實驗名稱：高重(zhong)復頻率鎖模光纖激光器脈沖重(zhong)頻同步(bu)實驗

　　研究方向：高重(zhong)復(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率脈(mo)沖具有的(de)(de)(de)短脈(mo)沖間距(ju)使其(qi)在高速處(chu)理網絡(luo)中(zhong)有著重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)應用價(jia)值。然而，當(dang)激光(guang)(guang)(guang)器在自由運轉時，機械(xie)抖動(dong)(dong)、溫(wen)度(du)波動(dong)(dong)等環(huan)(huan)(huan)境(jing)擾(rao)動(dong)(dong)不可避免(mian)地對(dui)激光(guang)(guang)(guang)器輸出脈(mo)沖的(de)(de)(de)噪聲性能造成影響。尤其(qi)在高重(zhong)復(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率被動(dong)(dong)鎖(suo)模光(guang)(guang)(guang)纖激光(guang)(guang)(guang)器中(zhong)，超短的(de)(de)(de)線性腔(qiang)結構使輸出脈(mo)沖的(de)(de)(de)重(zhong)復(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率更容(rong)易受到(dao)環(huan)(huan)(huan)境(jing)噪聲的(de)(de)(de)擾(rao)動(dong)(dong)。受到(dao)精密應用領域需求的(de)(de)(de)刺激，實現對(dui)環(huan)(huan)(huan)境(jing)擾(rao)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)控制以提升高重(zhong)復(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率被動(dong)(dong)鎖(suo)模光(guang)(guang)(guang)纖器輸出脈(mo)沖序列的(de)(de)(de)噪聲性能已成為重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)研究內(nei)容(rong)。本章利用鎖(suo)相(xiang)環(huan)(huan)(huan)技術(shu)對(dui)全光(guang)(guang)(guang)纖結構的(de)(de)(de)高重(zhong)復(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率的(de)(de)(de)被動(dong)(dong)鎖(suo)模光(guang)(guang)(guang)纖激光(guang)(guang)(guang)輸出脈(mo)沖的(de)(de)(de)重(zhong)復(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率信(xin)號進行相(xiang)位同步，提升高重(zhong)頻(pin)(pin)(pin)(pin)鎖(suo)模光(guang)(guang)(guang)纖激光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)噪聲性能。

　　測試設備：電壓放大器、信號發生器(qi)、帶通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)、低通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)、促動器(qi)、控(kong)制(zhi)器(qi)、熱電控(kong)制(zhi)器(qi)等。

