用于原子干涉仪的光学锁相环系统
发布时间：2022-02-13 08:17
相干激光的性能对原子干涉仪的测量精度有着重要影响。本文介绍了一种制备相干激光的外差式光学锁相环系统,实现了两台外腔半导体激光器频率和相位的同步,锁相后的激光拍频线宽低于1 Hz,10 MHz积分带宽内的残余相位噪音为0.002 rad2,频偏1～100 kHz范围内的相位噪音达到-100 dBc/Hz。并研究了闭环相位噪音对原子干涉仪的影响,在自由演化时间为200 ms、拉曼π脉冲时间为30μs、单次循环时间为1 s条件下,锁相后相位噪音对重力测量灵敏度的贡献为10μGal/（Hz）1/2,完全满足高精度原子干涉仪的使用需求。
【文章来源】：计测技术. 2020,40(06)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
相位噪音测量结果
实验装置示意图如图1所示。主激光器输出分出小部分激光作为稳频参考光，主激光器和从激光器输出激光在消偏振分束器(BS)处合束进行拍频，拍频信号由高速探测器1,2接收，分别探测环内、环外信号，探测器型号为ET4000，光电灵敏度为0.45 A/W@780 nm，输入总光强为5 m W时，拍频信号的幅值约为-35 d Bm。经过低噪音射频放大器1，(兴华微通XHLNA6.0G-7.5G，频率范围6～7.5 GHz，增益30 d B，噪音系数1.5 d B)放大后的信号幅值为-5 d B。其与信号发生器(keysight E8257D)输出的微波信号S1(频率约为6.884 GHz，幅值为-10 d Bm)经混频器(ZMX-10G)混频后输出信号的频率在50 MHz附近，幅值约为-20 d Bm，经过第二个低噪音放大器2(ZFL-500LN+)放大后的幅值增加到约10 d Bm。经过耦合器1(ZFDC-10-1+)后，小部分射频信号(约0 d Bm)作为监视信号2连接到频谱仪(keysight N9000A)，大部分信号(约为10 d Bm)输入到耦合器2，其输出的小部分作为参考信号输入到数字鉴频鉴相器(DFPD，由高速比较器AD96687和数字鉴相器AD9910以及配套模拟电路构成)，大部分信号作为参考信号输入到模拟鉴相器(AFD,ZRPD-1)。S2信号由直接数字合成信号发生器产生(Keysight DDS33600)，经耦合器3分束后，小部分信号作为本振信号输入到DFPD，大部分信号经过移相器对信号移相后(Phase shift)作为本振信号输入到模拟鉴相器，移项器的作用是补偿同轴电缆、射频器件等导致的相移。S1和S2信号源均使用斯坦福铷原子钟(FS725)输出的10 MHz信号作为频率外参考。DFPD输出信号作为误差信号进入反馈控制器1(PID1)和反馈控制器2(PID2)，二者分别为慢反馈控制和中速反馈控制，其输出分别连接到主激光器的压电陶瓷(PZT)和电流直流调制端口，PID1和PID2由激光器自带的Diglock110锁频模块产生，其由FPGA模块组成，可以使用计算机通信方便地修改控制参数。AFD输出信号经过反馈滤波器(filter)后作为快速反馈输入到激光器电流交流调制端口。反馈滤波器由低通滤波器(BLP-30)、RC并联电路和可调衰减器等组成。拍频的目的是将100 THz量级的光频信号转换成容易处理的1 GHz量级的微波信号，拍频信号和微波信号混频的目的是将1 GHz量级微波信号进一步降低到更容易处理、对应电子器件更多的100 MHz量级频段。快速反馈控制的带宽一般在1～10 MHz范围，带宽和增益可由衰减器倍数和RC电路参数控制，激光频率调谐灵敏度约为5 GHz/V。中速反馈控制的带宽一般在200 k Hz～2 MHz范围，带宽和增益可以由PID1控制器的比例、积分和微分参数调节，激光频率调谐灵敏度约为100 MHz/V。慢速反馈控制的带宽在1 k Hz量级，主要受PZT共振频率限制，带宽和增益由PID2参数调节，激光频率调谐灵敏度约为500 MHz/V。
OPLL闭环锁定后的环外拍频信号测量结果如图2所示。图2(a)中的频谱仪扫描范围为6 MHz，分辨力带宽(RBW)为1 k Hz，视频带宽(VBW)为10 Hz，图中偏离中心位置的两个特征峰对应反馈环路带宽大小，中速反馈带宽为300 k Hz，快速反馈带宽为2.75 MHz。图2 (b)中的扫描范围为1 k Hz，分辨力带宽和视频带宽均为1 Hz(频谱仪最高分辨力)，此时仍然无法分辨载波线宽，意味着OPLL后激光拍频线宽远小于1 Hz。拍频信号的相位噪音大小可以用频谱仪的相噪测试功能测量，结果如图3所示，其中黑色曲线为OPLL闭环后的环内信号相位噪音，红色曲线为环外信号相位噪音，蓝色曲线和绿色曲线分别为信号源DDS33600和E8257的相位噪音。由实验测量结果可知，在频偏1～500 Hz范围内，锁相环闭环后的环外相位噪音结果基本与微波信号源E8257相同，远差于射频信号源DDS33600，与之对比，环内相位噪音与DDS33600相同，远好于E8257D，这说明OPLL系统在低频段内的性能主要受限于信号源指标，可通过采用具有超低相位噪音的信号源进行改善。在频偏500 Hz～10 MHz范围内，锁相环闭环的环外、环内信号相位噪音基本一致，均比信号源相噪大，这主要是OPLL系统在高频段内的增益较低，且反馈带宽有限导致的，此频段内的两个特征信号峰对应于反馈环带宽。在频偏1～100 k Hz范围内锁相环闭环的环外拍频信号相位噪音在-100 d Bc/Hz左右。
