面向毫赫茲頻段激光強(qiáng)度噪聲抑制的低噪聲光電探測(cè)技術(shù)

鄭立昂，李番，王嘉偉，李健博，高麗，賀子洋，尚鑫，尹王保，田龍，3，楊文海，鄭耀輝，3

（1 山西大學(xué) 光電研究所 量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030006）（2 山西大學(xué) 激光光譜研究所 量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030006）（3 山西大學(xué) 極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，太原 030006）（4 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000）

0 引言

引力波探測(cè)是現(xiàn)代物理學(xué)重要的前沿領(lǐng)域之一［1］?？臻g引力波探測(cè)主要面向0.1 mHz～1.0 Hz 頻段范圍的引力波信號(hào)［2-3］，這些信號(hào)主要是由雙致密星系統(tǒng)以及極大質(zhì)量比雙黑洞天體并合等天文事件釋放的，與地基引力波［4-5］、原初引力波［6］等探測(cè)手段形成互補(bǔ)探測(cè)方案。在多個(gè)衛(wèi)星中搭建高精度空間慣性基準(zhǔn)載荷超穩(wěn)平臺(tái)以及高精度星間激光干涉測(cè)量為空間引力波探測(cè)的核心技術(shù)［7-8］，包括無(wú)拖曳控制技術(shù)［9-13］、超高精度星間激光干涉測(cè)量技術(shù)［14］、超高靈敏度慣性傳感技術(shù)［15］、精密編隊(duì)技術(shù)［16-17］、微牛級(jí)電推技術(shù)［18］等。其中星載激光系統(tǒng)的激光光源噪聲則直接影響超高精度星間激光干涉測(cè)量技術(shù)的靈敏度［19-20］，所以需要對(duì)激光強(qiáng)度噪聲進(jìn)行抑制，然而現(xiàn)階段激光強(qiáng)度噪聲無(wú)法在空間引力波探測(cè)全頻段低于滿足引力波所需的1×10?4V/Hz1/2的要求，所以需要對(duì)激光強(qiáng)度噪聲進(jìn)行抑制，以減少激光光源噪聲對(duì)引力波信號(hào)探測(cè)的影響。

抑制激光光源強(qiáng)度噪聲的常用方法有被動(dòng)模式清潔器抑制噪聲［21-22］、激光注入鎖定抑制噪聲［23-24］，基于半導(dǎo)體光放大增益飽和效應(yīng)和主動(dòng)光電負(fù)反饋法抑制噪聲等［21］。模式清潔器的強(qiáng)度噪聲抑制效果體現(xiàn)在高頻，對(duì)引力波探測(cè)所需要抑制的低噪聲反而有放大效果，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)要求；在激光注入鎖定抑制噪聲技術(shù)中只有在種子激光器和從屬激光器共振頻率附近才會(huì)出現(xiàn)可觀的噪聲抑制效果，低頻部分抑噪效果有限，同樣無(wú)法滿足引力波探測(cè)的要求；而基于半導(dǎo)體光放大增益飽和效應(yīng)來(lái)抑制噪聲也無(wú)法排除因相應(yīng)能級(jí)載流子濃度變化引入的低頻噪聲，所以也不適用于引力波信號(hào)探測(cè)。

相比于外部強(qiáng)度噪聲抑噪方案，采用光電負(fù)反饋法是進(jìn)行低頻段激光強(qiáng)度噪聲抑制的有效技術(shù)手段。其原理是利用光電探測(cè)器探測(cè)待穩(wěn)定激光，并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然后與穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較獲取誤差信號(hào)，之后經(jīng)伺服系統(tǒng)輸出反饋信號(hào)，并作用于泵浦源的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)改變泵浦電流實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器增益的調(diào)節(jié)，從而抑制強(qiáng)度噪聲［25］，這可以認(rèn)為是從激光源內(nèi)部實(shí)現(xiàn)噪聲抑制［27］。其中低噪聲光電探測(cè)器作為首要光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器件，其噪聲性能直接影響后續(xù)反饋回路的信噪比，所以為了提高反饋控制抑制噪聲的精度及增益，首先需要降低光電探測(cè)器的電子學(xué)噪聲，并拓展探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍。在地基引力波探測(cè)頻段，PATRICK K 等研發(fā)出多光電二極管陣列來(lái)探測(cè)激光噪聲并進(jìn)行反饋降噪［28］；中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研發(fā)了單光電二極管的弱光探測(cè)器［29］；本課題組在2022年研發(fā)了低噪聲平衡零拍探測(cè)器，其噪聲在1 mHz 處為3.6×10?2V/Hz1/2［30］。