　　實驗過程：

　　圖一：重復頻率鎖(suo)定實驗裝置(zhi)原理圖

　　在重復(fu)(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)同(tong)步的(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，將實(shi)脈(mo)沖重復(fu)(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)(wei)1.27GHz的(de)(de)(de)(de)(de)被動鎖(suo)模(mo)光纖激(ji)(ji)光器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)重復(fu)(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)與(yu)一臺商(shang)用(yong)微波參考源實(shi)現(xian)相位(wei)同(tong)步，鎖(suo)定(ding)原理圖如上圖圖一所示。從圖中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)以看出，重復(fu)(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)(wei)1.27GHz的(de)(de)(de)(de)(de)鎖(suo)模(mo)光脈(mo)沖首先經過隔離器(qi)(qi)(qi)后(hou)(hou)使用(yong)光電探測器(qi)(qi)(qi)將鎖(suo)模(mo)脈(mo)沖的(de)(de)(de)(de)(de)重復(fu)(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)轉(zhuan)(zhuan)換成(cheng)電信號(hao)。加(jia)入的(de)(de)(de)(de)(de)隔離器(qi)(qi)(qi)是為(wei)(wei)了防止返(fan)回(hui)光對諧振腔(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)穩定(ding)運(yun)轉(zhuan)(zhuan)產生影響。放大后(hou)(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)重復(fu)(fu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)電信號(hao)經過帶通濾波器(qi)(qi)(qi)濾出脈(mo)沖的(de)(de)(de)(de)(de)基頻(pin)(pin)(pin)(pin)信號(hao)，基頻(pin)(pin)(pin)(pin)信號(hao)與(yu)參考信號(hao)在雙平(ping)衡混頻(pin)(pin)(pin)(pin)器(qi)(qi)(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)進行鑒相過程(cheng)(cheng)。生成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)誤差信號(hao)經過低通濾波器(qi)(qi)(qi)之后(hou)(hou)注(zhu)(zhu)入到(dao)由模(mo)擬PID控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)構(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)環(huan)路濾波器(qi)(qi)(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，該(gai)款PID控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)工作帶寬為(wei)(wei)100kHz，能滿足處(chu)于10Hz-1kHz頻(pin)(pin)(pin)(pin)段的(de)(de)(de)(de)(de)環(huan)境噪(zao)聲(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)抑制(zhi)(zhi)(zhi)。經過PID控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)后(hou)(hou)生成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)信號(hao)注(zhu)(zhu)入由固(gu)定(ding)于PZT促動器(qi)(qi)(qi)表面的(de)(de)(de)(de)(de)光纖構(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)壓電控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)VCO中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)。在鎖(suo)模(mo)激(ji)(ji)光器(qi)(qi)(qi)運(yun)轉(zhuan)(zhuan)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，可(ke)飽和(he)(he)吸收(shou)體可(ke)飽和(he)(he)吸收(shou)過程(cheng)(cheng)產生的(de)(de)(de)(de)(de)熱量致使腔(qiang)體溫(wen)度的(de)(de)(de)(de)(de)上升。為(wei)(wei)實(shi)現(xian)對腔(qiang)體溫(wen)度的(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)，將整個諧振腔(qiang)放置于由導熱性能良好的(de)(de)(de)(de)(de)黃銅加(jia)工而(er)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)件中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，溫(wen)度控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)執行器(qi)(qi)(qi)為(wei)(wei)熱電控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)，控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)電路為(wei)(wei)一臺商(shang)用(yong)溫(wen)度控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)儀，控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)精度為(wei)(wei)0.02℃。

　　圖二：壓(ya)控振蕩器的靜態調諧(xie)曲(qu)線

　　在進行激光(guang)器(qi)(qi)重(zhong)復(fu)(fu)頻(pin)(pin)率(lv)鎖(suo)定(ding)實(shi)驗之前，先對由(you)通過(guo)壓電(dian)(dian)促(cu)動(dong)(dong)器(qi)(qi)拉伸光(guang)纖(xian)以實(shi)現重(zhong)復(fu)(fu)頻(pin)(pin)率(lv)調諧的(de)(de)(de)壓控(kong)振蕩器(qi)(qi)VCO的(de)(de)(de)靜態(tai)(tai)及(ji)動(dong)(dong)態(tai)(tai)響應(ying)特性(xing)進行測試(shi)，為(wei)確定(ding)具體(ti)的(de)(de)(de)環(huan)(huan)路(lu)鎖(suo)定(ding)結構(gou)以及(ji)PID的(de)(de)(de)參數(shu)(shu)設置(zhi)提供基(ji)礎。在進行VCO的(de)(de)(de)靜態(tai)(tai)測試(shi)過(guo)程中(zhong)，使用(yong)(yong)波(bo)形(xing)發生器(qi)(qi)在壓電(dian)(dian)促(cu)動(dong)(dong)器(qi)(qi)上施加(jia)(jia)幅(fu)值(zhi)(zhi)改變的(de)(de)(de)方波(bo)信(xin)號(hao)，使用(yong)(yong)信(xin)號(hao)分析儀記錄不同幅(fu)值(zhi)(zhi)下重(zhong)復(fu)(fu)頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)偏移量，實(shi)驗測量所得(de)的(de)(de)(de)VCO的(de)(de)(de)靜態(tai)(tai)響應(ying)曲線(xian)如圖二(er)所示。在0-5V的(de)(de)(de)范(fan)圍(wei)內(nei)，重(zhong)復(fu)(fu)頻(pin)(pin)率(lv)偏移量與(yu)施加(jia)(jia)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓值(zhi)(zhi)成線(xian)性(xing)關系(xi)，線(xian)性(xing)擬合(he)后得(de)到的(de)(de)(de)系(xi)數(shu)(shu)為(wei)1.29kHz/V。考(kao)慮到60min內(nei)重(zhong)復(fu)(fu)頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)最大(da)偏移量只有430Hz，1.29kHz/V的(de)(de)(de)靜態(tai)(tai)響應(ying)系(xi)數(shu)(shu)意味著控(kong)制(zhi)(zhi)環(huan)(huan)路(lu)中(zhong)可將PID控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)輸出的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)直接驅(qu)動(dong)(dong)壓電(dian)(dian)促(cu)動(dong)(dong)器(qi)(qi)，無需(xu)在控(kong)制(zhi)(zhi)環(huan)(huan)路(lu)中(zhong)引入電(dian)(dian)壓放大(da)器(qi)(qi)。在以推動(dong)(dong)腔(qiang)鏡改變腔(qiang)長來(lai)鎖(suo)定(ding)重(zhong)復(fu)(fu)頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)結構(gou)中(zhong)，由(you)于VCO靜態(tai)(tai)響應(ying)系(xi)數(shu)(shu)過(guo)低（如74.2Hz/V），需(xu)在控(kong)制(zhi)(zhi)環(huan)(huan)路(lu)中(zhong)引入電(dian)(dian)壓放大(da)器(qi)(qi)來(lai)驅(qu)動(dong)(dong)VCO。

