1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 首都师范大学数学科学学院，北京 150001
3 兰州大学物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730000
Overview: In order to achieve the measurement of gravitational wave signals in the millihertz frequency band, the space-based gravitational wave detection projects such as LISA, TianQin, and Taiji projects, which are based on laser interference systems, require the hardware noise floor of the interferometers to be lower than the interstellar weak light shot noise limit. This imposes stringent engineering specifications on the optical-mechanical design and the corresponding interferometer payload. This paper approaches the issue from the perspective of detection mode selection and derives the expressions of readout noise and stray light noise in the interference signal under the single detector mode and the balanced mode. Furthermore, a detailed discussion is provided on the weak-light interference process of the scientific interferometer. The results demonstrate that the balanced mode is capable of suppressing the interference phase noise caused by laser power fluctuations and backscattered stray light across multiple orders of magnitude. However, the suppression capability is constrained by the unequal splitting property of the beam combiner. To address this, a relative gain factor is introduced to compensate for the unequal splitting property of the beam combiner. Further analysis reveals that electronic gain compensation can only eliminate the impact of unequal splitting on one of the two noises rather than both simultaneously. Therefore, a balance must be struck in selecting gain compensation between the suppression of laser power fluctuation noise and stray light noise. Even with this consideration, the balanced mode still offers significant noise suppression capabilities at a magnitude difference, thus potentially reducing the engineering requirements for laser power fluctuations and telescope backscattered stray light.
引力波探测 平衡探测模式 读出噪声 杂散光分析 gravitational wave observation balanced detection mode read out noise straylight analysis
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 湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068
2 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 智能感知与目标识别光电实验室，湖北 黄石 435003
物体微振动信号测量在磁场、建筑、生物成像及航空航天等方面具有重要的应用价值。但是，物体微振动产生的弱反射光不仅极其微弱，易受到探测距离、雨雾气等环境因素的干扰，而且低频振动的振动形式多变，易受到经典噪声影响，难以实现极端微弱反射光条件下的振动信号测量。针对以上问题，文中采用光学偏振控制方法，对信号光与本振光的偏振性进行控制，以减少光学噪声的干扰；采用平衡外差探测，将低频直流信号转变为高频交流信号，避免信号被噪声湮没的同时，克服了光电流共模噪声的影响。在赫兹（~10 Hz）频段，探测器的噪声水平达到了散粒噪声极限，并实现了阿瓦量级反射光条件下的微振动信号测量，测得的物体微振动振幅为11.44 nm，A类标准不确定度为0.25 nm，合成不确定度为0.34 nm，测量精度为±0.75 nm。该方案不仅为微弱多普勒频率测量、振动检测等测量领域的研究提供了实验支持，在弱反光、长距离、雨雾天气等复杂测量环境也具有广阔的应用前景。
微振动 弱反射光 偏振控制 散粒噪声极限 平衡外差探测 micro-vibration weak reflected light polarization control shot noise limit balanced heterodyne detection 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220872
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
本文提出了一种有效改善GaAs/Si（001）材料表面形貌和晶体质量的应变平衡超晶格结构及其制备方案。在无偏角Si（001）衬底上，采用金属有机化学气相沉积技术生长了具有应变平衡超晶格结构的GaAs外延层，并在相同条件下仅生长了GaAs外延层作为比较。采用原子力显微镜、光致荧光光谱仪和双晶X射线衍射仪对两种样品进行表征与测试。测试结果表明：与未采用该方案生长的样品相比，采用应变平衡超晶格结构方案生长的样品的均方根表面粗糙度由1.92 nm（10 μm×10 μm）降至1.16 nm（10 μm×10 μm），光致荧光光谱峰值强度提高5倍以上，光致荧光光谱峰值半峰全宽从31.6 nm降为23.4 nm，XRD曲线峰值半峰全宽降低了30.4%，X射线衍射峰值强度提升了472.2%。该方案可显著改善GaAs/Si（001）材料的表面形貌及晶体质量，对制备硅基电子和光电子器件具有重要意义。
材料 硅基砷化镓材料 表面粗糙度 应变平衡超晶格 金属有机化学气相沉积
1 天津理工大学 集成电路科学与工程学院 薄膜电子与通信器件天津市重点实验室，天津 300384
2 天津理工大学 集成电路科学与工程学院，光电器件与通信技术教育部工程研究中心，天津 300384
3 中国联合网络通信有限公司，北京 100038
4 中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060
5 中科院声学研究所，北京 100190
6 国家纳米科学中心，北京 100190
7 广东粤港澳大湾区国家纳米科技创新研究院，广东 广州 510530
8 广东广纳芯科技有限公司，广东 广州 510530
平衡滤波器因具有卓越的抗噪声及抗电磁干扰能力而在繁杂频谱环境下的低噪通信系统中显得至关重要。该文提出了一款具有共模抑制特性的平衡滤波器，通过差共模理论结合导纳矩阵及传输矩阵完成了分析设计。该滤波器中心频率为1.4 GHz，相对带宽可达74.3%，覆盖2G、GPRS、3G及4G LTE频段。同时该滤波器的边带具有两对传输零点，故其具有理想的边带滚降速度及边带抑制水平。滤波器全差模通频带内共模信号抑制水平均优于10 dB，差模阻带抑制优于20 dB，电路尺寸仅为0.17λg×0.17λg。
平衡滤波器 超宽带 共模抑制 方环谐振器 高选择性 balanced bandpass filter ultra-wideband common mode suppression square ring resonator high selectivity
红外与激光工程
2022, 51(9): 20220389
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 中国工程物理研究院 微系统与太赫兹研究中心，四川 成都 610200
2 中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621900
3 电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都 611731
实现了一种基于“对差分”结构的高效率285 GHz三倍频器。相比于传统的基于片上旁路电容的平衡式三倍频电路，这种理念能够将电路的功率容量提高一倍。同时，这种结构的三倍频能够提供高度的幅度和相位平衡性，进而实现更好的直流馈电回路，并通过省去高工艺需求的片上电容而降低了相应的插入损耗。同样，这种电路能够通过“对差分”结构实现偶次谐波的本征抑制，从而保证了在管结数量倍增前提下的更高变频效率。测试结果表明该三倍频器能够在140~210 mW的驱动功率条件下提供12%的最高效率。
平衡式 三倍频器 太赫兹 功率容量 肖特基二极管 balanced frequency tripler THz power handling Schottky diode 
