统性能存在差异;当单个符号中的脉冲数不变时,增大符号中的时隙数可提高系统性能,但带宽利用率也会降低。故在系统参数的选取中,需要综合考虑以上因素。
光通信 自由空间光通信 瞄准误差 多脉冲位置调制 误符号率 散粒噪声极限接收机 热噪声极限接收机 激光与光电子学进展
2019, 56(3): 030601
西南科技大学 信息工程学院, 四川 绵阳 621010
为了有效地表征纳米MOSFET强反型区下的射频噪声特性, 研究了其噪声建模的方法。在分析45 nm MOSFET射频小信号等效电路参数提取结果的基础上, 建立了该器件漏极电流噪声的简洁模型。该模型完整地表征了决定45 nm器件噪声机理的三个组成部分: 本征漏极电流噪声、栅极管脚寄生电阻热噪声和栅漏衬底寄生电磁耦合噪声。噪声测量在验证所建模型准确性和精度的同时, 还表明: 45 nm MOSFET的本征漏极电流噪声为受抑制的散粒噪声, 并且随着栅源偏压的降低受抑制性逐渐减弱直至消失。
纳米MOSFET 受抑制散粒噪声 射频 噪声建模 强反型区 漏极电流噪声 nanoscale MOSFETs suppressed shot noise radio frequency noise modeling strong inversion region drain current noise 强激光与粒子束
2019, 31(3): 034101
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
为了进一步提高零差相干光通信系统的接收灵敏度, 对空间光混频器的信号光分光比进行了优化。根据零差相干通信系统数学模型, 推导了信号光分光比和环路相位误差、通信误码率的数学表达式, 经过计算分析可知当光混频器Q支路的信号光满足锁相环要求时, 可通过提高I支路信号光分光比来降低误码率和提高接收灵敏度。在分光比优化后光混频效率提高了53.5%, 通信探测灵敏度提高了3 dB。利用VPI软件进行建模仿真, 得到不同分光比下系统的眼图和相位噪声功率。仿真结果显示, 探测灵敏度提高了2.83 dB。最后, 搭建了零差相干光通信桌面实验系统, 研究了空间光混频器分光比和系统误码率、锁相环工作的影响规律, 当分光比由0.5减小至0.2时, 系统误码率由3.53×10-9下降至4.25×10-10, 当分光比为0.1时, 锁相环失锁, 误码率为1。实验结果基本符合理论和仿真结果, 所得分光比的影响规律和优化结果将为空间零差相干通信系统的研制提供技术参考。
零差相干光通信 光混频器 分光比 相位噪声 散粒噪声 光混频效率 homodyne coherent optical communication optical hybrid splitting ratio phase noise shot noise heterodyne efficiency
1 中国科学院国家授时中心 频率与时间基准重点实验室, 西安 710600
2 中国科学院大学, 北京 100049
通过分析基于L-C耦合跨阻运放电路的散粒噪声探测器噪声来源, 提出了电感的寄生电容对电子学噪声影响的分析模型, 并进行了实验验证.研究表明, 电感的寄生电容会增大跨阻运放的输入电压噪声增益, 从而增加探测器的电子学噪声.当总电感值为1 mH时, 选用两个0.5 mH的电感串联结构相比选用单个1 mH的电感, 探测器电子学噪声明显降低.由于电感的自共振频率越低, 寄生电容越大, 选用高自共振频率的电感有助于进一步降低电子学噪声.实验测量得到, 在2.5 MHz分析频率处, 选用两个0.5 mH、自共振频率为6 MHz的电感串联相比选用单个1 mH、自共振频率为1.6 MHz的电感, 电子学噪声的降低了3 dB.在相同入射激光条件下, 该改进模型可以有效提高探测器的信噪比.
探测器 电子学噪声 电感寄生电容 散粒噪声探测器 自共振频率 L-C耦合电路 跨阻放大器 Detector Electronic noise Parasite capacitance of inductor Shot noise detector Self-resonant frequency L-C combination circuit Transimpedance amplifier
