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

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1 Photo detector circuit of KAGRA interferometer (based on LIGO circuit)
2012/6/11 平松成範

2 ・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：　ADA (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　　

3 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　　

4 LIGO circuit for photo detectors of KAGRA : LIGO_REFL1
PD : REFL1, REFL2, POP2

5 LIGO circuit for photo detectors of KAGRA : LIGO_POP1
PD : POP1, ASPO

6 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

7 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

8 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

9 Transimpedance Zt for Ipd
0.0712k (16.881MHz) 0.0859k (45.016MHz) Zt (k) anode rf1 rf2

10 Transimpedance for Ipd
0.105k (16.016MHz) 0.0859k (45.016MHz) Zt (k) anode rf1 rf2

11 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)

12 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) rf rf rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル

13 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)

14 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) rf rf rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル

15 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)

16 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) rf rf rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル

17 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)

18 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) rf rf rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル

19 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)

20 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) rf rf rf1 port 信号レベル rf2 port 信号レベル

21 Rpdの抵抗熱雑音（REFL1） 0.50nV/rtHz 1.6nV/rtHz (16.881MHz) (45.016MHz)
Noise level (V/rtHz)

22 Rpdの抵抗熱雑音（POP1） 1.6nV/rtHz 0.73nV/rtHz (45.016MHz) (16.881MHz)
Noise level (V/rtHz)

23 Amp1 の電流性雑音 0.82nV/rtHz (16.881MHz) 0.28nV/rtHz (45.016MHz)
Noise level (V/rtHz)

24 Amp2 の電流性雑音 1.0nV/rtHz 0.031nV/rtHz (45.016MHz) (16.881MHz)
Noise level (V/rtHz)

25 Amp1 の電流性雑音 1.74nV/rtHz (16.881MHz) 0.28nV/rtHz (45.016MHz)
Noise level (V/rtHz)

26 Amp2 の電流性雑音 1.32nV/rtHz 0.045nV/rtHz (45.016MHz) Noise level