實驗名稱：高重復(fù)頻率鎖模光纖激光器脈沖重頻同步實驗

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)用價值。然而，當(dāng)激光器在自由運(yùn)轉(zhuǎn)時，機(jī)械抖動、溫度波動等環(huán)境擾動不可避免地對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。受到精密應(yīng)用領(lǐng)域需求的刺激，實現(xiàn)對環(huán)境擾動的控制以提升高重復(fù)頻率被動鎖模光纖器輸出脈沖序列的噪聲性能已成為重要的研究內(nèi)容。本章利用鎖相環(huán)技術(shù)對全光纖結(jié)構(gòu)的高重復(fù)頻率的被動鎖模光纖激光輸出脈沖的重復(fù)頻率信號進(jìn)行相位同步，提升高重頻鎖模光纖激光器的噪聲性能。

測試設(shè)備：電壓放大器、信號發(fā)生器、帶通濾波器、低通濾波器、促動器、控制器、熱電控制器等。

實驗過程：

圖一：重復(fù)頻率鎖定實驗裝置原理圖

在重復(fù)頻率同步的實驗中，將實脈沖重復(fù)頻率為1.27GHz的被動鎖模光纖激光器的重復(fù)頻率與一臺商用微波參考源實現(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)過隔離器后使用光電探測器將鎖模脈沖的重復(fù)頻率轉(zhuǎn)換成電信號。加入的隔離器是為了防止返回光對諧振腔的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。放大后的重復(fù)頻率電信號經(jīng)過帶通濾波器濾出脈沖的基頻信號，基頻信號與參考信號在雙平衡混頻器中進(jìn)行鑒相過程。生成的誤差信號經(jīng)過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PID控制器后生成的控制信號注入由固定于PZT促動器表面的光纖構(gòu)成的壓電控制器VCO中。在鎖模激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，可飽和吸收體可飽和吸收過程產(chǎn)生的熱量致使腔體溫度的上升。為實現(xiàn)對腔體溫度的控制，將整個諧振腔放置于由導(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)頻率鎖定實驗之前，先對由通過壓電促動器拉伸光纖以實現(xiàn)重復(fù)頻率調(diào)諧的壓控振蕩器VCO的靜態(tài)及動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行測試，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)測試過程中，使用波形發(fā)生器在壓電促動器上施加幅值改變的方波信號，使用信號分析儀記錄不同幅值下重復(fù)頻率的偏移量，實驗測量所得的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?？紤]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控制器輸出的信號直接驅(qū)動壓電促動器，無需在控制環(huán)路中引入電壓放大器。在以推動腔鏡改變腔長來鎖定重復(fù)頻率的結(jié)構(gòu)中，由于VCO靜態(tài)響應(yīng)系數(shù)過低（如74.2Hz/V），需在控制環(huán)路中引入電壓放大器來驅(qū)動VCO。

圖三：（a）測試VCO動態(tài)調(diào)諧曲線的原理圖，（b）VCO的動態(tài)調(diào)諧曲線

測試VCO的動態(tài)響應(yīng)特性的原理如圖三（a）所示，往VCO中的壓電促動器施加來自信號發(fā)生器的幅值為2V的正弦調(diào)制信號；帶有調(diào)制的光脈沖經(jīng)過高速光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號后通過雙平衡混頻器、低通濾波器將電信號的頻率降低至鎖相放大器的帶寬范圍內(nèi)；降頻后的電信號輸入鎖相放大器的信號端，同時將信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號輸入到鎖相放大器的參考端，完成測試環(huán)路的構(gòu)建，測試所得的VCO的動態(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，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，相位響應(yīng)函數(shù)保持為0，當(dāng)調(diào)制頻率達(dá)到~1050Hz時，相位響應(yīng)函數(shù)會有90°的相移。

實驗結(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）相對強(qiáng)度噪聲的對比

實驗中控制器選用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)，得到的典型的實驗結(jié)果如圖四所示。從圖四(a)中可以看出，通過鎖相環(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)境噪聲對脈沖噪聲性能的影響，但是對與脈沖動力學(xué)相關(guān)的噪聲卻沒有影響。累積時間抖動由200ps減少至642fs，對應(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的動態(tài)響應(yīng)帶寬高達(dá)1kHz，可以判斷這樣的偏離不是來源與響應(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強(qiáng)度噪聲相較于沒有鎖定的激光源的相對強(qiáng)度噪聲源明顯偏高，對應(yīng)的累積相對強(qiáng)度噪聲由0.228%上升至0.400%，并且相對強(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，通過雙平衡混頻器降頻至~3.3kHz，使用帶寬為350MHz的通用頻率計數(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。頻率計數(shù)器的閘門時間設(shè)置為100ms，記錄點數(shù)為900點。從記錄的結(jié)果可以看出，記錄時長內(nèi)輸出脈沖的重復(fù)頻率在中心頻率附近存在mHz量級的隨機(jī)抖動，但是并沒有明顯的頻率偏移現(xiàn)象。計算出的標(biāo)準(zhǔn)差為9mHz，1s平均時間對應(yīng)的相對阿倫方差在10-12量級。

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