用于原子干涉儀的光學(xué)鎖相環(huán)系統(tǒng)
發(fā)布時間：2022-02-13 08:17
相干激光的性能對原子干涉儀的測量精度有著重要影響。本文介紹了一種制備相干激光的外差式光學(xué)鎖相環(huán)系統(tǒng),實現(xiàn)了兩臺外腔半導(dǎo)體激光器頻率和相位的同步,鎖相后的激光拍頻線寬低于1 Hz,10 MHz積分帶寬內(nèi)的殘余相位噪音為0.002 rad2,頻偏1～100 kHz范圍內(nèi)的相位噪音達(dá)到-100 dBc/Hz。并研究了閉環(huán)相位噪音對原子干涉儀的影響,在自由演化時間為200 ms、拉曼π脈沖時間為30μs、單次循環(huán)時間為1 s條件下,鎖相后相位噪音對重力測量靈敏度的貢獻(xiàn)為10μGal/（Hz）1/2,完全滿足高精度原子干涉儀的使用需求。
【文章來源】：計測技術(shù). 2020,40(06)
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
相位噪音測量結(jié)果
實驗裝置示意圖如圖1所示。主激光器輸出分出小部分激光作為穩(wěn)頻參考光，主激光器和從激光器輸出激光在消偏振分束器(BS)處合束進行拍頻，拍頻信號由高速探測器1,2接收，分別探測環(huán)內(nèi)、環(huán)外信號，探測器型號為ET4000，光電靈敏度為0.45 A/W@780 nm，輸入總光強為5 m W時，拍頻信號的幅值約為-35 d Bm。經(jīng)過低噪音射頻放大器1，(興華微通XHLNA6.0G-7.5G，頻率范圍6～7.5 GHz，增益30 d B，噪音系數(shù)1.5 d B)放大后的信號幅值為-5 d B。其與信號發(fā)生器(keysight E8257D)輸出的微波信號S1(頻率約為6.884 GHz，幅值為-10 d Bm)經(jīng)混頻器(ZMX-10G)混頻后輸出信號的頻率在50 MHz附近，幅值約為-20 d Bm，經(jīng)過第二個低噪音放大器2(ZFL-500LN+)放大后的幅值增加到約10 d Bm。經(jīng)過耦合器1(ZFDC-10-1+)后，小部分射頻信號(約0 d Bm)作為監(jiān)視信號2連接到頻譜儀(keysight N9000A)，大部分信號(約為10 d Bm)輸入到耦合器2，其輸出的小部分作為參考信號輸入到數(shù)字鑒頻鑒相器(DFPD，由高速比較器AD96687和數(shù)字鑒相器AD9910以及配套模擬電路構(gòu)成)，大部分信號作為參考信號輸入到模擬鑒相器(AFD,ZRPD-1)。S2信號由直接數(shù)字合成信號發(fā)生器產(chǎn)生(Keysight DDS33600)，經(jīng)耦合器3分束后，小部分信號作為本振信號輸入到DFPD，大部分信號經(jīng)過移相器對信號移相后(Phase shift)作為本振信號輸入到模擬鑒相器，移項器的作用是補償同軸電纜、射頻器件等導(dǎo)致的相移。S1和S2信號源均使用斯坦福銣原子鐘(FS725)輸出的10 MHz信號作為頻率外參考。DFPD輸出信號作為誤差信號進入反饋控制器1(PID1)和反饋控制器2(PID2)，二者分別為慢反饋控制和中速反饋控制，其輸出分別連接到主激光器的壓電陶瓷(PZT)和電流直流調(diào)制端口，PID1和PID2由激光器自帶的Diglock110鎖頻模塊產(chǎn)生，其由FPGA模塊組成，可以使用計算機通信方便地修改控制參數(shù)。AFD輸出信號經(jīng)過反饋濾波器(filter)后作為快速反饋輸入到激光器電流交流調(diào)制端口。反饋濾波器由低通濾波器(BLP-30)、RC并聯(lián)電路和可調(diào)衰減器等組成。拍頻的目的是將100 THz量級的光頻信號轉(zhuǎn)換成容易處理的1 GHz量級的微波信號，拍頻信號和微波信號混頻的目的是將1 GHz量級微波信號進一步降低到更容易處理、對應(yīng)電子器件更多的100 MHz量級頻段�？焖俜答伩刂频膸捯话阍�1～10 MHz范圍，帶寬和增益可由衰減器倍數(shù)和RC電路參數(shù)控制，激光頻率調(diào)諧靈敏度約為5 GHz/V。中速反饋控制的帶寬一般在200 k Hz～2 MHz范圍，帶寬和增益可以由PID1控制器的比例、積分和微分參數(shù)調(diào)節(jié)，激光頻率調(diào)諧靈敏度約為100 MHz/V。慢速反饋控制的帶寬在1 k Hz量級，主要受PZT共振頻率限制，帶寬和增益由PID2參數(shù)調(diào)節(jié)，激光頻率調(diào)諧靈敏度約為500 MHz/V。
