面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测技术

郑立昂，李番，王嘉伟，李健博，高丽，贺子洋，尚鑫，尹王保，田龙，3，杨文海，郑耀辉，3

（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，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，太原 030006）（3 山西大学 极端光学协同创新中心，太原 030006）（4 中国空间技术研究院西安分院，西安 710000）

0 引言

引力波探测是现代物理学重要的前沿领域之一［1］。空间引力波探测主要面向0.1 mHz～1.0 Hz 频段范围的引力波信号［2-3］，这些信号主要是由双致密星系统以及极大质量比双黑洞天体并合等天文事件释放的，与地基引力波［4-5］、原初引力波［6］等探测手段形成互补探测方案。在多个卫星中搭建高精度空间惯性基准载荷超稳平台以及高精度星间激光干涉测量为空间引力波探测的核心技术［7-8］，包括无拖曳控制技术［9-13］、超高精度星间激光干涉测量技术［14］、超高灵敏度惯性传感技术［15］、精密编队技术［16-17］、微牛级电推技术［18］等。其中星载激光系统的激光光源噪声则直接影响超高精度星间激光干涉测量技术的灵敏度［19-20］，所以需要对激光强度噪声进行抑制，然而现阶段激光强度噪声无法在空间引力波探测全频段低于满足引力波所需的1×10−4V/Hz1/2的要求，所以需要对激光强度噪声进行抑制，以减少激光光源噪声对引力波信号探测的影响。

抑制激光光源强度噪声的常用方法有被动模式清洁器抑制噪声［21-22］、激光注入锁定抑制噪声［23-24］，基于半导体光放大增益饱和效应和主动光电负反馈法抑制噪声等［21］。模式清洁器的强度噪声抑制效果体现在高频，对引力波探测所需要抑制的低噪声反而有放大效果，无法满足实验要求；在激光注入锁定抑制噪声技术中只有在种子激光器和从属激光器共振频率附近才会出现可观的噪声抑制效果，低频部分抑噪效果有限，同样无法满足引力波探测的要求；而基于半导体光放大增益饱和效应来抑制噪声也无法排除因相应能级载流子浓度变化引入的低频噪声，所以也不适用于引力波信号探测。

相比于外部强度噪声抑噪方案，采用光电负反馈法是进行低频段激光强度噪声抑制的有效技术手段。其原理是利用光电探测器探测待稳定激光，并将其转化成电信号，然后与稳定的基准电压源进行比较获取误差信号，之后经伺服系统输出反馈信号，并作用于泵浦源的驱动电路，通过改变泵浦电流实现对激光器增益的调节，从而抑制强度噪声［25］，这可以认为是从激光源内部实现噪声抑制［27］。其中低噪声光电探测器作为首要光电信号转换器件，其噪声性能直接影响后续反馈回路的信噪比，所以为了提高反馈控制抑制噪声的精度及增益，首先需要降低光电探测器的电子学噪声，并拓展探测器动态范围。在地基引力波探测频段，PATRICK K 等研发出多光电二极管阵列来探测激光噪声并进行反馈降噪［28］；中国科学院力学研究所研发了单光电二极管的弱光探测器［29］；本课题组在2022年研发了低噪声平衡零拍探测器，其噪声在1 mHz 处为3.6×10−2V/Hz1/2［30］。

本文以低噪声电压基准作为光电二极管的稳定偏压，采用低暗电流光电二极管，并设计相关外围电路及电磁屏蔽，结合低温漂系数元件、低噪声供电系统以及隔热等技术手段实现了低噪声光电探测器的研制。由于mHz 以及更低频段无法用现有频谱分析仪进行噪声分析，所以实验中利用高精度数字万用表进行探测器电子学噪声电压的测试与数据采集［31］，用快速傅里叶变换周期图法以及对数轴功率谱密度法将采集的数据进行计算处理，得到0.1 mHz～1 Hz 频段的电压噪声谱密度。实验结果表明所研发探测器电子学噪声的电压噪声谱密度在0.1 mHz 时达到1.649×10−5V/Hz1/2，在0.1 mHz～1 Hz 的频率范围内在1.649×10−5V/Hz1/2以下。该低噪声探测器的研发可为引力波探测中激光强度噪声抑制提供关键器件支撑。

1 低噪声探测器设计及噪声分析

面向空间引力波探测的低噪声光电探测系统构架如图1。光电二极管作为光电探测中的关键器件，其噪声性能直接影响光电探测的整体噪声特性，故需要其暗电流噪声足够小。在光电转换过程中，光子流转化为电子流，光电流信号I的散粒噪声极限可由其谱密度Isnl表征［32］，表示为

