實驗名稱：光(guang)學(xue)濾(lv)波(bo)腔中的應用

　　測(ce)試設備(bei)：高壓(ya)放大器(qi)、光學隔(ge)離器(qi)、光電(dian)探測(ce)器(qi)、相位調制器(qi)、頻譜(pu)分析(xi)儀(yi)等。

　　實驗過程：

　　圖(tu)1：光學濾波腔輸出場(chang)音頻段噪聲特性分析(xi)(xi)實驗裝置(zhi)圖(tu)。OI：光學隔離器；EOM：電(dian)光相位調制器；BS：分束鏡；PBS：偏振分束器；MC：模(mo)式(shi)清潔(jie)器；PD1-3：光電(dian)探測(ce)器；HV：高(gao)壓放大器；SA：頻譜(pu)分析(xi)(xi)儀(yi)；ADC：模(mo)擬數字(zi)轉(zhuan)換；DAC：數字(zi)模(mo)擬轉(zhuan)換；FPGA：現場(chang)可編程門陣(zhen)列。

　　圖1為(wei)實(shi)驗裝置圖，光(guang)纖激(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi)輸出(chu)的1550nm激(ji)光(guang)經(jing)(jing)過(guo)光(guang)學隔離(li)器(qi)(qi)(qi)OI和(he)(he)自制的相位調制器(qi)(qi)(qi)EOM后(hou)(hou)分為(wei)兩束，反(fan)(fan)射(she)(she)光(guang)經(jing)(jing)過(guo)光(guang)電(dian)探測器(qi)(qi)(qi)PD3進(jin)行強度(du)(du)噪(zao)聲分析(xi)，透射(she)(she)光(guang)入(ru)射(she)(she)至(zhi)模式清潔器(qi)(qi)(qi)MC。MC為(wei)三鏡環(huan)形腔(qiang)，兩面平面鏡對1550nm激(ji)光(guang)透射(she)(she)率為(wei)1%，凹面鏡對該激(ji)光(guang)完(wan)全(quan)反(fan)(fan)射(she)(she)(＞99.95%)，其精(jing)細(xi)度(du)(du)為(wei)275，線寬為(wei)2.5MHz，采用PDH穩頻(pin)法(fa)鎖(suo)定腔(qiang)長后(hou)(hou)，功(gong)率透射(she)(she)率接近(jin)90%。PDH控制環(huan)路中(zhong)，信號(hao)發生器(qi)(qi)(qi)產生的兩路34.3MHz高頻(pin)信號(hao)，一路用于(yu)驅動(dong)EOM，一路經(jing)(jing)混(hun)頻(pin)器(qi)(qi)(qi)與共振(zhen)型光(guang)電(dian)探測器(qi)(qi)(qi)PD1輸出(chu)信號(hao)進(jin)行混(hun)頻(pin)，經(jing)(jing)低(di)通濾波器(qi)(qi)(qi)解調后(hou)(hou)，得到反(fan)(fan)饋控制的誤差信號(hao)，依(yi)次經(jing)(jing)過(guo)基于(yu)FPGA的數字(zi)PID控制器(qi)(qi)(qi)和(he)(he)高壓放(fang)大器(qi)(qi)(qi)后(hou)(hou)，反(fan)(fan)饋至(zhi)MC的壓電(dian)陶(tao)瓷，實(shi)現(xian)腔(qiang)長鎖(suo)定。MC輸出(chu)激(ji)光(guang)經(jing)(jing)過(guo)功(gong)率衰減后(hou)(hou)直(zhi)接進(jin)入(ru)光(guang)電(dian)探測器(qi)(qi)(qi)PD2，進(jin)行強度(du)(du)噪(zao)聲分析(xi)，實(shi)驗中(zhong)PD2和(he)(he)PD3輸入(ru)功(gong)率維持(chi)1mW不變。

　　實驗結果：

　　圖2：激光(guang)的本(ben)底強度(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)（橙色(se)曲(qu)線）和MC腔長鎖定(ding)后輸出光(guang)場的強度(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)（其它顏色(se)曲(qu)線）。(a)分析頻(pin)率3-300kHz范圍(wei)內的功率噪(zao)聲(sheng)(sheng)譜，RBW：10kHz，VBW：50Hz；(b)分析頻(pin)率＜3kHz范圍(wei)內的功率噪(zao)聲(sheng)(sheng)譜，RBW：10Hz，VBW：1Hz

