PDH穩(wěn)頻技術(shù)電光調(diào)制器的選擇

在許多應(yīng)用中，人們需要抑制激光器噪聲和穩(wěn)定其工作波長，眾所周知的應(yīng)用包括引力波探測(cè)（參見2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)LIGO項(xiàng)目），以及原子物理、光學(xué)頻率梳和量子計(jì)算中的量子態(tài)光譜探測(cè)。最常見的主動(dòng)激光穩(wěn)頻技術(shù)之一是Pound-Drever-Hall技術(shù)，該技術(shù)將激光的發(fā)射頻率鎖定在穩(wěn)定、高精細(xì)度的諧振腔中。這項(xiàng)技術(shù)以Robert Pound, Ronald Drever and John L.Hall而命名。PDH技術(shù)最早在1983年的《Applied Physics B》雜志上發(fā)表，“Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator”。根據(jù)路透社2017年的報(bào)道，這篇論文被引用了2000多次。

“PDH方案具有難以置信的可靠性，真正成為了主流的鎖定機(jī)制。今天，這么多年過去了，我們?nèi)栽谟盟鼇韲L試制造線寬為幾mHz的超穩(wěn)定激光器”。Jun Ye博士，NIST。

“PDH技術(shù)是一種非常智慧和可靠的方法，以非常干凈的方式獲得Error誤差信號(hào)。還有其他一些各具特色的技術(shù)，但老實(shí)說，PDH技術(shù)絕對(duì)是迄今為止最可靠的”。Pr Sylvain Gigan, Laboratoire Kastler Brossel.

PDH技術(shù)使用常見的光學(xué)外差光譜和射頻電子學(xué)方法，用標(biāo)準(zhǔn)具或法布里-珀羅F-P腔測(cè)量激光器的頻率，并將測(cè)量結(jié)果反饋給激光器，以抑制激光器的頻率偏差。其優(yōu)點(diǎn)包括響應(yīng)時(shí)間可能比腔的響應(yīng)時(shí)間更快。

選擇適合的調(diào)制器給PDH應(yīng)用

下圖給出了PDH設(shè)置的示例。當(dāng)激光器的頻率與腔的FSR（整數(shù)倍）完全匹配時(shí)，反射光和漏光具有相同的振幅，并且相位差180°。因此兩束光相互干擾，反射光消失。

考慮到感興趣的激光源的窄線寬和所需的調(diào)制深度，iXblue開發(fā)了一系列用于實(shí)現(xiàn)PDH技術(shù)的優(yōu)化型相位調(diào)制器。

與任何其他相位調(diào)制器相比，我們可以區(qū)分LN-0.1系列的優(yōu)點(diǎn)：

l  適應(yīng)低頻：直流耦合至200 MHz調(diào)制頻率

l  專用于給定的波長范圍。

l  極低的驅(qū)動(dòng)電壓Vπ.

l  低插入損耗（LIL選項(xiàng)）。

l  高輸入阻抗，提高調(diào)制效率。

l  NIR版本的高偏振消光比（PER）。

l  低剩余幅度調(diào)制（Residual Amplitude Modulation-RAM）專利設(shè)計(jì)（EP3009879A1）

低頻相位調(diào)制器的現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì)

為光通信應(yīng)用而設(shè)計(jì)和開發(fā)的普通高速(GHz)電光調(diào)制器在射頻線的末端具有50歐姆負(fù)載電阻終端，以減少射頻電反射。當(dāng)在低頻率下工作時(shí)，這種高速相位調(diào)制器在射頻微波線路中有過高的電流，這導(dǎo)致焦耳效應(yīng)的局部加熱。當(dāng)頻率變得較低并且與熱效應(yīng)的時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)，熱循環(huán)和散熱就成了一個(gè)問題。因此，在加熱和冷卻過程中，電極、波導(dǎo)的物理特性會(huì)發(fā)生變化。

 iXblue的LN-0.1相位調(diào)制器采用高輸入阻抗負(fù)載（10kΩ)抑制熱效應(yīng)或電極線開路(1 MΩ)的設(shè)計(jì)，PDH測(cè)試能證明這種調(diào)制器可在溫度變化時(shí)，性能穩(wěn)定在一個(gè)大的溫度范圍內(nèi)（-40℃到+85°C）

左圖： 50Hz信號(hào)時(shí)明顯有熱效應(yīng)，上面曲線為射頻電信號(hào)，下面為光信號(hào)。               右圖： 50KHz信號(hào)時(shí)無熱效應(yīng)，上面曲線為射頻電信號(hào)，下面為光信號(hào)。

當(dāng)用電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)PDH技術(shù)時(shí)，在環(huán)境擾動(dòng)期間引起誤差信號(hào)的畸變和非預(yù)期的頻率偏移時(shí)RAM總會(huì)出現(xiàn)的。當(dāng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性逐漸降低到極低水平時(shí)，抑制或減輕RAM引起的頻率不穩(wěn)定性就變得越來越重要。iXblue為PDH設(shè)計(jì)并優(yōu)化了專用于減小RAM的低頻相位調(diào)制器。RAM可以通過在調(diào)制器注入一個(gè)直流電壓而降低，該電壓對(duì)應(yīng)于鈮酸鋰波導(dǎo)一個(gè)整體的負(fù)折射率變化。一個(gè)5-15V直流電壓足以將RAM降低>10 dB。LN-0.1系列內(nèi)部嵌入高阻抗射頻負(fù)載終端，不會(huì)被直流信號(hào)所損壞。

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