本文编号：3622845
【文章来源】：计测技术. 2020,40(06)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
相位噪音测量结果
实验装置示意图如图1所示。主激光器输出分出小部分激光作为稳频参考光，主激光器和从激光器输出激光在消偏振分束器(BS)处合束进行拍频，拍频信号由高速探测器1,2接收，分别探测环内、环外信号，探测器型号为ET4000，光电灵敏度为0.45 A/W@780 nm，输入总光强为5 m W时，拍频信号的幅值约为-35 d Bm。经过低噪音射频放大器1，(兴华微通XHLNA6.0G-7.5G，频率范围6～7.5 GHz，增益30 d B，噪音系数1.5 d B)放大后的信号幅值为-5 d B。其与信号发生器(keysight E8257D)输出的微波信号S1(频率约为6.884 GHz，幅值为-10 d Bm)经混频器(ZMX-10G)混频后输出信号的频率在50 MHz附近，幅值约为-20 d Bm，经过第二个低噪音放大器2(ZFL-500LN+)放大后的幅值增加到约10 d Bm。经过耦合器1(ZFDC-10-1+)后，小部分射频信号(约0 d Bm)作为监视信号2连接到频谱仪(keysight N9000A)，大部分信号(约为10 d Bm)输入到耦合器2，其输出的小部分作为参考信号输入到数字鉴频鉴相器(DFPD，由高速比较器AD96687和数字鉴相器AD9910以及配套模拟电路构成)，大部分信号作为参考信号输入到模拟鉴相器(AFD,ZRPD-1)。S2信号由直接数字合成信号发生器产生(Keysight DDS33600)，经耦合器3分束后，小部分信号作为本振信号输入到DFPD，大部分信号经过移相器对信号移相后(Phase shift)作为本振信号输入到模拟鉴相器，移项器的作用是补偿同轴电缆、射频器件等导致的相移。S1和S2信号源均使用斯坦福铷原子钟(FS725)输出的10 MHz信号作为频率外参考。DFPD输出信号作为误差信号进入反馈控制器1(PID1)和反馈控制器2(PID2)，二者分别为慢反馈控制和中速反馈控制，其输出分别连接到主激光器的压电陶瓷(PZT)和电流直流调制端口，PID1和PID2由激光器自带的Diglock110锁频模块产生，其由FPGA模块组成，可以使用计算机通信方便地修改控制参数。AFD输出信号经过反馈滤波器(filter)后作为快速反馈输入到激光器电流交流调制端口。反馈滤波器由低通滤波器(BLP-30)、RC并联电路和可调衰减器等组成。拍频的目的是将100 THz量级的光频信号转换成容易处理的1 GHz量级的微波信号，拍频信号和微波信号混频的目的是将1 GHz量级微波信号进一步降低到更容易处理、对应电子器件更多的100 MHz量级频段。快速反馈控制的带宽一般在1～10 MHz范围，带宽和增益可由衰减器倍数和RC电路参数控制，激光频率调谐灵敏度约为5 GHz/V。中速反馈控制的带宽一般在200 k Hz～2 MHz范围，带宽和增益可以由PID1控制器的比例、积分和微分参数调节，激光频率调谐灵敏度约为100 MHz/V。慢速反馈控制的带宽在1 k Hz量级，主要受PZT共振频率限制，带宽和增益由PID2参数调节，激光频率调谐灵敏度约为500 MHz/V。
OPLL闭环锁定后的环外拍频信号测量结果如图2所示。图2(a)中的频谱仪扫描范围为6 MHz，分辨力带宽(RBW)为1 k Hz，视频带宽(VBW)为10 Hz，图中偏离中心位置的两个特征峰对应反馈环路带宽大小，中速反馈带宽为300 k Hz，快速反馈带宽为2.75 MHz。图2 (b)中的扫描范围为1 k Hz，分辨力带宽和视频带宽均为1 Hz(频谱仪最高分辨力)，此时仍然无法分辨载波线宽，意味着OPLL后激光拍频线宽远小于1 Hz。拍频信号的相位噪音大小可以用频谱仪的相噪测试功能测量，结果如图3所示，其中黑色曲线为OPLL闭环后的环内信号相位噪音，红色曲线为环外信号相位噪音，蓝色曲线和绿色曲线分别为信号源DDS33600和E8257的相位噪音。由实验测量结果可知，在频偏1～500 Hz范围内，锁相环闭环后的环外相位噪音结果基本与微波信号源E8257相同，远差于射频信号源DDS33600，与之对比，环内相位噪音与DDS33600相同，远好于E8257D，这说明OPLL系统在低频段内的性能主要受限于信号源指标，可通过采用具有超低相位噪音的信号源进行改善。在频偏500 Hz～10 MHz范围内，锁相环闭环的环外、环内信号相位噪音基本一致，均比信号源相噪大，这主要是OPLL系统在高频段内的增益较低，且反馈带宽有限导致的，此频段内的两个特征信号峰对应于反馈环带宽。在频偏1～100 k Hz范围内锁相环闭环的环外拍频信号相位噪音在-100 d Bc/Hz左右。
本文编号：3622845
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