　　圖三：（a）測(ce)試VCO動態調(diao)諧曲(qu)線(xian)的(de)原理圖，（b）VCO的(de)動態調(diao)諧曲(qu)線(xian)

　　測(ce)(ce)試(shi)(shi)VCO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)態(tai)響(xiang)(xiang)應(ying)特性的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原理如圖(tu)三（a）所(suo)示(shi)，往VCO中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓電(dian)(dian)促動(dong)(dong)器(qi)施加來自(zi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)發生器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)幅值為2V的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正弦調(diao)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)；帶(dai)(dai)有(you)(you)調(diao)制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)脈沖(chong)經過(guo)高速光(guang)電(dian)(dian)探測(ce)(ce)器(qi)轉換(huan)成(cheng)電(dian)(dian)信(xin)(xin)號(hao)(hao)后(hou)通過(guo)雙平衡混頻器(qi)、低(di)通濾波器(qi)將(jiang)電(dian)(dian)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)頻率(lv)降低(di)至鎖(suo)(suo)相放大器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)帶(dai)(dai)寬范圍內；降頻后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)信(xin)(xin)號(hao)(hao)輸(shu)(shu)入鎖(suo)(suo)相放大器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)端，同時(shi)將(jiang)信(xin)(xin)號(hao)(hao)發生器(qi)產生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)輸(shu)(shu)入到鎖(suo)(suo)相放大器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)參考端，完成(cheng)測(ce)(ce)試(shi)(shi)環路的(de)(de)(de)(de)(de)(de)構(gou)建，測(ce)(ce)試(shi)(shi)所(suo)得的(de)(de)(de)(de)(de)(de)VCO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)態(tai)響(xiang)(xiang)應(ying)曲(qu)(qu)線如圖(tu)三（b）所(suo)示(shi)。從(cong)圖(tu)中可以(yi)看(kan)出(chu)，當(dang)施加的(de)(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)制(zhi)(zhi)頻率(lv)低(di)于(yu)1000Hz時(shi)，VCO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)強度響(xiang)(xiang)應(ying)是(shi)平坦的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，在1050Hz附(fu)近(jin)響(xiang)(xiang)應(ying)曲(qu)(qu)線出(chu)現共振峰(feng)；當(dang)調(diao)制(zhi)(zhi)頻率(lv)低(di)于(yu)100Hz時(shi)，相位響(xiang)(xiang)應(ying)函(han)數保持為0，當(dang)調(diao)制(zhi)(zhi)頻率(lv)達到~1050Hz時(shi)，相位響(xiang)(xiang)應(ying)函(han)數會有(you)(you)90°的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相移。