本文以低噪聲電壓基準(zhǔn)作為光電二極管的穩(wěn)定偏壓，采用低暗電流光電二極管，并設(shè)計(jì)相關(guān)外圍電路及電磁屏蔽，結(jié)合低溫漂系數(shù)元件、低噪聲供電系統(tǒng)以及隔熱等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了低噪聲光電探測(cè)器的研制。由于mHz 以及更低頻段無(wú)法用現(xiàn)有頻譜分析儀進(jìn)行噪聲分析，所以實(shí)驗(yàn)中利用高精度數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行探測(cè)器電子學(xué)噪聲電壓的測(cè)試與數(shù)據(jù)采集［31］，用快速傅里葉變換周期圖法以及對(duì)數(shù)軸功率譜密度法將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到0.1 mHz～1 Hz 頻段的電壓噪聲譜密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研發(fā)探測(cè)器電子學(xué)噪聲的電壓噪聲譜密度在0.1 mHz 時(shí)達(dá)到1.649×10?5V/Hz1/2，在0.1 mHz～1 Hz 的頻率范圍內(nèi)在1.649×10?5V/Hz1/2以下。該低噪聲探測(cè)器的研發(fā)可為引力波探測(cè)中激光強(qiáng)度噪聲抑制提供關(guān)鍵器件支撐。

1 低噪聲探測(cè)器設(shè)計(jì)及噪聲分析

面向空間引力波探測(cè)的低噪聲光電探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1。光電二極管作為光電探測(cè)中的關(guān)鍵器件，其噪聲性能直接影響光電探測(cè)的整體噪聲特性，故需要其暗電流噪聲足夠小。在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，光子流轉(zhuǎn)化為電子流，光電流信號(hào)I的散粒噪聲極限可由其譜密度Isnl表征［32］，表示為

圖1 空間引力波低噪聲探測(cè)器的系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 System architecture of low noise space gravitational wave detector

式中，e為單電子電荷量。所以，當(dāng)光電二極管的暗電流遠(yuǎn)小于激光所轉(zhuǎn)化的光電流時(shí)，才可滿足空間引力波探測(cè)計(jì)劃中的激光強(qiáng)度噪聲要求（10?4/Hz1/2）。

此外，光電二極管需要加載合適的反向偏壓進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，反向偏壓的電壓穩(wěn)定性會(huì)直接影響光電二極管中光電轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性，從而對(duì)光電探測(cè)系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲產(chǎn)生影響。低噪聲供電模塊以及穩(wěn)定的基準(zhǔn)模塊為整個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)提供電源供給，作為電壓噪聲的源頭，其噪聲特性將直接傳遞給后續(xù)器件，故需要低噪聲供電以及高穩(wěn)定性基準(zhǔn)電壓。光電二極管輸出的電流信號(hào)經(jīng)跨阻放大電路后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波實(shí)現(xiàn)極低頻信號(hào)的輸出。

基于上述分析，對(duì)各部分關(guān)鍵電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2。低噪聲可調(diào)偏壓電路主要由高穩(wěn)定參考電壓基準(zhǔn)、高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換等部分組成。其中高穩(wěn)定參考電壓基準(zhǔn)基于LTZ1000 基準(zhǔn)板為外部參考電壓，以AD5791 為主芯片，結(jié)合AD8675、AD8676 及ADA4077 等低噪聲運(yùn)算放大芯片設(shè)計(jì)外圍電路，進(jìn)而選擇低溫漂系數(shù)元件結(jié)合精密電路構(gòu)建技術(shù)，研發(fā)低噪聲偏壓系統(tǒng)［33］。