图1 空间引力波低噪声探测器的系统构架Fig.1 System architecture of low noise space gravitational wave detector

式中，e为单电子电荷量。所以，当光电二极管的暗电流远小于激光所转化的光电流时，才可满足空间引力波探测计划中的激光强度噪声要求（10−4/Hz1/2）。

此外，光电二极管需要加载合适的反向偏压进行光电转换，反向偏压的电压稳定性会直接影响光电二极管中光电转化的稳定性，从而对光电探测系统的电子学噪声产生影响。低噪声供电模块以及稳定的基准模块为整个光电探测系统提供电源供给，作为电压噪声的源头，其噪声特性将直接传递给后续器件，故需要低噪声供电以及高稳定性基准电压。光电二极管输出的电流信号经跨阻放大电路后转化为电压信号，经过低通滤波实现极低频信号的输出。

基于上述分析，对各部分关键电路进行设计，如图2。低噪声可调偏压电路主要由高稳定参考电压基准、高分辨率数模转换等部分组成。其中高稳定参考电压基准基于LTZ1000 基准板为外部参考电压，以AD5791 为主芯片，结合AD8675、AD8676 及ADA4077 等低噪声运算放大芯片设计外围电路，进而选择低温漂系数元件结合精密电路构建技术，研发低噪声偏压系统［33］。

图2 低噪声光电探测原理Fig.2 Circuit diagram of the low noise photoelectric detection

激光强度信号经过光电二极管转化为电流信号，经过R1转化为微弱电压信号后直接输出到集成运放的输入端，并通过跨阻放大电路进行信号放大［34］。在跨阻放大电路中，输入和输出关系为

故跨阻放大电路中电阻是影响信号大小的关键元件。跨阻芯片选取电压噪声为0.9 nV/Hz1/2的芯片AD797，跨阻电阻选用温漂系数低至±0.2×10−6/℃，容差为0.01%的金属箔电阻，跨阻电容C1的作用则是提高放大器的信号质量，减少自激振荡。

在光电探测系统中，光电探测器电子学噪声主要由三种相互独立的噪声组成：光电二极管的噪声；跨阻放大电路中的热噪声；运算放大器的输入电流电压噪声。

1）采用C30642 作为光电二极管，其暗噪声可表示为

式中，||表示两个元件的并联关系，e为电荷量，Idk为PD（C30642）的暗电流，Δf为单位测量带宽。以本文探测器为例，Idk为2 nA，Δf为1 Hz，得出其暗噪声大小为 9.6×10−18V/Hz1/2。

PD 产生的热噪声可以表示为

式中，RPD1=Vbias/Idk为PD 的并联电阻，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。PD 在加载5 V 偏压的情况下，得出PD 产生的热噪声为2.8×10−11。根据式（4）可知，加载到光电二极管的偏置电压直接影响光电二极管产生的热噪声，所以必须选用稳定且噪声较低的基准芯片。

2）跨阻电路的热噪声可以表示为

式中，C1为跨阻电路的反馈电容，R1为跨阻电阻。得出跨阻电路产生的热噪声为 2.34×10−10V/Hz1/2。

3）运算放大器所引起的探测器的电子学噪声包括运算放大器输入电流和电压噪声［35］。当运算放大器的输入电流噪声为Inoi时，则输入电流噪声经过运算放大器转化后的电压噪声和来自运算放大器输入电压噪声ein可表示为

式中，Zn为运算放大器的电压噪声增益。Zd表示为跨阻放大电路的输入阻抗，可以表示为

式中，Cin和Cd1分别为放大电路的输入电容以及PD 的结电容。最后可得ein=1.5×10−11。

根据上述计算可知，跨阻电路的热噪声量级较大，其他两部分噪声也不可忽略。据此，探测器整体的电子学噪声可表示为［36］

将图2 中的参数以及AD797 的输出电压噪声代入式（9）进行计算，得到对应的电子学噪声PDnoise为2.383 2×10−9V/Hz1/2，此噪声水平低于空间引力波探测对强度噪声要求（2×10−4V/Hz1/2）［37］，满足低噪声光电探测需求，故所设计光电探测方案理论上可应用于空间引力波探测频段的噪声评估。

