實(shí)驗(yàn)名稱：高重復(fù)頻率鎖模光纖激光器脈沖重頻同步實(shí)驗(yàn)

研究方向：高重復(fù)頻率脈沖具有的短脈沖間距使其在高速處理網(wǎng)絡(luò)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，當(dāng)激光器在自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械抖動(dòng)、溫度波動(dòng)等環(huán)境擾動(dòng)不可避免地對(duì)激光器輸出脈沖的噪聲性能造成影響。尤其在高重復(fù)頻率被動(dòng)鎖模光纖激光器中，超短的線性腔結(jié)構(gòu)使輸出脈沖的重復(fù)頻率更容易受到環(huán)境噪聲的擾動(dòng)。受到精密應(yīng)用領(lǐng)域需求的刺激，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的控制以提升高重復(fù)頻率被動(dòng)鎖模光纖器輸出脈沖序列的噪聲性能已成為重要的研究?jī)?nèi)容。本章利用鎖相環(huán)技術(shù)對(duì)全光纖結(jié)構(gòu)的高重復(fù)頻率的被動(dòng)鎖模光纖激光輸出脈沖的重復(fù)頻率信號(hào)進(jìn)行相位同步，提升高重頻鎖模光纖激光器的噪聲性能。

測(cè)試設(shè)備：電壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、帶通濾波器、低通濾波器、促動(dòng)器、控制器、熱電控制器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖一：重復(fù)頻率鎖定實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

在重復(fù)頻率同步的實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)脈沖重復(fù)頻率為1.27GHz的被動(dòng)鎖模光纖激光器的重復(fù)頻率與一臺(tái)商用微波參考源實(shí)現(xiàn)相位同步，鎖定原理圖如上圖圖一所示。從圖中可以看出，重復(fù)頻率為1.27GHz的鎖模光脈沖首先經(jīng)過(guò)隔離器后使用光電探測(cè)器將鎖模脈沖的重復(fù)頻率轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。加入的隔離器是為了防止返回光對(duì)諧振腔的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。放大后的重復(fù)頻率電信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾出脈沖的基頻信號(hào)，基頻信號(hào)與參考信號(hào)在雙平衡混頻器中進(jìn)行鑒相過(guò)程。生成的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器之后注入到由模擬PID控制器構(gòu)成的環(huán)路濾波器中，該款PID控制器的工作帶寬為100kHz，能滿足處于10Hz-1kHz頻段的環(huán)境噪聲的抑制。經(jīng)過(guò)PID控制器后生成的控制信號(hào)注入由固定于PZT促動(dòng)器表面的光纖構(gòu)成的壓電控制器VCO中。在鎖模激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，可飽和吸收體可飽和吸收過(guò)程產(chǎn)生的熱量致使腔體溫度的上升。為實(shí)現(xiàn)對(duì)腔體溫度的控制，將整個(gè)諧振腔放置于由導(dǎo)熱性能良好的黃銅加工而成的結(jié)構(gòu)件中，溫度控制的執(zhí)行器為熱電控制器，控制電路為一臺(tái)商用溫度控制儀，控制的精度為0.02℃。

圖二：壓控振蕩器的靜態(tài)調(diào)諧曲線

在進(jìn)行激光器重復(fù)頻率鎖定實(shí)驗(yàn)之前，先對(duì)由通過(guò)壓電促動(dòng)器拉伸光纖以實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率調(diào)諧的壓控振蕩器VCO的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試，為確定具體的環(huán)路鎖定結(jié)構(gòu)以及PID的參數(shù)設(shè)置提供基礎(chǔ)。在進(jìn)行VCO的靜態(tài)測(cè)試過(guò)程中，使用波形發(fā)生器在壓電促動(dòng)器上施加幅值改變的方波信號(hào)，使用信號(hào)分析儀記錄不同幅值下重復(fù)頻率的偏移量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的VCO的靜態(tài)響應(yīng)曲線如圖二所示。在0-5V的范圍內(nèi)，重復(fù)頻率偏移量與施加的電壓值成線性關(guān)系，線性擬合后得到的系數(shù)為1.29kHz/V。考慮到60min內(nèi)重復(fù)頻率的最大偏移量只有430Hz，1.29kHz/V的靜態(tài)響應(yīng)系數(shù)意味著控制環(huán)路中可將PID控制器輸出的信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)壓電促動(dòng)器，無(wú)需在控制環(huán)路中引入電壓放大器。在以推動(dòng)腔鏡改變腔長(zhǎng)來(lái)鎖定重復(fù)頻率的結(jié)構(gòu)中，由于VCO靜態(tài)響應(yīng)系數(shù)過(guò)低（如74.2Hz/V），需在控制環(huán)路中引入電壓放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)VCO。