圖2 低噪聲光電探測(cè)原理Fig.2 Circuit diagram of the low noise photoelectric detection

激光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)R1轉(zhuǎn)化為微弱電壓信號(hào)后直接輸出到集成運(yùn)放的輸入端，并通過(guò)跨阻放大電路進(jìn)行信號(hào)放大［34］。在跨阻放大電路中，輸入和輸出關(guān)系為

故跨阻放大電路中電阻是影響信號(hào)大小的關(guān)鍵元件?？缱栊酒x取電壓噪聲為0.9 nV/Hz1/2的芯片AD797，跨阻電阻選用溫漂系數(shù)低至±0.2×10?6/℃，容差為0.01%的金屬箔電阻，跨阻電容C1的作用則是提高放大器的信號(hào)質(zhì)量，減少自激振蕩。

在光電探測(cè)系統(tǒng)中，光電探測(cè)器電子學(xué)噪聲主要由三種相互獨(dú)立的噪聲組成：光電二極管的噪聲；跨阻放大電路中的熱噪聲；運(yùn)算放大器的輸入電流電壓噪聲。

1）采用C30642 作為光電二極管，其暗噪聲可表示為

式中，||表示兩個(gè)元件的并聯(lián)關(guān)系，e為電荷量，Idk為PD（C30642）的暗電流，Δf為單位測(cè)量帶寬。以本文探測(cè)器為例，Idk為2 nA，Δf為1 Hz，得出其暗噪聲大小為 9.6×10?18V/Hz1/2。

PD 產(chǎn)生的熱噪聲可以表示為

式中，RPD1=Vbias/Idk為PD 的并聯(lián)電阻，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。PD 在加載5 V 偏壓的情況下，得出PD 產(chǎn)生的熱噪聲為2.8×10?11。根據(jù)式（4）可知，加載到光電二極管的偏置電壓直接影響光電二極管產(chǎn)生的熱噪聲，所以必須選用穩(wěn)定且噪聲較低的基準(zhǔn)芯片。

2）跨阻電路的熱噪聲可以表示為

式中，C1為跨阻電路的反饋電容，R1為跨阻電阻。得出跨阻電路產(chǎn)生的熱噪聲為 2.34×10?10V/Hz1/2。

3）運(yùn)算放大器所引起的探測(cè)器的電子學(xué)噪聲包括運(yùn)算放大器輸入電流和電壓噪聲［35］。當(dāng)運(yùn)算放大器的輸入電流噪聲為Inoi時(shí)，則輸入電流噪聲經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)化后的電壓噪聲和來(lái)自運(yùn)算放大器輸入電壓噪聲ein可表示為

式中，Zn為運(yùn)算放大器的電壓噪聲增益。Zd表示為跨阻放大電路的輸入阻抗，可以表示為

式中，Cin和Cd1分別為放大電路的輸入電容以及PD 的結(jié)電容。最后可得ein=1.5×10?11。

根據(jù)上述計(jì)算可知，跨阻電路的熱噪聲量級(jí)較大，其他兩部分噪聲也不可忽略。據(jù)此，探測(cè)器整體的電子學(xué)噪聲可表示為［36］

將圖2 中的參數(shù)以及AD797 的輸出電壓噪聲代入式（9）進(jìn)行計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的電子學(xué)噪聲PDnoise為2.383 2×10?9V/Hz1/2，此噪聲水平低于空間引力波探測(cè)對(duì)強(qiáng)度噪聲要求（2×10?4V/Hz1/2）［37］，滿足低噪聲光電探測(cè)需求，故所設(shè)計(jì)光電探測(cè)方案理論上可應(yīng)用于空間引力波探測(cè)頻段的噪聲評(píng)估。

2 實(shí)驗(yàn)裝置、過(guò)程及結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行精密布板及探測(cè)器焊接研制，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖3，由自研全固態(tài)單頻激光器輸出自由空間傳輸?shù)? 064 nm 激光作為種子光，使用光纖耦合器（THORLABS PAF2-7C）將種子光耦合到單模光纖中，通過(guò)二分之一波片與偏振分束棱鏡調(diào)節(jié)透射光功率為60 mW，后經(jīng)過(guò)可調(diào)衰減片進(jìn)行功率微調(diào)，將8 mW 激光由透鏡聚焦到光電探測(cè)器的光電二極管光敏面上，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光電二極管光敏面與激光入射方向約呈60°夾角，并用吸收片吸收光敏面的微弱反射光［38］，防止激光散射影響探測(cè)準(zhǔn)確性。

