實驗名稱：高重複頻率鎖模光纖激光器脈沖重頻同步實驗

　　研究方向：高重複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。尤其在高重複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複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複頻率被動鎖模光纖器輸出脈沖序列的噪聲性能已成爲重要的研究內容。本章利用鎖相環技術對全光纖結構的高重複頻率的被動鎖模光纖激光輸出脈沖的重複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：重複頻率鎖定實驗裝置原理圖

　　在重複頻率同步的實驗中，將實脈沖重複頻率爲1.27GHz的被動鎖模光纖激光器的重複頻率與一台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，重複頻率爲1.27GHz的鎖模光脈沖首先經過隔離器後使用光電探測器將鎖模脈沖的重複頻率轉換成電信號。加入的隔離器是爲了防止返回光對諧振腔的穩定運轉産生影響。放大後的重複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後注入到由模擬PID控制器構成的環路濾波器中，該款PID控制器的工作帶寬爲100kHz，能滿足處于10Hz-1kHz頻段的環境噪聲的抑制。經過PID控制器後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産生的熱量致使腔體溫度的上升。爲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，溫度控制的執行器爲熱電控制器，控制電路爲一台商用溫度控制儀，控制的精度爲0.02℃。

　　圖二：壓控振蕩器的靜態調諧曲線

　　在进行激光器重复频率锁定实验之前，先对由通过压电促动器拉伸光纤以实现重复频率调谐的压控振荡器VCO的静态及动态响应特性进行测试，为确定具体的环路锁定结构以及PID的参数设置提供基础。在进行VCO的静态测试过程中，使用波形发生器在压电促动器上施加幅值改变的方波信号，使用信号分析仪记录不同幅值下重复频率的偏移量，实验测量所得的VCO的静态响应曲线如图二所示。在0-5V的范围内，重复频率偏移量与施加的電壓值成线性关系，线性拟合后得到的系数为1.29kHz/V。考虑到60min内重复频率的最大偏移量只有430Hz，1.29kHz/V的静态响应系数意味着控制环路中可将PID控制器输出的信号直接驱动压电促动器，无需在控制环路中引入電壓放大器。在以推动腔镜改变腔长来锁定重复频率的结构中，由于VCO静态响应系数过低（如74.2Hz/V），需在控制环路中引入電壓放大器来驱动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爲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後通過雙平衡混頻器、低通濾波器將電信號的頻率降低至鎖相放大器的帶寬範圍內；降頻後的電信號輸入鎖相放大器的信號端，同時將信號發生器産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，相位響應函數保持爲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：諧振腔重複頻率穩定之後輸出脈沖序列：（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的頻率偏移範圍內，相位噪聲得到顯著地抑制，鎖相環技術對1kHz之後的噪聲成分不産生影響，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。穩頻之後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，穩頻之後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%，並且相對強度噪聲曲線上出現了50Hz的諧波成分。

　　圖五：激光諧振腔重複頻率穩定之後輸出脈沖的頻率穩定性

　　脈沖重複頻率鎖定之後，通過雙平衡混頻器降頻至~3.3kHz，使用帶寬爲350MHz的通用頻率計數器記錄輸出脈沖的頻率，得到的激光器的重複頻率的穩定性如圖五所示。頻率計數器的閘門時間設置爲100ms，記錄點數爲900點。從記錄的結果可以看出，記錄時長內輸出脈沖的重複頻率在中心頻率附近存在mHz量級的隨機抖動，但是並沒有明顯的頻率偏移現象。計算出的標准差爲9mHz，1s平均時間對應的相對阿倫方差在10^-12量級。

　　電壓放大器推荐：ATA-2042

　　圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

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