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)該激光進(jìn)行反射(＞99.95%),，其精細(xì)度為275,，線寬為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）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）,。(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c所示；（6）最后,，通過(guò)觀察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)，直至噪聲水平下降 ,，此時(shí)再調(diào)節(jié)PI參數(shù),，噪聲會(huì)增加，則實(shí)現(xiàn)了優(yōu)的PI參數(shù)設(shè)置，如圖2(b)曲線d所示,。此時(shí),，環(huán)路增益達(dá)到優(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)接近優(yōu)值,，光場(chǎng)強(qiáng)度噪聲逐漸接近低的噪聲水平，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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