1 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
2 中国科学院国家授时中心中国科学院时间基准及应用重点实验室，陕西 西安 710600
3 中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
平衡零拍探测技术是测量压缩态量子噪声的主要方法之一，通过光电二极管阵列和多路并行电感-电容（L-C）耦合跨阻的方式，实现了一种低噪声、高信噪比的多像素平衡零拍探测器，探测器的工作带宽为5 MHz。每一个像素通道中，光功率为1.66 mW的815 nm激光入射时，散粒噪声功率在2 MHz分析频率处比电子学噪声高23 dB。当光强分布在所有像素通道时，各通道散粒噪声功率和入射光强成正比，验证了探测器可以实现多通道并行的平衡零拍探测。该探测器可实现量子光学频率梳的频谱可分辨平衡零拍探测，为量子光学频率梳在量子精密测量领域的应用提供高性能的探测工具。
探测器 跨阻放大器 量子光学频率梳 平衡零拍探测器 光电二极管阵列 信噪比
1 山西大学光电研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学激光光谱研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
3 山西大学 极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内，在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前，基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施，其中在干涉仪的激光光源系统中，需要抑制激光强度噪声及频率噪声等，光电探测作为激光噪声表征及抑制的第一级器件，其性能将直接影响激光噪声抑制效果。通过选定低噪声芯片、高稳定偏压系统的基础上，采用自减电路及跨阻放大电路进行整体电路设计；在电磁屏蔽、低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了高增益低噪声平衡零拍探测系统的研制；结合快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度算法对其增益、带宽等性能进行评估测试，并进一步对激光的强度噪声在0.05 mHz~1 Hz频段进行探测表征。实验结果表明：所研发平衡零拍探测电子学噪声谱密度在1 mHz~1 Hz的频率范围内在3.6×10−5 V/Hz1/2以下，小于空间引力波探测对激光光源噪声要求；进一步当入射光功率为400 μW时，测量得到平衡零拍探测系统在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内增益在20 dB以上；激光强度噪声谱密度在1 mHz处为3.6×10−2 V/Hz1/2，实现低噪声光电探测及激光强度噪声表征，为空间引力波探测中激光强度噪声表征及抑制等方面提供关键器件支撑。
空间引力波探测 平衡零拍探测 真空噪声 对数轴谱密度算法 space-based gravitational wave detection balanced homodyne detection vacuum noise LPSD 红外与激光工程
2022, 51(6): 20220300
1 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 密码科学技术国家重点实验室，北京 100878
为了实现量子随机数实时安全高速后处理，在实验上利用平衡零拍探测将采集得到的量子真空噪声中的4个相互独立的高频边带模式作为熵源，在单通道240 MSa/s采样率、16位模数转化条件下进行四路并行提取，并在现场可编程门阵列（FPGA）中完成多路实时Toeplitz-Hash安全高速后处理。实现了大规模Toeplitz矩阵分解及多周期分布处理，从而保证了硬件的稳定运行；研究了不同矩阵规模和通道数下安全后处理的硬件资源占有率，最终在四路Toeplitz-Hash后处理条件下，实现了FPGA逻辑资源占有率为62%、实时速率为10.44 Gbit/s的量子随机数生成。每两路通道之间量子随机数的互相关和互信息分别在10-3和10-6以下，且合并输出的量子随机数通过了NIST、Diehard和TestU01测试，为其在高速保密通信的实际应用中提供重要支撑。
量子光学 量子随机数发生器 多路实时后处理 现场可编程门阵列 平衡零拍探测 光学学报
2022, 42(23): 2327003
