Photo detector circuit of KAGRA interferometer (based on LIGO circuit)

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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