电压放大器在锁模光纤激光器脉冲重频实验中的应用
实验名称：高重复频率锁模光纤激光器脉冲重频同步实验
研究方向：高重复频率脉冲具有的短脉冲间距使其在高速处理网络中有着重要的应用价值。然而，当激光器在自由运转时，机械抖动、温度波动等环境扰动不可避免地对激光器输出脉冲的噪声性能造成影响。尤其在高重复频率被动锁模光纤激光器中，超短的线性腔结构使输出脉冲的重复频率更容易受到环境噪声的扰动。受到精密应用领域需求的刺激，实现对环境扰动的控制以提升高重复频率被动锁模光纤器输出脉冲序列的噪声性能已成为重要的研究内容。本章利用锁相环技术对全光纤结构的高重复频率的被动锁模光纤激光输出脉冲的重复频率信号进行相位同步，提升高重频锁模光纤激光器的噪声性能。
测试设备：电压放大器、信号发生器、带通滤波器、低通滤波器、促动器、控制器、热电控制器等。
实验过程：
图一：重复频率锁定实验装置原理图
在重复频率同步的实验中，将实脉冲重复频率为1.27GHz的被动锁模光纤激光器的重复频率与一台商用微波参考源实现相位同步，锁定原理图如上图图一所示。从图中可以看出，重复频率为1.27GHz的锁模光脉冲首先经过隔离器后使用光电探测器将锁模脉冲的重复频率转换成电信号。加入的隔离器是为了防止返回光对谐振腔的稳定运转产生影响。放大后的重复频率电信号经过带通滤波器滤出脉冲的基频信号，基频信号与参考信号在双平衡混频器中进行鉴相过程。生成的误差信号经过低通滤波器之后注入到由模拟PID控制器构成的环路滤波器中，该款PID控制器的工作带宽为100kHz，能满足处于10Hz-1kHz频段的环境噪声的抑制。经过PID控制器后生成的控制信号注入由固定于PZT促动器表面的光纤构成的压电控制器VCO中。在锁模激光器运转过程中，可饱和吸收体可饱和吸收过程产生的热量致使腔体温度的上升。为实现对腔体温度的控制，将整个谐振腔放置于由导热性能良好的黄铜加工而成的结构件中，温度控制的执行器为热电控制器，控制电路为一台商用温度控制仪，控制的精度为0.02℃。
图二：压控振荡器的静态调谐曲线
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电压值成线性关系，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电压放大器。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电压放大器来驱动VCO。
图三：（a）测试VCO动态调谐曲线的原理图，（b）VCO的动态调谐曲线
测试VCO的动态响应特性的原理如图三（a）所示，往VCO中的压电促动器施加来自信号发生器的幅值为2V的正弦调制信号；带有调制的光脉冲经过高速光电探测器转换成电信号后通过双平衡混频器、低通滤波器将电信号的频率降低至锁相放大器的带宽范围内；降频后的电信号输入锁相放大器的信号端，同时将信号发生器产生的调制信号输入到锁相放大器的参考端，完成测试环路的构建，测试所得的VCO的动态响应曲线如图三（b）所示。从图中可以看出，当施加的调制频率低于1000Hz时，VCO的强度响应是平坦的，在1050Hz附近响应曲线出现共振峰；当调制频率低于100Hz时，相位响应函数保持为0，当调制频率达到~1050Hz时，相位响应函数会有90°的相移。
实验结果：
图四：谐振腔重复频率稳定之后输出脉冲序列：（a）相位噪声，（b）相对强度噪声的对比
实验中控制器选用PI控制模式，以Ziegler-Nichols调优法确定控制器具体的PI参数，得到的典型的实验结果如图四所示。从图四(a)中可以看出，通过锁相环技术，输出脉冲在1-100Hz的频率偏移范围内，相位噪声得到显著地抑制，锁相环技术对1kHz之后的噪声成分不产生影响，即锁相环技术能有效地抑制环境噪声对脉冲噪声性能的影响，但是对与脉冲动力学相关的噪声却没有影响。累积时间抖动由200ps减少至642fs，对应的累积相位噪声由1.65rad降低至4.99mrad。稳频之后的脉冲的相位噪声曲线从20Hz附近开始偏离参考源的相位噪声，考虑到VCO的动态响应带宽高达1kHz，可以判断这样的偏离不是来源与响应带宽的限制；在10kHz附近，输出脉冲的相位噪声开始低于参考源的相位噪声。由于VCO受到锁相环路的影响，稳频之后输出脉冲的相对强度噪声相较于没有锁定的激光源的相对强度噪声源明显偏高，对应的累积相对强度噪声由0.228%上升至0.400%，并且相对强度噪声曲线上出现了50Hz的谐波成分。
图五：激光谐振腔重复频率稳定之后输出脉冲的频率稳定性
脉冲重复频率锁定之后，通过双平衡混频器降频至~3.3kHz，使用带宽为350MHz的通用频率计数器记录输出脉冲的频率，得到的激光器的重复频率的稳定性如图五所示。频率计数器的闸门时间设置为100ms，记录点数为900点。从记录的结果可以看出，记录时长内输出脉冲的重复频率在中心频率附近存在mHz量级的随机抖动，但是并没有明显的频率偏移现象。计算出的标准差为9mHz，1s平均时间对应的相对阿伦方差在10-12量级。
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