　　如圖2所示(shi)為(wei)1mW激光功(gong)率的功(gong)率噪聲(sheng)(sheng)(sheng)譜。進(jin)一(yi)步(bu)研(yan)究表明，噪聲(sheng)(sheng)(sheng)耦合主要(yao)通過兩種途徑引入：(1)PDH鎖定環路(lu)引入額外噪聲(sheng)(sheng)(sheng)；(2)MC將入射光束(shu)相位(wei)噪聲(sheng)(sheng)(sheng)轉換(huan)為(wei)強度(du)噪聲(sheng)(sheng)(sheng)。針對兩個噪聲(sheng)(sheng)(sheng)耦合問題，開展了如下研(yan)究工(gong)作。

　　結合臨(lin)界比例度(du)法，總結了優(you)化MC中PI控(kong)制(zhi)(zhi)參(can)數的(de)(de)具體實施方(fang)案。（1）首(shou)先(xian)，粗略對比例增(zeng)益(yi)kP和(he)積分增(zeng)益(yi)kI賦(fu)一個初始值(zhi)，如圖2(b)曲(qu)(qu)線(xian)(xian)a所(suo)示(shi)；（2）然(ran)后(hou)，逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da)kP，通(tong)(tong)過(guo)傳(chuan)遞函數測試過(guo)程或者MC輸出(chu)場(chang)噪(zao)聲(sheng)譜(pu)觀(guan)察環路(lu)工作狀態(tai)，直(zhi)(zhi)至(zhi)(zhi)環路(lu)出(chu)現(xian)明顯的(de)(de)振(zhen)蕩(dang)；（3）隨后(hou)，逐(zhu)漸(jian)減小(xiao)kP，直(zhi)(zhi)至(zhi)(zhi)控(kong)制(zhi)(zhi)環路(lu)振(zhen)蕩(dang)剛(gang)好消失(shi)，記錄(lu)此(ci)時(shi)的(de)(de)kP值(zhi)，并將其(qi)設定為記錄(lu)值(zhi)的(de)(de)45%-70%，如圖2(b)曲(qu)(qu)線(xian)(xian)b所(suo)示(shi)；（4）下一步，逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da)kI，直(zhi)(zhi)至(zhi)(zhi)環路(lu)出(chu)現(xian)振(zhen)蕩(dang)；⑸逐(zhu)漸(jian)減小(xiao)kI到(dao)振(zhen)蕩(dang)消失(shi)，記錄(lu)此(ci)時(shi)kI值(zhi)，并設定為記錄(lu)值(zhi)的(de)(de)10%-30%，如圖2(b)曲(qu)(qu)線(xian)(xian)c所(suo)示(shi)；（6）最(zui)后(hou)，通(tong)(tong)過(guo)觀(guan)察PD2輸出(chu)的(de)(de)功率噪(zao)聲(sheng)譜(pu)，在(zai)（5）設定值(zhi)附近搜索最(zui)佳的(de)(de)PI參(can)數，直(zhi)(zhi)至(zhi)(zhi)噪(zao)聲(sheng)水平達到(dao)最(zui)低(di)，此(ci)時(shi)再調節PI參(can)數，噪(zao)聲(sheng)會增(zeng)加，則實現(xian)了最(zui)優(you)的(de)(de)PI參(can)數設置，如圖2(b)曲(qu)(qu)線(xian)(xian)d所(suo)示(shi)。此(ci)時(shi)，環路(lu)增(zeng)益(yi)達到(dao)最(zui)優(you)值(zhi)，響應(ying)速度(du)可(ke)快速修正系統(tong)誤差并達到(dao)穩定狀態(tai)，從(cong)而抑制(zhi)(zhi)了曲(qu)(qu)線(xian)(xian)a-c的(de)(de)周期性低(di)頻振(zhen)蕩(dang)信號(hao)。

