技術(shù)文章

　　實(shí)驗(yàn)名稱：光纖環(huán)形諧振腔的PDH鎖定系統(tǒng)研究

　　測試設(shè)備：高壓放大器、信號發(fā)生器、示波器、電光相位調(diào)制器、模擬PID控制器、壓電陶瓷等。

　　實(shí)驗(yàn)過程：

　　圖1：(a)光纖環(huán)形諧振腔的實(shí)驗(yàn)裝置圖。(b)光纖拉伸支架：PZT：壓電陶瓷。壓電陶瓷置于狹縫中點(diǎn)，利用紫外膠將光纖固定在U型支架兩臂末端

　　基于以上穩(wěn)定的光纖環(huán)形諧振腔，我們結(jié)合PDH反饋鎖定技術(shù)對其諧振頻率實(shí)現(xiàn)了鎖定。光纖環(huán)形諧振腔的共振頻率通過控制光纖長度來控制。腔長控制裝置已在圖1(b)中介紹。光纖環(huán)形諧振腔鎖定裝置的示意圖如圖2所示。電光調(diào)制器在自由空間對激光進(jìn)行相位調(diào)制后耦合進(jìn)入光纖環(huán)形諧振腔。光纖環(huán)形諧振腔輸出激光由光纖分束器分束后分別輸出至交流探測器1和直流探測器2用于產(chǎn)生PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)所需的誤差信號和監(jiān)測其反射譜。信號發(fā)生器產(chǎn)生EOM調(diào)制信號，利用功分器將其分為兩路分別輸入至EOM和相位延遲器對激光進(jìn)行相位調(diào)制和延遲解調(diào)信號所需的相位。經(jīng)延遲相位后的信號與交流探測器1測到的腔反射信號接入混頻器進(jìn)行混頻以及先后經(jīng)過低通濾波、PID控制器和高壓放大器后反饋到如圖1(b)所示的用于腔長控制的壓電陶瓷上，對光纖環(huán)形諧振腔腔長進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制，從而實(shí)現(xiàn)對FRR共振頻率的鎖定。我們利用示波器同時(shí)監(jiān)測PZT的驅(qū)動(dòng)電壓、誤差信號及FRR的反射譜。

　　圖2：PDH鎖定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。EOM：電光相位調(diào)制器，HVAmplifiers：高壓放大器，PZT：壓電陶瓷，PID：模擬PID控制器。圖中實(shí)線為光路，虛線為電路。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　圖3：(a)相位調(diào)制功率為12dBm的鎖定結(jié)果：青色實(shí)線為光纖環(huán)形諧振腔的反射信號直接輸出反射譜，黑色曲線為經(jīng)過低通濾波器濾波后的反射譜，紅色曲線為鑒頻曲線，藍(lán)色曲線為進(jìn)行鎖定后的反射信號；(b)相位調(diào)制功率為-9dBm的鎖定結(jié)果：黑色曲線為光纖環(huán)形諧振腔的反射信號直接輸出反射譜，紅色曲線為鑒頻曲線，藍(lán)色曲線為進(jìn)行鎖定后的反射信號。

　　光纖環(huán)形諧振腔反射光譜經(jīng)掃描壓電陶瓷長度獲得。圖3(a)、(b)所示分別為EOM調(diào)制信號功率為12dBm和-9dBm時(shí)的反射譜。圖3(a)中，青色曲線和黑色曲線分別是光纖環(huán)形諧振腔的反射信號直接輸出和通過濾波器后的反射譜。電光調(diào)制器在光路中對激光光束進(jìn)行了相位調(diào)制產(chǎn)生了兩個(gè)邊帶，由于光纖諧振腔對相位的敏感性，使得諧振腔共振的主頻和邊帶之間的干涉并引起其反射信號的強(qiáng)度調(diào)制。紅色曲線為鎖定系統(tǒng)的鑒頻信號，藍(lán)色曲線為光纖環(huán)形諧振腔鎖定后的反射信號。圖3(b)中，黑色曲線為光纖環(huán)形諧振腔輸出信號通過低通濾波器后的反射譜，紅色曲線為鎖定系統(tǒng)的鑒頻信號，藍(lán)色曲線為光纖環(huán)形諧振腔鎖定后的反射信號。

　　由圖3(a)我們可以看出，光纖環(huán)形諧振腔直接輸出的反射信號攜帶了與電光調(diào)制器調(diào)制信號同樣頻率的調(diào)制，這對其后續(xù)的應(yīng)用是極為不利的。因此我們對光纖環(huán)形諧振腔鎖定后的反射信號進(jìn)行了頻率分析，其測量結(jié)果如圖3(a)所示。在腔反射信號與相位調(diào)制信號頻率相等頻率處存在一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制信號。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)降低相位調(diào)制信號的功率以減小此調(diào)制信號對腔反射信號強(qiáng)度調(diào)制的影響。圖3(a)中紅色、藍(lán)色、黑色和紫色曲線分別為相位調(diào)制信號功率為-9dBm、24dBm時(shí)腔反射信號的頻譜、頻譜分析儀本底噪聲和探測器的電子學(xué)噪聲。

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