實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：光學(xué)濾波腔中的應(yīng)用

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、光學(xué)隔離器、光電探測(cè)器、相位調(diào)制器、頻譜分析儀等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：光學(xué)濾波腔輸出場(chǎng)音頻段噪聲特性分析實(shí)驗(yàn)裝置圖。OI：光學(xué)隔離器；EOM：電光相位調(diào)制器；BS：分束鏡；PBS：偏振分束器；MC：模式清潔器；PD1-3：光電探測(cè)器；HV：高壓放大器；SA：頻譜分析儀；ADC：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換；DAC：數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換；FPGA：現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置圖，光纖激光器輸出的1550nm激光經(jīng)過(guò)光學(xué)隔離器OI和自制的相位調(diào)制器EOM后分為兩束，反射光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器PD3進(jìn)行強(qiáng)度噪聲分析，透射光入射至模式清潔器MC。MC為三鏡環(huán)形腔，兩面平面鏡對(duì)1550nm激光透射率為1%，凹面鏡對(duì)該激光完全反射(＞99.95%)，其精細(xì)度為275，線(xiàn)寬為2.5MHz，采用PDH穩(wěn)頻法鎖定腔長(zhǎng)后，功率透射率接近90%。PDH控制環(huán)路中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的兩路34.3MHz高頻信號(hào)，一路用于驅(qū)動(dòng)EOM，一路經(jīng)混頻器與共振型光電探測(cè)器PD1輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，經(jīng)低通濾波器解調(diào)后，得到反饋控制的誤差信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)基于FPGA的數(shù)字PID控制器和高壓放大器后，反饋至MC的壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)腔長(zhǎng)鎖定。MC輸出激光經(jīng)過(guò)功率衰減后直接進(jìn)入光電探測(cè)器PD2，進(jìn)行強(qiáng)度噪聲分析，實(shí)驗(yàn)中PD2和PD3輸入功率維持1mW不變。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：激光的本底強(qiáng)度噪聲（橙色曲線(xiàn)）和MC腔長(zhǎng)鎖定后輸出光場(chǎng)的強(qiáng)度噪聲（其它顏色曲線(xiàn)）。(a)分析頻率3-300kHz范圍內(nèi)的功率噪聲譜，RBW：10kHz，VBW：50Hz；(b)分析頻率＜3kHz范圍內(nèi)的功率噪聲譜，RBW：10Hz，VBW：1Hz

如圖2所示為1mW激光功率的功率噪聲譜。進(jìn)一步研究表明，噪聲耦合主要通過(guò)兩種途徑引入：(1)PDH鎖定環(huán)路引入額外噪聲；(2)MC將入射光束相位噪聲轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度噪聲。針對(duì)兩個(gè)噪聲耦合問(wèn)題，開(kāi)展了如下研究工作。

結(jié)合臨界比例度法，總結(jié)了優(yōu)化MC中PI控制參數(shù)的具體實(shí)施方案。（1）首先，粗略對(duì)比例增益kP和積分增益kI賦一個(gè)初始值，如圖2(b)曲線(xiàn)a所示；（2）然后，逐漸增大kP，通過(guò)傳遞函數(shù)測(cè)試過(guò)程或者M(jìn)C輸出場(chǎng)噪聲譜觀(guān)察環(huán)路工作狀態(tài)，直至環(huán)路出現(xiàn)明顯的振蕩；（3）隨后，逐漸減小kP，直至控制環(huán)路振蕩剛好消失，記錄此時(shí)的kP值，并將其設(shè)定為記錄值的45%-70%，如圖2(b)曲線(xiàn)b所示；（4）下一步，逐漸增大kI，直至環(huán)路出現(xiàn)振蕩；⑸逐漸減小kI到振蕩消失，記錄此時(shí)kI值，并設(shè)定為記錄值的10%-30%，如圖2(b)曲線(xiàn)c所示；（6）最后，通過(guò)觀(guān)察PD2輸出的功率噪聲譜，在（5）設(shè)定值附近搜索最佳的PI參數(shù)，直至噪聲水平達(dá)到最低，此時(shí)再調(diào)節(jié)PI參數(shù)，噪聲會(huì)增加，則實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的PI參數(shù)設(shè)置，如圖2(b)曲線(xiàn)d所示。此時(shí)，環(huán)路增益達(dá)到最優(yōu)值，響應(yīng)速度可快速修正系統(tǒng)誤差并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而抑制了曲線(xiàn)a-c的周期性低頻振蕩信號(hào)。

在PI參數(shù)調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)分析頻率＞3kHz時(shí)，PI參數(shù)的變化不會(huì)影響強(qiáng)度噪聲的幅度，如圖2(a)；當(dāng)分析頻率＜3kHz時(shí)，隨著PI參數(shù)接近最優(yōu)值，光場(chǎng)強(qiáng)度噪聲逐漸接近最低的噪聲水平，如圖2(b)。經(jīng)過(guò)對(duì)控制環(huán)路傳遞函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化PI參數(shù)的過(guò)程中，由開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)測(cè)試結(jié)果可知（如圖3所示），環(huán)路反饋控制帶寬逐漸從290Hz提高至2kHz（最佳帶寬）；由閉環(huán)傳遞函數(shù)測(cè)試結(jié)果可知（如圖4所示），控制環(huán)路低頻抑噪水平提高了約30dB，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1：實(shí)驗(yàn)的參數(shù)

圖3：系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的幅度和相位圖

圖4：閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的幅度圖

然而，由圖2(a)和(b)可知，即使在最優(yōu)的反饋控制參數(shù)條件下，MC輸出場(chǎng)的低頻噪聲（＜100kHz）仍高于激光的本底噪聲，其主要原因是，MC輸出場(chǎng)的強(qiáng)度噪聲由輸入場(chǎng)的強(qiáng)度噪聲和位相噪聲同時(shí)決定，而光纖激光器位相噪聲高于強(qiáng)度噪聲，因此，輸入場(chǎng)的相位噪聲通過(guò)MC耦合至輸出場(chǎng)的強(qiáng)度噪聲中，從而輸出場(chǎng)強(qiáng)度噪聲增大。同時(shí)，激光指向噪聲也會(huì)通過(guò)MC轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度噪聲，惡化了輸出場(chǎng)的強(qiáng)度噪聲。在今后的工作中，將采用高精細(xì)度超穩(wěn)光學(xué)諧振腔作為參考基準(zhǔn)，通過(guò)將激光鎖定在超穩(wěn)腔上，實(shí)現(xiàn)相位噪聲的抑制；通過(guò)采用隔振平臺(tái)、對(duì)裝置加裝屏蔽外殼、對(duì)裝置整體控溫、將空間傳輸?shù)募す夤馐詈线M(jìn)光纖等方法，實(shí)現(xiàn)指向噪聲的抑制。通過(guò)對(duì)相位噪聲和指向噪聲的抑制，將MC輸出光場(chǎng)的強(qiáng)度噪聲抑制到本底噪聲。

電壓放大器推薦：ATA-214

圖：ATA-214高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