1 中国科学技术大学 天文与空间学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院 紫金山天文台，江苏 南京 210009
3 香港中文大学 物理系，中国香港 999077
零差混频系统（Homodyne mixing system）对太赫兹超导动态电感探测器（Kinetic inductance detectors，KIDs）性能表征具有重要的作用。然而，零差混频系统仍存在混频器不平衡性、测量系统集成、干扰信号等问题。作者设计新型的单通道零差混频硬件系统，结合软件算法实现了测量系统的集成化、IQ混频器不平衡性校准、KID的性能表征；同时实现了在VNA（vector network analyzer）CW模式下的KIDs噪声测量；以及基于自相关算法的双通道零差混频硬件电路设计，有效的抑制了干扰信号。值得注意的是，这些研究成果被应用于表征KIDs 性能，对KIDs阵列设计起到了重要的作用。
KIDs 零差混频系统 太赫兹 自相关算法 KIDs homodyne mixing system terahertz autocorrelation
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 南京大学超导电子学研究所, 江苏 南京 210023
2 紫金山实验室, 江苏 南京 211111
太赫兹(THz) 波段的高灵敏探测器在诸多前沿领域中有着巨大的应用价值。超导量子电容探测器(QCD) 是一种在 THz 波段具备单光子探测能力的高灵敏直接探测器, 且可实现大规模阵列。对阵列而言, 可靠的读出技术是其性能发挥的基本保障。本研究利用零差读出技术进行了 QCD 信号读出与表征。微波同相正交(IQ) 混频器是零差读出电路的重要组成元件, 故对 IQ 混频器进行了详细表征与校准, 通过排除其不平衡性对探测器信号读出的影响, 提高了测量的可靠性。在此基础上, 对 QCD 的 THz 响应信号进行了测量, 结果显示 QCD 响应信号与理论预期结果高度一致。此外, 所构建的零差读出电路还可用于高灵敏超导微波动态电感探测器(MKID) 阵列等极低温(15 mK 以下) 探测器的信号读出, 为高灵敏 THz 探测器的开发奠定了良好的基础, 具有较高的应用价值。
光电子学 零差读出 高灵敏太赫兹探测阵列 超导量子电容探测器 低温 单光子探测 optoelectronics homodyne readout high-sensitive THz detector array superconducting quantum capacitance detector low temperature single photon detection
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
1 华中科技大学光学与电子信息学院，武汉光电国家研究中心，光谷实验室，湖北 武汉 430074
2 阿里巴巴基础设施事业部，浙江 杭州 311121
同源自零差相干技术在信号传输时伴随传输一个同源的导频，将其在收端用作相干探测的本振光。同源自零差相干系统包含偏分复用同源自零差相干和空分复用同源自零差相干两类架构。通过同源自零差相干可以在光信号探测前实现有效的“光域载波恢复”，从而有望在系统中采用低成本非制冷的分布式反馈(DFB)激光器和波特率采样接收机。在空分架构中，信号光与导频光传输引入的相对延时会导致一个性质独特的相位噪声，其概率密度的分布特性限制了系统可容忍激光线宽与相对延时积的大小，而其微分对应频率调制噪声的有色性则提供了一种高精度、大动态范围的在线相对延时估计方法，为充分发挥同源自零差相干技术架构优势提供了可靠的保障。自动偏振控制调控技术可用于实现偏分架构中导频和信号的分离，亦可用于规避空分架构偏振分集探测时的功率衰落问题。此外，基于自动偏振控制的同源自零差相干技术为高速、对称的双向互连架构提供了一种全新的低成本解决方案，仅采用单个自动偏振控制器即可实现双向偏振锁定，可进一步降低单纤偏分双向架构的器件成本以及实现无需多入多出(MIMO-free)均衡的双纤架构，且数字信号处理(DSP)仅剩单入单出均衡和前向纠错。这使得基于自动偏振控制的同源自零差相干技术可以为高性能、低成本、DSP-free的双向高速互连提供一种极富前景的方案。本文介绍了同源自零差相干光传输系统的类型、优势、挑战及解决方案，综述了本团队在关键的自动偏振控制技术、在线相对延时估计技术，以及基于自动偏振控制的至简DSP同源自零差相干传输技术方面的系列成果。
光通信 自零差 相干通信 偏振控制 中国激光
2022, 49(12): 1206002
1 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
2 北京邮电大学电子工程学院, 北京 100876
针对微波通信、超视距雷达和有线电视系统等军民应用需求,为了实现光载射频信号的大动态远距离传输,提出了基于光学锁相环与粒子群算法的零差相干微波光子传输链路技术。该链路前端采用零差光锁相环实现了本振光对信号光的相位跟踪锁定,抑制了锁相带宽内的激光器频率漂移和相位噪声以及长距离光纤导致的相噪恶化,同时平衡探测方式消除了直流分量相关相对强度噪声;通过分析链路前端非线性失真来源,在后端数字处理单元利用粒子群算法寻找最佳非线性失真纠正系数,并对I/Q两路数字信号进行延时匹配、幅相均衡以及线性相位解调,实现了100 MHz频段内射频信号的大动态远距离(≥120 dB·Hz 2/3和100.8 km)传输。
光通信 微波光子链路 大动态范围 光学锁相环 粒子群算法 零差相干探测