圖三：（a）測(cè)試VCO動(dòng)態(tài)調(diào)諧曲線的原理圖，（b）VCO的動(dòng)態(tài)調(diào)諧曲線

測(cè)試VCO的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的原理如圖三（a）所示，往VCO中的壓電促動(dòng)器施加來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的幅值為2V的正弦調(diào)制信號(hào)；帶有調(diào)制的光脈沖經(jīng)過(guò)高速光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后通過(guò)雙平衡混頻器、低通濾波器將電信號(hào)的頻率降低至鎖相放大器的帶寬范圍內(nèi)；降頻后的電信號(hào)輸入鎖相放大器的信號(hào)端，同時(shí)將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)輸入到鎖相放大器的參考端，完成測(cè)試環(huán)路的構(gòu)建，測(cè)試所得的VCO的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖三（b）所示。從圖中可以看出，當(dāng)施加的調(diào)制頻率低于1000Hz時(shí)，VCO的強(qiáng)度響應(yīng)是平坦的，在1050Hz附近響應(yīng)曲線出現(xiàn)共振峰；當(dāng)調(diào)制頻率低于100Hz時(shí)，相位響應(yīng)函數(shù)保持為0，當(dāng)調(diào)制頻率達(dá)到~1050Hz時(shí)，相位響應(yīng)函數(shù)會(huì)有90°的相移。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖四：諧振腔重復(fù)頻率穩(wěn)定之后輸出脈沖序列：（a）相位噪聲，（b）相對(duì)強(qiáng)度噪聲的對(duì)比

實(shí)驗(yàn)中控制器選用PI控制模式，以Ziegler-Nichols調(diào)優(yōu)法確定控制器具體的PI參數(shù)，得到的典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖四所示。從圖四(a)中可以看出，通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)，輸出脈沖在1-100Hz的頻率偏移范圍內(nèi)，相位噪聲得到顯著地抑制，鎖相環(huán)技術(shù)對(duì)1kHz之后的噪聲成分不產(chǎn)生影響，即鎖相環(huán)技術(shù)能有效地抑制環(huán)境噪聲對(duì)脈沖噪聲性能的影響，但是對(duì)與脈沖動(dòng)力學(xué)相關(guān)的噪聲卻沒(méi)有影響。累積時(shí)間抖動(dòng)由200ps減少至642fs，對(duì)應(yīng)的累積相位噪聲由1.65rad降低至4.99mrad。穩(wěn)頻之后的脈沖的相位噪聲曲線從20Hz附近開始偏離參考源的相位噪聲，考慮到VCO的動(dòng)態(tài)響應(yīng)帶寬高達(dá)1kHz，可以判斷這樣的偏離不是來(lái)源與響應(yīng)帶寬的限制；在10kHz附近，輸出脈沖的相位噪聲開始低于參考源的相位噪聲。由于VCO受到鎖相環(huán)路的影響，穩(wěn)頻之后輸出脈沖的相對(duì)強(qiáng)度噪聲相較于沒(méi)有鎖定的激光源的相對(duì)強(qiáng)度噪聲源明顯偏高，對(duì)應(yīng)的累積相對(duì)強(qiáng)度噪聲由0.228%上升至0.400%，并且相對(duì)強(qiáng)度噪聲曲線上出現(xiàn)了50Hz的諧波成分。

圖五：激光諧振腔重復(fù)頻率穩(wěn)定之后輸出脈沖的頻率穩(wěn)定性

脈沖重復(fù)頻率鎖定之后，通過(guò)雙平衡混頻器降頻至~3.3kHz，使用帶寬為350MHz的通用頻率計(jì)數(shù)器記錄輸出脈沖的頻率，得到的激光器的重復(fù)頻率的穩(wěn)定性如圖五所示。頻率計(jì)數(shù)器的閘門時(shí)間設(shè)置為100ms，記錄點(diǎn)數(shù)為900點(diǎn)。從記錄的結(jié)果可以看出，記錄時(shí)長(zhǎng)內(nèi)輸出脈沖的重復(fù)頻率在中心頻率附近存在mHz量級(jí)的隨機(jī)抖動(dòng)，但是并沒(méi)有明顯的頻率偏移現(xiàn)象。計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差為9mHz，1s平均時(shí)間對(duì)應(yīng)的相對(duì)阿倫方差在10-12量級(jí)。

電壓放大器推薦：ATA-2042

圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