　　實驗結果：

　　圖四：諧振腔重復(fu)頻率穩定(ding)之后輸出脈沖序列：（a）相位噪聲(sheng)，（b）相對強度噪聲(sheng)的對比

　　實驗(yan)中控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器選用(yong)PI控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)模(mo)式，以(yi)Ziegler-Nichols調優法確定(ding)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器具(ju)體的(de)(de)(de)(de)PI參數，得到(dao)的(de)(de)(de)(de)典型的(de)(de)(de)(de)實驗(yan)結果如(ru)圖四所示。從圖四(a)中可以(yi)看出，通過(guo)鎖(suo)(suo)(suo)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)環(huan)(huan)技(ji)(ji)術，輸(shu)出脈(mo)沖在1-100Hz的(de)(de)(de)(de)頻率偏移范圍內，相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)得到(dao)顯(xian)著地抑制(zhi)(zhi)(zhi)，鎖(suo)(suo)(suo)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)環(huan)(huan)技(ji)(ji)術對(dui)(dui)1kHz之(zhi)后的(de)(de)(de)(de)噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)分(fen)不(bu)(bu)產生影(ying)響(xiang)，即(ji)鎖(suo)(suo)(suo)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)環(huan)(huan)技(ji)(ji)術能有效地抑制(zhi)(zhi)(zhi)環(huan)(huan)境噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)對(dui)(dui)脈(mo)沖噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)性(xing)能的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)，但(dan)是對(dui)(dui)與(yu)脈(mo)沖動力(li)學相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)關的(de)(de)(de)(de)噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)卻沒有影(ying)響(xiang)。累(lei)積(ji)時間抖動由(you)200ps減少(shao)至642fs，對(dui)(dui)應的(de)(de)(de)(de)累(lei)積(ji)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)由(you)1.65rad降低至4.99mrad。穩(wen)頻之(zhi)后的(de)(de)(de)(de)脈(mo)沖的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)曲(qu)線從20Hz附(fu)近開始偏離參考(kao)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)，考(kao)慮到(dao)VCO的(de)(de)(de)(de)動態響(xiang)應帶寬(kuan)高達(da)1kHz，可以(yi)判(pan)斷(duan)這樣的(de)(de)(de)(de)偏離不(bu)(bu)是來(lai)源(yuan)與(yu)響(xiang)應帶寬(kuan)的(de)(de)(de)(de)限制(zhi)(zhi)(zhi)；在10kHz附(fu)近，輸(shu)出脈(mo)沖的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)開始低于(yu)參考(kao)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)位噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)。由(you)于(yu)VCO受到(dao)鎖(suo)(suo)(suo)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)環(huan)(huan)路的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)，穩(wen)頻之(zhi)后輸(shu)出脈(mo)沖的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)較于(yu)沒有鎖(suo)(suo)(suo)定(ding)的(de)(de)(de)(de)激光源(yuan)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)源(yuan)明(ming)顯(xian)偏高，對(dui)(dui)應的(de)(de)(de)(de)累(lei)積(ji)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)由(you)0.228%上(shang)升至0.400%，并且相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)噪(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)曲(qu)線上(shang)出現了50Hz的(de)(de)(de)(de)諧波成(cheng)分(fen)。

　　圖(tu)五：激光諧(xie)振腔重復頻(pin)率穩定之后輸出脈沖的頻(pin)率穩定性(xing)

　　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。

　　電壓放大器推薦：ATA-2042

　　圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

　　本文實驗素(su)材由(you)西安(an)(an)安(an)(an)泰(tai)電子整(zheng)理發布，如(ru)想了解更多實驗方案(an)，請持續(xu)關注(zhu)安(an)(an)泰(tai)官網(wang)hkdyw.cn。Aigtek是(shi)國內專業從事測量儀(yi)器研(yan)(yan)發、生產和銷售的高科技(ji)企業，一(yi)直專注(zhu)于高壓放(fang)大器、電壓放(fang)大器、功率放(fang)大模塊、高精度電流源等(deng)測試儀(yi)器產品的研(yan)(yan)發與(yu)制造。