OPLL閉環(huán)鎖定后的環(huán)外拍頻信號測量結(jié)果如圖2所示。圖2(a)中的頻譜儀掃描范圍為6 MHz，分辨力帶寬(RBW)為1 k Hz，視頻帶寬(VBW)為10 Hz，圖中偏離中心位置的兩個特征峰對應(yīng)反饋環(huán)路帶寬大小，中速反饋帶寬為300 k Hz，快速反饋帶寬為2.75 MHz。圖2 (b)中的掃描范圍為1 k Hz，分辨力帶寬和視頻帶寬均為1 Hz(頻譜儀最高分辨力)，此時仍然無法分辨載波線寬，意味著OPLL后激光拍頻線寬遠(yuǎn)小于1 Hz。拍頻信號的相位噪音大小可以用頻譜儀的相噪測試功能測量，結(jié)果如圖3所示，其中黑色曲線為OPLL閉環(huán)后的環(huán)內(nèi)信號相位噪音，紅色曲線為環(huán)外信號相位噪音，藍(lán)色曲線和綠色曲線分別為信號源DDS33600和E8257的相位噪音。由實驗測量結(jié)果可知，在頻偏1～500 Hz范圍內(nèi)，鎖相環(huán)閉環(huán)后的環(huán)外相位噪音結(jié)果基本與微波信號源E8257相同，遠(yuǎn)差于射頻信號源DDS33600，與之對比，環(huán)內(nèi)相位噪音與DDS33600相同，遠(yuǎn)好于E8257D，這說明OPLL系統(tǒng)在低頻段內(nèi)的性能主要受限于信號源指標(biāo)，可通過采用具有超低相位噪音的信號源進行改善。在頻偏500 Hz～10 MHz范圍內(nèi)，鎖相環(huán)閉環(huán)的環(huán)外、環(huán)內(nèi)信號相位噪音基本一致，均比信號源相噪大，這主要是OPLL系統(tǒng)在高頻段內(nèi)的增益較低，且反饋帶寬有限導(dǎo)致的，此頻段內(nèi)的兩個特征信號峰對應(yīng)于反饋環(huán)帶寬。在頻偏1～100 k Hz范圍內(nèi)鎖相環(huán)閉環(huán)的環(huán)外拍頻信號相位噪音在-100 d Bc/Hz左右。
本文編號：3622845
【文章來源】：計測技術(shù). 2020,40(06)
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
相位噪音測量結(jié)果
實驗裝置示意圖如圖1所示。主激光器輸出分出小部分激光作為穩(wěn)頻參考光，主激光器和從激光器輸出激光在消偏振分束器(BS)處合束進行拍頻，拍頻信號由高速探測器1,2接收，分別探測環(huán)內(nèi)、環(huán)外信號，探測器型號為ET4000，光電靈敏度為0.45 A/W@780 nm，輸入總光強為5 m W時，拍頻信號的幅值約為-35 d Bm。經(jīng)過低噪音射頻放大器1，(興華微通XHLNA6.0G-7.5G，頻率范圍6～7.5 GHz，增益30 d B，噪音系數(shù)1.5 d B)放大后的信號幅值為-5 d B。其與信號發(fā)生器(keysight E8257D)輸出的微波信號S1(頻率約為6.884 GHz，幅值為-10 d Bm)經(jīng)混頻器(ZMX-10G)混頻后輸出信號的頻率在50 MHz附近，幅值約為-20 d Bm，經(jīng)過第二個低噪音放大器2(ZFL-500LN+)放大后的幅值增加到約10 d Bm。經(jīng)過耦合器1(ZFDC-10-1+)后，小部分射頻信號(約0 d Bm)作為監(jiān)視信號2連接到頻譜儀(keysight N9000A)，大部分信號(約為10 d Bm)輸入到耦合器2，其輸出的小部分作為參考信號輸入到數(shù)字鑒頻鑒相器(DFPD，由高速比較器AD96687和數(shù)字鑒相器AD9910以及配套模擬電路構(gòu)成)，大部分信號作為參考信號輸入到模擬鑒相器(AFD,ZRPD-1)。