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)激光器在自由運轉(zhuǎn)時，機械抖動、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。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度噪聲相較于沒有鎖定的激光源的相對強度噪聲源明顯偏高，對應(yīng)的累積相對強度噪聲由0.228%上升至0.400%，并且相對強度噪聲曲線上出現(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