圖3 低噪聲光電探測(cè)器測(cè)試示意Fig.3 Scheme for low noise photodetector at ultra-low frequency band

由于現(xiàn)有頻譜分析儀等設(shè)備尚無(wú)法直接對(duì)空間引力波探測(cè)頻段0.1 mHz～1 Hz 頻段噪聲進(jìn)行分析，所以發(fā)展了一套極低頻段激光強(qiáng)度噪聲測(cè)試評(píng)估技術(shù)和系統(tǒng)［39］。本文數(shù)據(jù)測(cè)試中采用的高精度數(shù)字萬(wàn)用表為吉利時(shí)3706A 系列，配套吉利時(shí)3720-ST 采集卡采集電壓信號(hào)。工頻周期數(shù)（Number of Power Line Cycles，NPLC）是商用高精度萬(wàn)用表的重要參數(shù)之一，其值影響著采集的精度和最高采樣率。在數(shù)據(jù)采集中，通過(guò)LabVIEW 軟件編程設(shè)置3706A 的工作參數(shù)，包括設(shè)置NPLC 為1 等，此時(shí)其采集精度為七位半（相當(dāng)于25 bit），并設(shè)置采樣率為每秒兩個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，LabVIEW 軟件可按照采樣率將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤保存并可做實(shí)時(shí)分析。

為保證極低頻段激光強(qiáng)度噪聲的準(zhǔn)確性，首先需要對(duì)信號(hào)采集部件進(jìn)行測(cè)試，判斷其是否滿足探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求，即對(duì)高精度數(shù)字萬(wàn)用表儀器本底噪聲進(jìn)行測(cè)量。將采集卡正負(fù)極進(jìn)行短接，使用高精度萬(wàn)用表電壓采集功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到的電壓噪聲為時(shí)域噪聲信息，之后通過(guò)對(duì)數(shù)頻率軸功率譜密度（Logarithmic Frequency Axis Power Spectral Density，LPSD）算法進(jìn)行譜密度分析，得到時(shí)域波動(dòng)和頻域噪聲信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓噪聲的全面分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4，圖4（a）為高精度數(shù)字萬(wàn)用表時(shí)域波動(dòng)分析，由圖可知其電壓漂移峰峰值為1×10?6V；圖4（b）為高精度萬(wàn)用表電子學(xué)噪聲譜分析圖，由LPSD 算法處理結(jié)果可知萬(wàn)用表電子學(xué)噪聲在0.1 mHz～1 Hz 范圍內(nèi)，低于4.16×10?7V/Hz1/2。此噪聲水平遠(yuǎn)低于電路中各電子元件理論上的輸出電壓噪聲，所以可選用此萬(wàn)用表作為噪聲測(cè)量?jī)x器。

圖4 高精度萬(wàn)用表強(qiáng)度噪聲譜分析圖Fig.4 Intensity noise spectrum analysis diagram of high precision multimeter

根據(jù)第1 節(jié)中探測(cè)器系統(tǒng)構(gòu)架可知，光電二極管需要加載合適的反向偏壓進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，反向偏壓的電壓穩(wěn)定性會(huì)直接影響光電二極管中光電轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性，從而對(duì)光電探測(cè)系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲產(chǎn)生影響。圖5為基于電壓基準(zhǔn)芯片LTZ1000 和MAX6350 直接輸出5 V 時(shí)的反偏電壓穩(wěn)定性的時(shí)域及頻域結(jié)果。該結(jié)果主要由電壓芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料決定，MAX6350 作為通用穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)，其溫度系數(shù)為0.001 V/℃，噪聲性能為1.5 μVp-p［40］；LTZ1000 是超穩(wěn)定溫度可控型基準(zhǔn)，其溫度系數(shù)為0.000 005 V/℃，噪聲性能為1.2 μVp-p［41］。雖然LTZ1000 全面性能優(yōu)于MAX6350，但MAX6350 直接輸出5 V 基準(zhǔn)電壓，可方便地作為探測(cè)器反偏電壓，且LTZ1000 還需外圍電路匹配才能穩(wěn)定輸出5 V 反偏電壓，在電路集成設(shè)計(jì)上存在一定復(fù)雜性。

