電壓放大器在鎖模光纖激光器脈沖重頻實驗中的應用
實驗名稱：高重復頻率鎖模光纖激光器脈沖重頻同步實驗
研究方向：高重復頻率脈沖具有的短脈沖間距使其在高速處理網絡中有著重要的應用價值。然而，當激光器在自由運轉時，機械抖動、溫度波動等環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。尤其在高重復頻率被動鎖模光纖激光器中，超短的線性腔結構使輸出脈沖的重復頻率更容易受到環境噪聲的擾動。受到精密應用領域需求的刺激，實現對環境擾動的控制以提升高重復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容。本章利用鎖相環技術對全光纖結構的高重復頻率的被動鎖模光纖激光輸出脈沖的重復頻率信號進行相位同步，提升高重頻鎖模光纖激光器的噪聲性能。
測試設備：電壓放大器、信號發生器、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：重復頻率鎖定實驗裝置原理圖
在重復頻率同步的實驗中，將實脈沖重復頻率為1.27GHz的被動鎖模光纖激光器的重復頻率與一臺商用微波參考源實現相位同步，鎖定原理圖如上圖圖一所示。從圖中可以看出，重復頻率為1.27GHz的鎖模光脈沖首先經過隔離器后使用光電探測器將鎖模脈沖的重復頻率轉換成電信號。加入的隔離器是為了防止返回光對諧振腔的穩定運轉產生影響。放大后的重復頻率電信號經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行鑒相過程。生成的誤差信號經過低通濾波器之后注入到由模擬PID控制器構成的環路濾波器中，該款PID控制器的工作帶寬為100kHz，能滿足處于10Hz-1kHz頻段的環境噪聲的抑制。經過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成的壓電控制器VCO中。在鎖模激光器運轉過程中，可飽和吸收體可飽和吸收過程產生的熱量致使腔體溫度的上升。為實現對腔體溫度的控制，將整個諧振腔放置于由導熱性能良好的黃銅加工而成的結構件中，溫度控制的執行器為熱電控制器，控制電路為一臺商用溫度控制儀，控制的精度為0.02℃。
圖二：壓控振蕩器的靜態調諧曲線
在進行激光器重復頻率鎖定實驗之前，先對由通過壓電促動器拉伸光纖以實現重復頻率調諧的壓控振蕩器VCO的靜態及動態響應特性進行測試，為確定具體的環路鎖定結構以及PID的參數設置提供基礎。在進行VCO的靜態測試過程中，使用波形發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頻率的偏移量，實驗測量所得的VCO的靜態響應曲線如圖二所示。在0-5V的范圍內，重復頻率偏移量與施加的電壓值成線性關系，線性擬合后得到的系數為1.29kHz/V?？紤]到60min內重復頻率的最大偏移量只有430Hz，1.29kHz/V的靜態響應系數意味著控制環路中可將PID控制器輸出的信號直接驅動壓電促動器，無需在控制環路中引入電壓放大器。在以推動腔鏡改變腔長來鎖定重復頻率的結構中，由于VCO靜態響應系數過低（如74.2Hz/V），需在控制環路中引入電壓放大器來驅動VCO。
圖三：（a）測試VCO動態調諧曲線的原理圖，（b）VCO的動態調諧曲線
測試VCO的動態響應特性的原理如圖三（a）所示，往VCO中的壓電促動器施加來自信號發生器的幅值為2V的正弦調制信號；帶有調制的光脈沖經過高速光電探測器轉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；降頻后的電信號輸入鎖相放大器的信號端，同時將信號發生器產生的調制信號輸入到鎖相放大器的參考端，完成測試環路的構建，測試所得的VCO的動態響應曲線如圖三（b）所示。從圖中可以看出，當施加的調制頻率低于1000Hz時，VCO的強度響應是平坦的，在1050Hz附近響應曲線出現共振峰；當調制頻率低于100Hz時，相位響應函數保持為0，當調制頻率達到~1050Hz時，相位響應函數會有90°的相移。
實驗結果：
圖四：諧振腔重復頻率穩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調優法確定控制器具體的PI參數，得到的典型的實驗結果如圖四所示。從圖四(a)中可以看出，通過鎖相環技術，輸出脈沖在1-100Hz的頻率偏移范圍內，相位噪聲得到顯著地抑制，鎖相環技術對1kHz之后的噪聲成分不產生影響，即鎖相環技術能有效地抑制環境噪聲對脈沖噪聲性能的影響，但是對與脈沖動力學相關的噪聲卻沒有影響。累積時間抖動由200ps減少至642fs，對應的累積相位噪聲由1.65rad降低至4.99mrad。穩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的動態響應帶寬高達1kHz，可以判斷這樣的偏離不是來源與響應帶寬的限制；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受到鎖相環路的影響，穩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了50Hz的諧波成分。
圖五：激光諧振腔重復頻率穩定之后輸出脈沖的頻率穩定性
脈沖重復頻率鎖定之后，通過雙平衡混頻器降頻至~3.3kHz，使用帶寬為350MHz的通用頻率計數器記錄輸出脈沖的頻率，得到的激光器的重復頻率的穩定性如圖五所示。頻率計數器的閘門時間設置為100ms，記錄點數為900點。從記錄的結果可以看出，記錄時長內輸出脈沖的重復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象。計算出的標準差為9mHz，1s平均時間對應的相對阿倫方差在10-12量級。
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