2 实验装置、过程及结果分析

根据设计方案进行精密布板及探测器焊接研制，并对其性能进行测试与实验验证。实验测试装置如图3，由自研全固态单频激光器输出自由空间传输的1 064 nm 激光作为种子光，使用光纤耦合器（THORLABS PAF2-7C）将种子光耦合到单模光纤中，通过二分之一波片与偏振分束棱镜调节透射光功率为60 mW，后经过可调衰减片进行功率微调，将8 mW 激光由透镜聚焦到光电探测器的光电二极管光敏面上，并进行光电转换。光电二极管光敏面与激光入射方向约呈60°夹角，并用吸收片吸收光敏面的微弱反射光［38］，防止激光散射影响探测准确性。

图3 低噪声光电探测器测试示意Fig.3 Scheme for low noise photodetector at ultra-low frequency band

由于现有频谱分析仪等设备尚无法直接对空间引力波探测频段0.1 mHz～1 Hz 频段噪声进行分析，所以发展了一套极低频段激光强度噪声测试评估技术和系统［39］。本文数据测试中采用的高精度数字万用表为吉利时3706A 系列，配套吉利时3720-ST 采集卡采集电压信号。工频周期数（Number of Power Line Cycles，NPLC）是商用高精度万用表的重要参数之一，其值影响着采集的精度和最高采样率。在数据采集中，通过LabVIEW 软件编程设置3706A 的工作参数，包括设置NPLC 为1 等，此时其采集精度为七位半（相当于25 bit），并设置采样率为每秒两个采样点进行数据采集，LabVIEW 软件可按照采样率将数据存储到硬盘保存并可做实时分析。

为保证极低频段激光强度噪声的准确性，首先需要对信号采集部件进行测试，判断其是否满足探测器的实验测试要求，即对高精度数字万用表仪器本底噪声进行测量。将采集卡正负极进行短接，使用高精度万用表电压采集功能进行数据采集，得到的电压噪声为时域噪声信息，之后通过对数频率轴功率谱密度（Logarithmic Frequency Axis Power Spectral Density，LPSD）算法进行谱密度分析，得到时域波动和频域噪声信息，从而实现对电压噪声的全面分析。

实验结果如图4，图4（a）为高精度数字万用表时域波动分析，由图可知其电压漂移峰峰值为1×10−6V；图4（b）为高精度万用表电子学噪声谱分析图，由LPSD 算法处理结果可知万用表电子学噪声在0.1 mHz～1 Hz 范围内，低于4.16×10−7V/Hz1/2。此噪声水平远低于电路中各电子元件理论上的输出电压噪声，所以可选用此万用表作为噪声测量仪器。

图4 高精度万用表强度噪声谱分析图Fig.4 Intensity noise spectrum analysis diagram of high precision multimeter

根据第1 节中探测器系统构架可知，光电二极管需要加载合适的反向偏压进行光电转换，反向偏压的电压稳定性会直接影响光电二极管中光电转化的稳定性，从而对光电探测系统的电子学噪声产生影响。图5为基于电压基准芯片LTZ1000 和MAX6350 直接输出5 V 时的反偏电压稳定性的时域及频域结果。该结果主要由电压芯片内部结构及材料决定，MAX6350 作为通用稳定电压基准，其温度系数为0.001 V/℃，噪声性能为1.5 μVp-p［40］；LTZ1000 是超稳定温度可控型基准，其温度系数为0.000 005 V/℃，噪声性能为1.2 μVp-p［41］。虽然LTZ1000 全面性能优于MAX6350，但MAX6350 直接输出5 V 基准电压，可方便地作为探测器反偏电压，且LTZ1000 还需外围电路匹配才能稳定输出5 V 反偏电压，在电路集成设计上存在一定复杂性。

图5 不同基准芯片输出电压噪声表征Fig.5 Noise characterization of output voltages with different reference chips

实验结果如图5，其中图5（a）为时域数据，测量时长在5 h 以上。图5（a）中橙色实线代表LTZ1000 作为基准芯片时随时间变化的电压漂移量，可知外部电压基准电压漂移峰峰值为2×10−5V。图5（a）中蓝色实线为MAX6350 随时间变化的电压漂移量，可知MAX6350 电压量漂移为5×10−5V。基准源的电压漂移直接影响光电二极管反偏电压稳定性，故将LTZ1000 作为主要基准芯片为电路提供基准电压及反偏电压的首选。

