ホワイトペーパー – 地下での作業: ロックインアンプを使用したノイズフロア以下の信号の測定

Shimon Elstein, Senior Physicist

ノイズ除去の大幅な改善を達成するには、ロックインアンプを使用する必要があります。ロックインアンプはノイズ除去を3桁以上改善できます。さらに、ノイズ除去よりも数桁高いバックグラウンド信号除去を実現できます。

ロックインアンプは、優れた性能を実現するためにホモダイン検出と呼ばれる技術を採用しています。ホモダイン検出には2つの要件があります。a) 検出される信号は変調される必要がある。b) 同じ周波数のクリーンな基準信号が提供される必要がある。ロックインアンプでは、測定対象の信号に基準信号が乗算され、時間とともに積分されます。その結果、実効帯域幅が非常に狭くなります。基準周波数とわずかでも異なるすべての周波数の信号は、正味の積分値がゼロになります。ディテクターのノイズは「白色」であるため、そのパワーは広いスペクトルに広がり、測定周波数でのノイズ振幅成分は非常に低くなります。測定を単一周波数に限定することにより、ディテクターのノイズが大幅に減少します。同様の方法で、バックグラウンド光信号 (主にDCまたはライン周波数) もロックインアンプによって同様に拒否されます。

ロックインアンプの高性能の鍵は、測定対象の信号の変調周波数と基準信号の周波数間の正確な一致を維持することです。光学アプリケーションでは、この正確な一致がアーキテクチャーに容易に組み込まれます。ロックインアンプの利点を必要とする低レベル光信号の多くは、DCまたは非常に低い周波数です。これらのアプリケーションでは、光チョッパーを使用して信号を変調します。

光チョッパーは、羽根とウインドウに分割された回転ディスクにすぎません。チョッパーディスクは光ビームの経路内に配置されており、回転するとビームが交互にウインドウを通過し、羽根によって遮断されます。

100%の変調を達成するには、ビームのサイズが羽根/ウインドウの幅より小さくなければなりません。

光チョッパーでは、光遮断スイッチを使用して羽根とウインドウの回転を感知することにより、基準信号が簡単に提供されます。光遮断スイッチは、光ビームの通過と衝突しないディスク上の任意の半径方向の位置に配置できます。この方法で提供される基準信号は、測定される光信号と正確に周波数が一致します。最適なパフォーマンスを得るには、ディスクの回転速度を厳密に制御してジッターやその他のアーティファクトを最小限に抑えることが依然として重要です。ディスク形状の均一性が高いことも重要です。

システムを設定する際には、変調が目的の信号のみに適用され、存在する可能性のある不要なバックグラウンド信号には適用されないように、チョッパーを光信号源にできる限り近づける必要があります。

OphirのRM9センサーファミリーには、コンパクトな専用ロックインアンプ、光チョッパー、および高感度ディテクターがシステムに組み込まれており、非常に大きなバックグラウンドノイズが存在する場合でも超低信号レベルを測定できます。

ディテクターには次の種類があります:

• UVおよび可視スペクトルで究極の感度を実現するシリコンフォトダイオード
• 最大12µmの広帯域感度を実現するパイロエレクトリックディテクター
• 独自の吸収コーティングを採用したTHzディテクター

このセンサーファミリーは、分光法、THz検出、自由空間ガス分析、大気研究、ラマン散乱など、要求の厳しい幅広い用途に高いパフォーマンスを提供します。