光外差探测

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定义:一种灵敏的光探测方法,即使在信号功率很弱时也能达到量子极限。

外差探测(也称为相干探测)是一种探测方法,最早是从无线电波和微波领域发展起来的。其中,很弱的输入信号与一些非线性装置中的强的“本地振荡”的波混合在一起,混合光在被滤除掉原始信号和局域振荡频率后被探测到。混合光的频率为信号频率与本地振荡频率的和或者差值。

图1:光外差探测示意图

光外差探测涉及到信号光和本地振荡波,混合之后的光为电子信号。它们不是利用非线性晶体混合,而是直接采用平方律光电探测器,通常为光二极管,来探测叠加的波。例如,采用图1所示的合束器(或者分束器),调整两束光使它们满足模式匹配。这代表它们的波前在到达探测器时具有相同的曲率,而且在整个探测区域的干涉条件是一致的。当然,这只有在两光束是空间相干的情况下能够满足。采用光纤的系统时,光纤耦合器会取代分束器,所有的光纤都是单模光纤,可能甚至是保偏光纤

光电流正比于总的光强,也就是正比于总电场振幅的平方。如果信号和本地振荡的功率和频率都是常数,光电流包含两个不同的频率分量:

  • 常数部分(频率为0)正比于本地振荡和信号功率的和。
  • 以频率差振荡(拍音)的部分的振幅正比于信号光电场振幅与本地振荡光电场振幅的乘积。

可以隔离振荡部分并采用电子学方法进行处理。其电场功率正比于信号光电场振幅与本地振荡光电场振幅的乘积。

如果本地振荡很强,弱输入信号产生的外差信号比直接探测强很多。从这个角度,外差探测相当于提供信号增益,尽管并不涉及任何光学放大过程。


目录

噪声限制

探测信号时存在不同的噪声:

  1. 散粒噪声,其功率谱密度正比于平均光功率。
  2. 光探测器存在附加噪声,例如由于暗电流存在产生的噪声。
  3. 电子学设备也会存在附加噪声。

有些情况下,本地振荡功率足够强,以至于散粒噪声的功率谱密度比任何其它噪声都大。这时信噪比主要受限于散粒噪声。可以由光电流的均方值的比值来计算:

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其中Ps和Plo分别是信号功率和本地振荡功率,ηq是光二极管的量子效率,ηm是两光束的交叠因子,B是探测带宽。这一结果等价于平均时间为1/B时产生的光电子数。

进一步提高本地振荡功率不会提高信噪比,因为信号光功率和散粒噪声功率谱密度也会相应的提高。

另外,合束器的透射率需要很高,从而保证几乎所有信号光都能进入探测器。本地振荡在探测器中很大的损耗可通过提高进入分束器中的本地振荡的功率来进行补偿。

如果合束器的透射率很高,并且光束交叠很好(ηm ≈ 1),得到的信噪比是直接探测的两倍。实际上,外差探测在灵敏度上具有很大的优势,因为直接探测只有当信号功率非常高时才能达到散粒噪声极限,而外差探测在很低信号功率时就能达到量子极限。因此,外差探测尤其适用于微弱信号探测。当然还存在一种情形,探测器饱和条件限制了本地振荡功率,从而无法实现量子极限[10]。

一个重要的细节需要指出,当信号光频率不为0而是有限频率时,探测器噪声(例如1/f噪声)会比0频率附近的噪声弱很多。

采用压缩振幅的本地振荡光束,采用外差探测甚至可以达到量子极限以下[11]。


外差探测空间单模特性

只有当交叠因子ηm很大时才能检测到强外差信号。如果本地振荡光束是完美的高斯光束,可以将总的入射信号光看做很多模式的叠加,模式系统由本地振荡光束确定。只有处于最低阶模式的信号光对外差信号有贡献,因为所有的高阶模式的交叠因子都为0.对于任一高阶模式,光二极管处仍会发生干涉,但是在整个探测区域对功率进行积分导致本地振荡光强抵消,这里假设探测效率在整个光束区域都是一致的。

外差探测的单模特性是很重要的一个性质。例如,在敏感测量时可以抑制杂散光的影响。但是,它也会降低探测效率,例如当需要探测散射到很大面积区域的光时。

理论上,采用的本地振荡光束应包含不同的空间模式,并且每个模式的频率是不同的。这样可以同时独立的测量多个模式的信号。然而,外差信号对应的每一个信号的功率都正比于其对应模式的本地振荡功率,噪声水平由总的本地振荡功率决定。这也表明外差探测主要是单模探测技术。


平衡探测

图2:平衡外差探测示意图。

图1所示的简易外差探测装置还存在一个问题就是本地振荡波中的附加噪声会直接影响到信号光。采用图2的平衡探测装置则可以避免。这时分束器的反射率为50%。采用一个简单的电子回路,可以得到两光电流的差值。这一差值在一阶近似下不会被本地振荡波中的噪声影响。


时间相干问题

如果本地振荡波与信号光是完全独立的,很难测量入射信号的相位,因为电子信号的相位也是独立于本地振荡的相位,本地振荡相位只在很短的相干时间内是稳定的。

如果需要测量相位,这时本地振荡波和信号通常由同一个光源产生,因此二者的相对相位是比较稳定的,虽然光源的相位噪声可能不是很低。例如,可以采用声光调制器使本地振荡波频移得到信号光。这时外差探测可以很灵敏的测得信号光的任意相位变化。