将不同基准源在频域进行对比。图5（b）为LTZ1000 与MAX6350 分别对同一探测器提供基准电压时对探测器电子学噪声的影响，图5（b）中红色实线为LTZ1000 提供电压时探测器的电子学噪声，蓝色实线为MAX6350 作为基准时探测器的电子学噪声。通过对比，在0.1 mHz～1 Hz 频段，LTZ1000 提供电压时探测器电子学噪声低于MAX6350 作为基准时的电子学噪声，并且噪声处于2.26×10−5V/Hz1/2以下，满足空间引力波探测频段的要求，故选用LTZ1000 为探测器提供基准电压。

由于基准电压直接可供电流非常小，需要结合电流放大电路（AD8671）作为反偏电压，增加光电二极管电流动态范围。为了进一步验证两种基准作为反偏电压对光电探测噪声水平的影响，实验中测试了两种电压基准在电流放大电路（AD8671）后的电压稳定性。图6（a）中LTZ1000 与MAX6350 经过AD8671 后输出电压稳定性基本一致；图6（b）所示电流放大电路中AD8671 的电子噪声因素的影响大于其他噪声源。据此，仍需对电流放大电路进行优化设计，以便获得更低噪声更高稳定性的反偏电压，进一步降低整体电路的电子学噪声。

图6 不同基准芯片经过AD8671 后输出电压噪声表征Fig 6 Noise characterization of output voltages with different reference chips which pass AD8671

进一步，在关闭种子源激光后测量光电二极管和跨阻芯片对探测器电子学噪声的影响，实验结果如图7，其中图7（a）为铟镓砷二极管（C30642）与普通光电二极管（GPD-SN500T46-B30PC）的对比。由图可知，在相同测试环境下当C30642 作为探测器光电二极管时，其暗电流噪声整体优于普通二极管。

图7 光电二极管与跨阻芯片的噪声功率谱表征Fig 7 Noise power spectrum of photodiode and transimpedance chip

图7（b）中红色实线为AD8671 作为探测器跨阻芯片时的电子学噪声，蓝色实线为AD797 作为探测器跨阻芯片时的电子学噪声。图中数据为LPSD 算法处理结果，由图7（b）可知当两个芯片作为光电探测器跨阻芯片时，电子学噪声在0.1 mHz～1 Hz 范围内均低于1.94×10−5V/Hz1/2，但AD797 在高于0.1 Hz 频段的电子学噪声低于AD8671，选用AD797 更优于AD8671，故选用AD797 作为探测器的跨阻芯片。

通过上述对比，最终选用LTZ1000 和AD797 作为探测器主要芯片稳定探测器电压漂移和降低探测器电子学噪声。同时，使用低噪声电源，在没有光源的情况下测量光电探测器的电子学噪声，并利用高精度万用表对探测器电子学噪声进行测试，进一步利用激光器输出8 mW 光功率对探测器抬高进行评估，最后使用LPSD 算法对测试结果进行处理。图8 （a）为探测器时域数据，可知光电探测器电子学噪声在5 h 内波动峰峰值为3.42×10−6V，均值为−1.45×10−5V；图8 （b）中红色实线为探测器电子学噪声经过LPSD 算法处理结果，从图中可知光电探测器电子学噪声在0.1 mHz～1 Hz 范围内低于1.74×10−5V/Hz1/2，该电子学噪声满足空间引力波探测要求。为当入射光功率8 mW 激光时，在1 Hz 以内探测器对应的功率谱密度达到40 dB以上，在空间引力波频段完成对了激光强度噪声的表征，如图8（b）中蓝色实线。

图8 探测器电子学噪声测试表征Fig 8 The electronic noise of the detector

3 结论

从空间引力波频段激光强度噪声抑制中低噪声光电探测的需求出发，在分析光电探测噪声传递的基础上构建低噪声光电探测器，采用稳定基准电压作为光电二极管的反偏电压，结合跨阻放大电路设计，并采用低噪声芯片、低温漂电阻以及电磁屏蔽等手段研发低噪声光电探测器。搭建探测器测试平台，利用高精度数字万用表对低噪声光电探测器的电子学噪声及增益特性进行长时间测试采集，并通过LPSD 算法进行频域噪声功率谱分析。所研发探测器在0.1 mHz 时，电压噪声谱密度达到1.649×10−5V/Hz1/2；在1 mHz 时，电压噪声谱密度达到6.95×10−6V/Hz1/2；在1 Hz 时，电压噪声谱密度达到7.07×10−8V/Hz1/2；其电子学噪声低于空间引力波频段激光强度噪声要求。在8 mW 光入射探测器时，增益为40 dB 以上。所研制探测器为光电负反馈法抑制空间引力波频段激光强度噪声提供了实验方案及关键器件。