S2信號由直接數(shù)字合成信號發(fā)生器產(chǎn)生(Keysight DDS33600)，經(jīng)耦合器3分束后，小部分信號作為本振信號輸入到DFPD，大部分信號經(jīng)過移相器對信號移相后(Phase shift)作為本振信號輸入到模擬鑒相器，移項器的作用是補償同軸電纜、射頻器件等導(dǎo)致的相移。S1和S2信號源均使用斯坦福銣原子鐘(FS725)輸出的10 MHz信號作為頻率外參考。DFPD輸出信號作為誤差信號進入反饋控制器1(PID1)和反饋控制器2(PID2)，二者分別為慢反饋控制和中速反饋控制，其輸出分別連接到主激光器的壓電陶瓷(PZT)和電流直流調(diào)制端口，PID1和PID2由激光器自帶的Diglock110鎖頻模塊產(chǎn)生，其由FPGA模塊組成，可以使用計算機通信方便地修改控制參數(shù)。AFD輸出信號經(jīng)過反饋濾波器(filter)后作為快速反饋輸入到激光器電流交流調(diào)制端口。反饋濾波器由低通濾波器(BLP-30)、RC并聯(lián)電路和可調(diào)衰減器等組成。拍頻的目的是將100 THz量級的光頻信號轉(zhuǎn)換成容易處理的1 GHz量級的微波信號，拍頻信號和微波信號混頻的目的是將1 GHz量級微波信號進一步降低到更容易處理、對應(yīng)電子器件更多的100 MHz量級頻段�？焖俜答伩刂频膸捯话阍�1～10 MHz范圍，帶寬和增益可由衰減器倍數(shù)和RC電路參數(shù)控制，激光頻率調(diào)諧靈敏度約為5 GHz/V。中速反饋控制的帶寬一般在200 k Hz～2 MHz范圍，帶寬和增益可以由PID1控制器的比例、積分和微分參數(shù)調(diào)節(jié)，激光頻率調(diào)諧靈敏度約為100 MHz/V。慢速反饋控制的帶寬在1 k Hz量級，主要受PZT共振頻率限制，帶寬和增益由PID2參數(shù)調(diào)節(jié)，激光頻率調(diào)諧靈敏度約為500 MHz/V。
OPLL閉環(huán)鎖定后的環(huán)外拍頻信號測量結(jié)果如圖2所示。圖2(a)中的頻譜儀掃描范圍為6 MHz，分辨力帶寬(RBW)為1 k Hz，視頻帶寬(VBW)為10 Hz，圖中偏離中心位置的兩個特征峰對應(yīng)反饋環(huán)路帶寬大小，中速反饋帶寬為300 k Hz，快速反饋帶寬為2.75 MHz。圖2 (b)中的掃描范圍為1 k Hz，分辨力帶寬和視頻帶寬均為1 Hz(頻譜儀最高分辨力)，此時仍然無法分辨載波線寬，意味著OPLL后激光拍頻線寬遠(yuǎn)小于1 Hz。拍頻信號的相位噪音大小可以用頻譜儀的相噪測試功能測量，結(jié)果如圖3所示，其中黑色曲線為OPLL閉環(huán)后的環(huán)內(nèi)信號相位噪音，紅色曲線為環(huán)外信號相位噪音，藍(lán)色曲線和綠色曲線分別為信號源DDS33600和E8257的相位噪音。由實驗測量結(jié)果可知，在頻偏1～500 Hz范圍內(nèi)，鎖相環(huán)閉環(huán)后的環(huán)外相位噪音結(jié)果基本與微波信號源E8257相同，遠(yuǎn)差于射頻信號源DDS33600，與之對比，環(huán)內(nèi)相位噪音與DDS33600相同，遠(yuǎn)好于E8257D，這說明OPLL系統(tǒng)在低頻段內(nèi)的性能主要受限于信號源指標(biāo)，可通過采用具有超低相位噪音的信號源進行改善。在頻偏500 Hz～10 MHz范圍內(nèi)，鎖相環(huán)閉環(huán)的環(huán)外、環(huán)內(nèi)信號相位噪音基本一致，均比信號源相噪大，這主要是OPLL系統(tǒng)在高頻段內(nèi)的增益較低，且反饋帶寬有限導(dǎo)致的，此頻段內(nèi)的兩個特征信號峰對應(yīng)于反饋環(huán)帶寬。在頻偏1～100 k Hz范圍內(nèi)鎖相環(huán)閉環(huán)的環(huán)外拍頻信號相位噪音在-100 d Bc/Hz左右。
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