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
1 安徽师范大学物理与电子信息学院, 安徽 芜湖 241000
2 安徽师范大学光电材料科学与技术安徽省重点实验室, 安徽 芜湖 241000
3 安徽工程大学电气工程学院, 安徽 芜湖 241000
4 安徽工程大学高端装备先进感知与智能控制教育部重点实验室, 安徽 芜湖 241000
用一对平衡零拍探测器分别替代HBT(Hanbury-Brown-Twiss)实验中的单光子探测器,构成了一个modified-HBT干涉仪。介绍了基于modified-HBT干涉仪的光场二阶关联函数测量原理以及步骤,着重讨论了测量过程中对暗噪声的处理。基于理论分析,利用此干涉仪同时记录和统计了光场两空间分离模式的正交分量信息,实现了对光学参量振荡器输出的平移压缩态光场二阶关联函数的测量以及光子统计特性的表征。对于振幅压缩光,在特定的平移参量下,其二阶关联函数值小于1,表明光子呈现反聚束效应;而相位压缩光的二阶关联函数值总是大于1,光子呈现聚束效应。利用双光子干涉理论对测量到的平移压缩态光场的光子统计特性进行了解释,为理解压缩光的光子统计特性提供了参考。
量子光学 压缩态 二阶关联函数 平衡零拍探测 双光子干涉 光学学报
2020, 40(22): 2227001
1 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
改进了连续变量量子存储的平衡零拍探测器,得到了一种可以实时测量短脉冲光信号正交分量的快速响应平衡零拍探测器。利用无电容电路,以及高量子效率、低结电容的光电二极管,获得的平衡零拍探测器的响应时间为65 ns;当波长为795 nm、功率大于100 μW的激光入射时,在2.5 MHz处的信噪比超过12 dB,相应的饱和功率为6.8 mW。该平衡零拍探测器可以应用于连续变量量子存储、量子网络等研究领域中。
量子光学 平衡零拍探测器 正交分量 短脉冲光信号 响应时间 信噪比
1 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
对应于碱金属原子吸收线的非经典光是量子信息网络中重要光源之一, 近年来受到人们的广泛关注。而对应于铯原子D1线的非经典光场由于其独特的波长在固态量子信息网络中有重要应用前景。采用连续单频钛宝石激光器作为光源, 将输出的锁定于铯原子D1线的894.6 nm激光通过外腔倍频产生447.3 nm蓝光, 再用于抽运由周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体作为非线性介质的连续简并光学参量振荡器, 获得铯原子D1线的单模正交压缩真空光。光学参量振荡器阈值为39 mW, 在注入抽运光功率为30 mW时, 利用平衡零拍探测装置测得2.8 dB正交压缩度。考虑到探测效率, 光学参量振荡器输出光场的实际压缩度为4.4 dB。
非线性光学 光学参量振荡器 正交压缩真空态 平衡零拍探测 铯原子D1线
山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
本文主要对高阶厄米高斯模式的倾角测量进行了理论分析,提出了利用高阶厄米高斯模式可以进一步提高倾角测量的方案,并对不同模式进行倾角测量的精度进行了对比。计算结果表明,采用的模式的阶数越高,倾角测量的精度越高,这一结果为进一步提高倾角测量实验提供理论依据。
高阶厄米高斯模式 倾角测量 平衡零拍探测 最小可测倾角 high-order Hermite-Gauss mode tilt measurement Homodyne detection minimum measurable tilt
1 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室， 山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心， 山西 太原 030006
在实际测量过程中由于各种条件的限制，如非理想的5050分束器、本底光与信号光的干涉效率和探测器有限的共模抑制比，都将造成实际测量的结果不能如实反映压缩态的水平。基于平衡零拍探测(BHD)的理论背景，结合干涉效率对压缩度的影响，定量分析了非理想平衡零拍探测系统对测量压缩度的影响，构建了压缩度测量偏差、实际压缩度、5050分束器的分束比、本底光与信号光的干涉效率和平衡零拍探测器的共模抑制比(CMRR)的关系。该分析结果对于量化压缩度的测量误差、估算压缩光产生系统的实际压缩度有重要意义。
量子光学 平衡零拍探测 干涉效率 共模抑制比 光学学报
2016, 36(10): 1027001
