實驗名稱：光學濾波腔中的應用

測試設備：高壓放大器、光學隔離器、光電探測器、相位調制器、頻譜分析儀等。

實驗過程：

圖1：光學濾波腔輸出場音頻段噪聲特性分析實驗裝置圖。OI：光學隔離器；EOM：電光相位調制器；BS：分束鏡；PBS：偏振分束器；MC：模式清潔器；PD1-3：光電探測器；HV：高壓放大器；SA：頻譜分析儀；ADC：模擬數(shù)字轉換；DAC：數(shù)字模擬轉換；FPGA：現(xiàn)場可編程門陣列。

圖1為實驗裝置圖，光纖激光器輸出的1550nm激光經(jīng)過光學隔離器OI和自制的相位調制器EOM后分為兩束，反射光經(jīng)過光電探測器PD3進行強度噪聲分析，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1550nm激光透射率為1%，凹面鏡對該激光完全反射(＞99.95%)，其精細度為275，線寬為2.5MHz，采用PDH穩(wěn)頻法鎖定腔長后，功率透射率接近90%。PDH控制環(huán)路中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的兩路34.3MHz高頻信號，一路用于驅動EOM，一路經(jīng)混頻器與共振型光電探測器PD1輸出信號進行混頻，經(jīng)低通濾波器解調后，得到反饋控制的誤差信號，依次經(jīng)過基于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，實現(xiàn)腔長鎖定。MC輸出激光經(jīng)過功率衰減后直接進入光電探測器PD2，進行強度噪聲分析，實驗中PD2和PD3輸入功率維持1mW不變。

實驗結果：

圖2：激光的本底強度噪聲（橙色曲線）和MC腔長鎖定后輸出光場的強度噪聲（其它顏色曲線）。(a)分析頻率3-300kHz范圍內的功率噪聲譜，RBW：10kHz，VBW：50Hz；(b)分析頻率＜3kHz范圍內的功率噪聲譜，RBW：10Hz，VBW：1Hz

如圖2所示為1mW激光功率的功率噪聲譜。進一步研究表明，噪聲耦合主要通過兩種途徑引入：(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換為強度噪聲。針對兩個噪聲耦合問題，開展了如下研究工作。

結合臨界比例度法，總結了優(yōu)化MC中PI控制參數(shù)的具體實施方案。（1）首先，粗略對比例增益kP和積分增益kI賦一個初始值，如圖2(b)曲線a所示；（2）然后，逐漸增大kP，通過傳遞函數(shù)測試過程或者MC輸出場噪聲譜觀察環(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，記錄此時的kP值，并將其設定為記錄值的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kI值，并設定為記錄值的10%-30%，如圖2(b)曲線c所示；（6）最后，通過觀察PD2輸出的功率噪聲譜，在（5）設定值附近搜索最佳的PI參數(shù)，直至噪聲水平達到最低，此時再調節(jié)PI參數(shù)，噪聲會增加，則實現(xiàn)了最優(yōu)的PI參數(shù)設置，如圖2(b)曲線d所示。此時，環(huán)路增益達到最優(yōu)值，響應速度可快速修正系統(tǒng)誤差并達到穩(wěn)定狀態(tài)，從而抑制了曲線a-c的周期性低頻振蕩信號。

在PI參數(shù)調試過程中，當分析頻率＞3kHz時，PI參數(shù)的變化不會影響強度噪聲的幅度，如圖2(a)；當分析頻率＜3kHz時，隨著PI參數(shù)接近最優(yōu)值，光場強度噪聲逐漸接近最低的噪聲水平，如圖2(b)。經(jīng)過對控制環(huán)路傳遞函數(shù)進行測試，我們發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化PI參數(shù)的過程中，由開環(huán)傳遞函數(shù)測試結果可知（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)測試結果可知（如圖4所示），控制環(huán)路低頻抑噪水平提高了約30dB，詳細參數(shù)如表1所示。

表1：實驗的參數(shù)

圖3：系統(tǒng)開環(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，即使在最優(yōu)的反饋控制參數(shù)條件下，MC輸出場的低頻噪聲（＜100kHz）仍高于激光的本底噪聲，其主要原因是，MC輸出場的強度噪聲由輸入場的強度噪聲和位相噪聲同時決定，而光纖激光器位相噪聲高于強度噪聲，因此，輸入場的相位噪聲通過MC耦合至輸出場的強度噪聲中，從而輸出場強度噪聲增大。同時，激光指向噪聲也會通過MC轉化為強度噪聲，惡化了輸出場的強度噪聲。在今后的工作中，將采用高精細度超穩(wěn)光學諧振腔作為參考基準，通過將激光鎖定在超穩(wěn)腔上，實現(xiàn)相位噪聲的抑制；通過采用隔振平臺、對裝置加裝屏蔽外殼、對裝置整體控溫、將空間傳輸?shù)募す夤馐詈线M光纖等方法，實現(xiàn)指向噪聲的抑制。通過對相位噪聲和指向噪聲的抑制，將MC輸出光場的強度噪聲抑制到本底噪聲。

電壓放大器推薦：ATA-214

圖：ATA-214高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