圖5 不同基準(zhǔn)芯片輸出電壓噪聲表征Fig.5 Noise characterization of output voltages with different reference chips

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5，其中圖5（a）為時(shí)域數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)在5 h 以上。圖5（a）中橙色實(shí)線代表LTZ1000 作為基準(zhǔn)芯片時(shí)隨時(shí)間變化的電壓漂移量，可知外部電壓基準(zhǔn)電壓漂移峰峰值為2×10?5V。圖5（a）中藍(lán)色實(shí)線為MAX6350 隨時(shí)間變化的電壓漂移量，可知MAX6350 電壓量漂移為5×10?5V?；鶞?zhǔn)源的電壓漂移直接影響光電二極管反偏電壓穩(wěn)定性，故將LTZ1000 作為主要基準(zhǔn)芯片為電路提供基準(zhǔn)電壓及反偏電壓的首選。

將不同基準(zhǔn)源在頻域進(jìn)行對(duì)比。圖5（b）為L(zhǎng)TZ1000 與MAX6350 分別對(duì)同一探測(cè)器提供基準(zhǔn)電壓時(shí)對(duì)探測(cè)器電子學(xué)噪聲的影響，圖5（b）中紅色實(shí)線為L(zhǎng)TZ1000 提供電壓時(shí)探測(cè)器的電子學(xué)噪聲，藍(lán)色實(shí)線為MAX6350 作為基準(zhǔn)時(shí)探測(cè)器的電子學(xué)噪聲。通過(guò)對(duì)比，在0.1 mHz～1 Hz 頻段，LTZ1000 提供電壓時(shí)探測(cè)器電子學(xué)噪聲低于MAX6350 作為基準(zhǔn)時(shí)的電子學(xué)噪聲，并且噪聲處于2.26×10?5V/Hz1/2以下，滿足空間引力波探測(cè)頻段的要求，故選用LTZ1000 為探測(cè)器提供基準(zhǔn)電壓。

由于基準(zhǔn)電壓直接可供電流非常小，需要結(jié)合電流放大電路（AD8671）作為反偏電壓，增加光電二極管電流動(dòng)態(tài)范圍。為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種基準(zhǔn)作為反偏電壓對(duì)光電探測(cè)噪聲水平的影響，實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了兩種電壓基準(zhǔn)在電流放大電路（AD8671）后的電壓穩(wěn)定性。圖6（a）中LTZ1000 與MAX6350 經(jīng)過(guò)AD8671 后輸出電壓穩(wěn)定性基本一致；圖6（b）所示電流放大電路中AD8671 的電子噪聲因素的影響大于其他噪聲源。據(jù)此，仍需對(duì)電流放大電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便獲得更低噪聲更高穩(wěn)定性的反偏電壓，進(jìn)一步降低整體電路的電子學(xué)噪聲。

圖6 不同基準(zhǔn)芯片經(jīng)過(guò)AD8671 后輸出電壓噪聲表征Fig 6 Noise characterization of output voltages with different reference chips which pass AD8671

進(jìn)一步，在關(guān)閉種子源激光后測(cè)量光電二極管和跨阻芯片對(duì)探測(cè)器電子學(xué)噪聲的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7，其中圖7（a）為銦鎵砷二極管（C30642）與普通光電二極管（GPD-SN500T46-B30PC）的對(duì)比。由圖可知，在相同測(cè)試環(huán)境下當(dāng)C30642 作為探測(cè)器光電二極管時(shí)，其暗電流噪聲整體優(yōu)于普通二極管。

圖7 光電二極管與跨阻芯片的噪聲功率譜表征Fig 7 Noise power spectrum of photodiode and transimpedance chip