对电子信号进行带通滤波,可以对信号的一部分很窄光谱进行采样。探测带宽可以远低于光带通滤波器。例如,这在精密激光光谱学中很有用处。


零差探测

很多外差探测都是零差探测,其中本地振荡波频率等于信号频率。在零差测量中,两波由同一激光光源产生。由于外差信号的功率与信号和本地振荡的相位差有关,因此零差技术也是与相位有关的。

一种改进的方法是平衡零差探测,其中两个光二极管在分束器后面,分束器的反射率为50%,于是可以测量光电流的和与差。如果切断信号端口,光电流差值处于本地振荡光束的散粒噪声水平,尽管该光束的实际噪声是不同的。实际噪声可以通过光电流的总和得到。光电流总和的噪声与直接采用一个光二极管探测本地振荡光束是相同的。零差探测可以提供信号差分,因此可以很方便的比较时间噪声与散粒噪声极限。如果采用压缩振幅的光,光电流总和的噪声要低于差值。在许多压缩光实验中,可以采用零差探测测量压缩度。

无输入信号的情况可以测量真空噪声。尽管没有光子进入输入端口,电场仍然存在真空涨落。测量的本地振荡散粒噪声是由真空噪声产生的[5],而不是由本地振荡光束。可以解释上述理论的一个试试就是当信号光为压缩振幅光时可以降低噪声水平。这与之前普遍认为散粒噪声是探测过程的一个内禀性质,而不是光场的特性的观点是冲突的。


利用脉冲光束进行外差探测

外差探测也适用于脉冲信号,采用本地振荡光脉冲。也可以采用超短脉冲。因为外差探测器只有当本地振荡光存在才能非常灵敏(假设信号功率远小于本地振荡功率),即使不采用响应快的探测器仍可以得到很高的时间分辨率。这一技术称为外差(或零差)线性光学采样[14,15]。


外差探测的应用

下面是外差探测的一些应用:

  1. 应用于相干多普勒LIDAR测量(及相关激光雷达技术),其中需要探测反射到大气中的很微弱的光。也可以准确测量多普勒偏移得到风速。如果信号光和本地振荡光束来自同一激光光源,那么可以分辨非常小的多普勒偏移。
  2. 光谱学应用。例如太阳辐射线测量[3]和腔衰荡光谱学[13]。
  3. 采用自外差技术可以测量激光器线宽,其中经过频移的激光光束与自身经过时间延迟后的光叠加后进入光探测器。
  4. 光纤通信中,外差和零差探测的相位灵敏度可以用于解调相位编码的信号[7,9],采用频移键控技术(FSK)(参阅相干通信)。它也是某些电子色散补偿技术的基础。


参考文献

[1] B. M. Oliver, “Signal to noise ratios in photoelectric mixing”, Proc. IRE 49, 1960 (1961)

[2] H. R. Carleton and W. T. Maloney, “A balanced optical heterodyne detector”, Appl. Opt. 7 (6), 1241 (1968)

[3] J. H. McElroy, “Infrared heterodyne solar radiometry”, Appl. Opt. 11 (7), 1619 (1972)

[4] Y. Fujii et al., “Incoherent optical heterodyne detection and its application to air pollution detection”, Appl. Opt. 17 (21), 3444 (1978)

[5] H. P. Yuen and V. W. S. Chan, “Noise in homodyne and heterodyne detection”, Opt. Lett. 8 (3), 177 (1983)

[6] R. Stierlin et al., “Excess-noise suppression in a fibre-optic balanced heterodyne detection system”, Opt. Quantum Electron. 18 (6), 445 (1986)

[7] T. Okoshi, “Recent advances in coherent optical fiber communications systems”, J. Lightwave Commun. 5 (1), 44 (1987)

[8] M. J. Collett et al., “Quantum theory of optical homodyne and heterodyne detection”, J. Mod. Opt. 34 (6-7), 881 (1987)

[9] R. A. Linke et A. H. Gnauck, “High-capacity coherent lightwave systems”, J. Lightwave Technol. 6 (11), 1750 (1988)

[10] J. F. Holmes and B. J. Rask, “Optimum optical local-oscillator power levels for coherent detection with photodiodes”, Appl. Opt. 34 (6), 927 (1995)

[11] Y. Li et al., “Sub-shot-noise-limited optical heterodyne detection using an amplitude-squeezed local oscillator”, Phys. Rev. Lett. 82 (26), 5225 (1999)

[12] S. Schlamp et al., “Laser-induced thermal-acoustic velocimetry with heterodyne detection”, Opt. Lett. 25 (4), 224 (2000)

[13] Y. He and B. J. Orr, “Rapidly swept, continuous-wave cavity ringdown spectroscopy with optical heterodyne detection: single- and multi-wavelength sensing of gases”, Appl. Phys. B 75 (2-3), 267 (2002)

[14] C. Dorrer et al., “Linear optical sampling”, IEEE Photon. Technol. Lett. 15 (12), 1746 (2003)

[15] E. Benkler et al., “Characterization of ultrashort optical pulse properties by amplitude-modulation-balanced heterodyne gating”, Opt. Lett. 30 (15), 2016 (2005)

[16] P. Fritschel et al., “Balanced homodyne readout for quantum limited gravitational wave detectors”, Opt. Express 22 (4), 4224 (2014)

[17] H. A. Haus, Electromagnetic noise and quantum optical measurements, Springer, New York (2000)


参阅:光探测器散粒噪声标准量子极限自外差线宽测量测量量子光学