　　在PI參(can)(can)數(shu)(shu)調試(shi)過程中，當分析頻(pin)率(lv)＞3kHz時，PI參(can)(can)數(shu)(shu)的(de)(de)變化不會影響強(qiang)度噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)的(de)(de)幅度，如(ru)圖(tu)2(a)；當分析頻(pin)率(lv)＜3kHz時，隨著PI參(can)(can)數(shu)(shu)接(jie)近最優(you)值，光場強(qiang)度噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)逐(zhu)漸接(jie)近最低(di)的(de)(de)噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)水平，如(ru)圖(tu)2(b)。經過對控制環路傳(chuan)遞(di)(di)函(han)數(shu)(shu)進行測(ce)(ce)試(shi)，我們發現在優(you)化PI參(can)(can)數(shu)(shu)的(de)(de)過程中，由開環傳(chuan)遞(di)(di)函(han)數(shu)(shu)測(ce)(ce)試(shi)結(jie)果可知（如(ru)圖(tu)3所示(shi)），環路反(fan)饋控制帶(dai)寬逐(zhu)漸從(cong)290Hz提(ti)(ti)高至2kHz（最佳帶(dai)寬）；由閉(bi)環傳(chuan)遞(di)(di)函(han)數(shu)(shu)測(ce)(ce)試(shi)結(jie)果可知（如(ru)圖(tu)4所示(shi)），控制環路低(di)頻(pin)抑噪(zao)(zao)水平提(ti)(ti)高了約30dB，詳細(xi)參(can)(can)數(shu)(shu)如(ru)表1所示(shi)。

　　表1：實驗的參數(shu)

　　圖(tu)3：系統開環(huan)傳(chuan)遞函(han)數的幅(fu)度(du)和相位圖(tu)

　　圖(tu)4：閉(bi)環系(xi)統傳(chuan)遞函數(shu)的幅度圖(tu)

　　然而(er)，由圖(tu)2(a)和(he)(b)可知，即使在最(zui)優的(de)反饋控(kong)制參(can)數條件下(xia)，MC輸(shu)出(chu)場的(de)低頻噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)（＜100kHz）仍高(gao)于激(ji)光(guang)(guang)的(de)本底噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)，其(qi)主(zhu)要原因(yin)是，MC輸(shu)出(chu)場的(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)由輸(shu)入(ru)場的(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)和(he)位(wei)(wei)(wei)相噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)同時(shi)決(jue)定(ding)，而(er)光(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)器(qi)位(wei)(wei)(wei)相噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)于強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)，因(yin)此，輸(shu)入(ru)場的(de)相位(wei)(wei)(wei)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)通(tong)過MC耦合(he)至輸(shu)出(chu)場的(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)中(zhong)，從而(er)輸(shu)出(chu)場強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)增大。同時(shi)，激(ji)光(guang)(guang)指向(xiang)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)也會通(tong)過MC轉化為強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)，惡化了輸(shu)出(chu)場的(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)。在今(jin)后(hou)的(de)工(gong)作(zuo)中(zhong)，將采用高(gao)精細度(du)(du)(du)超(chao)穩(wen)光(guang)(guang)學諧振腔(qiang)作(zuo)為參(can)考基準，通(tong)過將激(ji)光(guang)(guang)鎖定(ding)在超(chao)穩(wen)腔(qiang)上(shang)，實現相位(wei)(wei)(wei)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的(de)抑制；通(tong)過采用隔振平臺、對(dui)(dui)裝(zhuang)置加裝(zhuang)屏蔽外殼(ke)、對(dui)(dui)裝(zhuang)置整體控(kong)溫、將空(kong)間傳(chuan)輸(shu)的(de)激(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束(shu)耦合(he)進光(guang)(guang)纖等方(fang)法，實現指向(xiang)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的(de)抑制。通(tong)過對(dui)(dui)相位(wei)(wei)(wei)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)和(he)指向(xiang)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的(de)抑制，將MC輸(shu)出(chu)光(guang)(guang)場的(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)抑制到本底噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)。

　　電壓放大(da)器推(tui)薦：ATA-214

　　圖：ATA-214高壓放大器指標參數

　　本資料由Aigtek安泰(tai)電子整理發布(bu)，更多案例及(ji)產(chan)品詳情請(qing)持續(xu)關(guan)注我們。西安安泰(tai)電子Aigtek已經成為在(zai)業(ye)界擁有廣泛(fan)產(chan)品線(xian)，且(qie)具有相當(dang)規模的儀器設備供應商(shang)，樣機(ji)都支持免費(fei)試用。如(ru)想了解(jie)更多功(gong)率放大器等產(chan)品，請(qing)持續(xu)關(guan)注安泰(tai)電子官(guan)網(wang)hkdyw.cn或撥打029-88865020。