圖7（b）中紅色實(shí)線為AD8671 作為探測(cè)器跨阻芯片時(shí)的電子學(xué)噪聲，藍(lán)色實(shí)線為AD797 作為探測(cè)器跨阻芯片時(shí)的電子學(xué)噪聲。圖中數(shù)據(jù)為L(zhǎng)PSD 算法處理結(jié)果，由圖7（b）可知當(dāng)兩個(gè)芯片作為光電探測(cè)器跨阻芯片時(shí)，電子學(xué)噪聲在0.1 mHz～1 Hz 范圍內(nèi)均低于1.94×10?5V/Hz1/2，但AD797 在高于0.1 Hz 頻段的電子學(xué)噪聲低于AD8671，選用AD797 更優(yōu)于AD8671，故選用AD797 作為探測(cè)器的跨阻芯片。

通過(guò)上述對(duì)比，最終選用LTZ1000 和AD797 作為探測(cè)器主要芯片穩(wěn)定探測(cè)器電壓漂移和降低探測(cè)器電子學(xué)噪聲。同時(shí)，使用低噪聲電源，在沒(méi)有光源的情況下測(cè)量光電探測(cè)器的電子學(xué)噪聲，并利用高精度萬(wàn)用表對(duì)探測(cè)器電子學(xué)噪聲進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步利用激光器輸出8 mW 光功率對(duì)探測(cè)器抬高進(jìn)行評(píng)估，最后使用LPSD 算法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理。圖8 （a）為探測(cè)器時(shí)域數(shù)據(jù)，可知光電探測(cè)器電子學(xué)噪聲在5 h 內(nèi)波動(dòng)峰峰值為3.42×10?6V，均值為?1.45×10?5V；圖8 （b）中紅色實(shí)線為探測(cè)器電子學(xué)噪聲經(jīng)過(guò)LPSD 算法處理結(jié)果，從圖中可知光電探測(cè)器電子學(xué)噪聲在0.1 mHz～1 Hz 范圍內(nèi)低于1.74×10?5V/Hz1/2，該電子學(xué)噪聲滿足空間引力波探測(cè)要求。為當(dāng)入射光功率8 mW 激光時(shí)，在1 Hz 以內(nèi)探測(cè)器對(duì)應(yīng)的功率譜密度達(dá)到40 dB以上，在空間引力波頻段完成對(duì)了激光強(qiáng)度噪聲的表征，如圖8（b）中藍(lán)色實(shí)線。

圖8 探測(cè)器電子學(xué)噪聲測(cè)試表征Fig 8 The electronic noise of the detector

3 結(jié)論

從空間引力波頻段激光強(qiáng)度噪聲抑制中低噪聲光電探測(cè)的需求出發(fā)，在分析光電探測(cè)噪聲傳遞的基礎(chǔ)上構(gòu)建低噪聲光電探測(cè)器，采用穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓作為光電二極管的反偏電壓，結(jié)合跨阻放大電路設(shè)計(jì)，并采用低噪聲芯片、低溫漂電阻以及電磁屏蔽等手段研發(fā)低噪聲光電探測(cè)器。搭建探測(cè)器測(cè)試平臺(tái)，利用高精度數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)低噪聲光電探測(cè)器的電子學(xué)噪聲及增益特性進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試采集，并通過(guò)LPSD 算法進(jìn)行頻域噪聲功率譜分析。所研發(fā)探測(cè)器在0.1 mHz 時(shí)，電壓噪聲譜密度達(dá)到1.649×10?5V/Hz1/2；在1 mHz 時(shí)，電壓噪聲譜密度達(dá)到6.95×10?6V/Hz1/2；在1 Hz 時(shí)，電壓噪聲譜密度達(dá)到7.07×10?8V/Hz1/2；其電子學(xué)噪聲低于空間引力波頻段激光強(qiáng)度噪聲要求。在8 mW 光入射探測(cè)器時(shí)，增益為40 dB 以上。所研制探測(cè)器為光電負(fù)反饋法抑制空間引力波頻段激光強(qiáng)度噪聲提供了實(shí)驗(yàn)方案及關(guān)鍵器件。