Photo detector circuit of KAGRA interferometer (based on LIGO circuit) 2012/6/11 平松成範
・LIGO interferometer の photo detector (PD) 回路に基づいて KAGRA interferometer の5種類の PD (REFL1, REFL2, POP1, POP2, ASPO)に対する回路を設計する 回路は LIGO_REFL1, LIGO_POP1 の2種類(p.4, p.5) LIGO_REFL1: REFL1, REFL2, POP2 に適用 (REFL1 の16.881MHz信号が飽和しないように rf-port1 の伝達 インピーダンスを低めに設定) LIGO_POP1: POP1, ASPO に適用 (POP1, ASPO の16.881MHz信号が小さいので伝達 インピーダンスを高めに設定) ・rf-port のアンプ U1, U2 の入力 rf1, rf2 における伝達インピーダンス及びノイズの評価 フォトダイオード: 容量 Cpd=150pF(逆バイアス時) 直列等価抵抗 Rs=10 (T=350K PDの発熱を考慮) 光-電流変換効率 0.86 A/W rf-port の出力アンプ: ADA4899-1 (Analog Devices) 入力電圧雑音 1 nV/rtHz 入力電流雑音 2.6 pA/rtHz target freq. amp. gain rf-port1 16.881MHz x1 rf-port2 45.016MHz x3 (BWが狭まるため限界) ・雑音の評価 PD の等価直列抵抗の熱雑音(温度を 350Kと仮定)による雑音及びrf-port のアンプの雑音
図の説明 p.4, p.5: 回路図 p.6: 回路性能のまとめ p.7, p.8: ノッチフィルタがないときの PD anode における rf 信号レベル anode のレベルが 20mV 以上の4つの周波数に対してノッチフィルタを入れることにする p.9: LIGO_REFL1 の伝達インピーダンス p.10: LIGO_POP1 の伝達インピーダンス p.11, p.12: PD REFL1 と回路 LIGO_REFL1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、 アンプ入力 rf1、rf2 における信号レベル p.13, p.14: PD POP1 と回路 LIGO_POP1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、 p.15, p.16: PD ASPO と回路 LIGO_POP1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、 p.17, p.18: PD REFL2 と回路 LIGO_REFL1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、 p.19, p.20: PD POP2 と回路 LIGO_REFL1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、 p.21: 回路 LIGO_REFL1 における PD 直列等価抵抗 Rpd (10) による熱雑音 p.22: 回路 LIGO_POP1 における PD 直列等価抵抗 Rpd (10) による熱雑音 (p.4, p.5におけるR2の熱雑音はC8でシャントされるため rf1、rf2 における雑音には 0.001nV/rtHz以下の寄与となる→無視できる) p.23-p.26: アンプU1, U2 の入力電流雑音による雑音電圧 p.23: 回路 LIGO_REFL1 におけるU1の入力電流雑音による雑音電圧 p.24: 回路 LIGO_REFL1 におけるU2の入力電流雑音による雑音電圧 p.25: 回路 LIGO_POP1 におけるU1の入力電流雑音による雑音電圧 p.26: 回路 LIGO_POP1 におけるU2の入力電流雑音による雑音電圧
LIGO circuit for photo detectors of KAGRA : LIGO_REFL1 PD : REFL1, REFL2, POP2
LIGO circuit for photo detectors of KAGRA : LIGO_POP1 PD : POP1, ASPO
p4, p.5 の回路の性能まとめ Note: *1 OP amp. ADA4899-1 PD (target freq.) circuit Port (obser-vation point) Port freq. (MHz) Light power (mW) Trans-imp. () Signal Level*2 (mV) Shot noise (nV/rtHz) Thermal Amp. noise*1 DC-port Output (V) REFL1 (16.881MHz) LIGO_REFL1 rf1 16.881 43.5 71.2 2667 8.39 0.5 1.3 2.16 rf2 45.016 2.73 85.9 201.4 10.1 1.6 1.4 REFL2 (45.016MHz) 10.9 667 4.19 0.540 0.681 50.4 5.06 POP1 LIGO_POP1 6.44 104.8 580 12.3 0.73 2.0 2.15 0.0949 7.01 1.7 POP2 395 8.37 ASPO 2.46 222 3.57 0.181 0.0951 7.03 2.93 Note: *1 OP amp. ADA4899-1 *2 signal level rf-port1=rf1x1 rf-port2=rf2x3
ノッチフィルタがない場合の PD anode 信号電圧 PD: REFL1 transimpedance anode Zt (k) rf1 rf2
この4つの周波数に対する ノッチフィルターを PD anode に入れる
Transimpedance Zt for Ipd 0.0712k (16.881MHz) 0.0859k (45.016MHz) Zt (k) anode rf1 rf2
Transimpedance for Ipd 0.105k (16.016MHz) 0.0859k (45.016MHz) Zt (k) anode rf1 rf2
PD: REFL1 circuit: LIGO_REFL1 REFL1 受光パワー anode 信号レベル (光-電流変換効率 0.86 A/W)
PD: REFL1 circuit: LIGO_REFL1 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル port freq. Zt Vrf shot noise (MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz) rf1 16.881 71.2 2667 8.39 rf2 45.016 85.9 201.4 10.1 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル
PD: POP1 circuit: LIGO_POP1 REFL1 受光パワー anode 信号レベル (光-電流変換効率 0.86 A/W)
PD: POP1 circuit: LIGO_POP1 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル port freq. Zt Vrf shot noise (MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz) rf1 16.881 104.8 580 12.3 rf2 45.016 85.9 7.01 10.1 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル
PD: ASPO circuit: LIGO_POP1 REFL1 受光パワー anode 信号レベル (光-電流変換効率 0.86 A/W)
PD: ASPO circuit: LIGO_POP1 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル port freq. Zt Vrf shot noise (MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz) rf1 16.881 104.8 222 3.57 rf2 45.016 85.9 7.03 2.93 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル
PD: REFL2 circuit: LIGO_REFL1 REFL1 受光パワー anode 信号レベル (光-電流変換効率 0.86 A/W)
PD: REFL2 circuit: LIGO_REFL1 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル port freq. Zt Vrf shot noise (MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz) rf1 16.881 71.2 667 4.19 rf2 45.016 85.9 50.4 5.06 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル
PD: POP2 circuit: LIGO_REFL1 REFL1 受光パワー anode 信号レベル (光-電流変換効率 0.86 A/W)
PD: POP2 circuit: LIGO_REFL1 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル port freq. Zt Vrf shot noise (MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz) rf1 16.881 71.2 395 8.37 rf2 45.016 85.9 7.01 10.1 rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル
Rpdの抵抗熱雑音(REFL1) 0.50nV/rtHz 1.6nV/rtHz (16.881MHz) (45.016MHz) Noise level (V/rtHz)
Rpdの抵抗熱雑音(POP1) 1.6nV/rtHz 0.73nV/rtHz (45.016MHz) (16.881MHz) Noise level (V/rtHz)
Amp1 の電流性雑音 0.82nV/rtHz (16.881MHz) 0.28nV/rtHz (45.016MHz) Noise level (V/rtHz)
Amp2 の電流性雑音 1.0nV/rtHz 0.031nV/rtHz (45.016MHz) (16.881MHz) Noise level (V/rtHz)
Amp1 の電流性雑音 1.74nV/rtHz (16.881MHz) 0.28nV/rtHz (45.016MHz) Noise level (V/rtHz)
Amp2 の電流性雑音 1.32nV/rtHz 0.045nV/rtHz (45.016MHz) Noise level