電學中電壓放大器在光學濾波腔中的應用
實驗名稱：光學濾波腔中的應用
測試設備：高壓放大器、光學隔離器、光電探測器、相位調制器、頻譜分析儀等。
實驗過程：
圖1：光學濾波腔輸出場音頻段噪聲特性分析實驗裝置圖。OI：光學隔離器；EOM：電光相位調制器；BS：分束鏡；PBS：偏振分束器；MC：模式清潔器；PD1-3：光電探測器；HV：高壓放大器；SA：頻譜分析儀；ADC：模擬數字轉換；DAC：數字模擬轉換；FPGA：現場可編程門陣列。
圖1為實驗裝置圖，光纖激光器輸出的1550nm激光經過光學隔離器OI和自制的相位調制器EOM后分為兩束，反射光經過光電探測器PD3進行強度噪聲分析，透射光入射至模式清潔器MC。MC為三鏡環形腔，兩面平面鏡對1550nm激光透射率為1%，凹面鏡對該激光完全反射(＞99.95%)，其精細度為275，線寬為2.5MHz，采用PDH穩頻法鎖定腔長后，功率透射率接近90%。PDH控制環路中，信號發生器產生的兩路34.3MHz高頻信號，一路用于驅動EOM，一路經混頻器與共振型光電探測器PD1輸出信號進行混頻，經低通濾波器解調后，得到反饋控制的誤差信號，依次經過基于FPGA的數字PID控制器和高壓放大器后，反饋至MC的壓電陶瓷，實現腔長鎖定。MC輸出激光經過功率衰減后直接進入光電探測器PD2，進行強度噪聲分析，實驗中PD2和PD3輸入功率維持1mW不變。
實驗結果：
圖2：激光的本底強度噪聲（橙色曲線）和MC腔長鎖定后輸出光場的強度噪聲（其它顏色曲線）。(a)分析頻率3-300kHz范圍內的功率噪聲譜，RBW：10kHz，VBW：50Hz；(b)分析頻率＜3kHz范圍內的功率噪聲譜，RBW：10Hz，VBW：1Hz
如圖2所示為1mW激光功率的功率噪聲譜。進一步研究表明，噪聲耦合主要通過兩種途徑引入：(1)PDH鎖定環路引入額外噪聲；(2)MC將入射光束相位噪聲轉換為強度噪聲。針對兩個噪聲耦合問題，開展了如下研究工作。
結合臨界比例度法，總結了優化MC中PI控制參數的具體實施方案。（1）首先，粗略對比例增益kP和積分增益kI賦一個初始值，如圖2(b)曲線a所示；（2）然后，逐漸增大kP，通過傳遞函數測試過程或者MC輸出場噪聲譜觀察環路工作狀態，直至環路出現明顯的振蕩；（3）隨后，逐漸減小kP，直至控制環路振蕩剛好消失，記錄此時的kP值，并將其設定為記錄值的45%-70%，如圖2(b)曲線b所示；（4）下一步，逐漸增大kI，直至環路出現振蕩；⑸逐漸減小kI到振蕩消失，記錄此時kI值，并設定為記錄值的10%-30%，如圖2(b)曲線c所示；（6）最后，通過觀察PD2輸出的功率噪聲譜，在（5）設定值附近搜索最佳的PI參數，直至噪聲水平達到最低，此時再調節PI參數，噪聲會增加，則實現了最優的PI參數設置，如圖2(b)曲線d所示。此時，環路增益達到最優值，響應速度可快速修正系統誤差并達到穩定狀態，從而抑制了曲線a-c的周期性低頻振蕩信號。
在PI參數調試過程中，當分析頻率＞3kHz時，PI參數的變化不會影響強度噪聲的幅度，如圖2(a)；當分析頻率＜3kHz時，隨著PI參數接近最優值，光場強度噪聲逐漸接近最低的噪聲水平，如圖2(b)。經過對控制環路傳遞函數進行測試，我們發現在優化PI參數的過程中，由開環傳遞函數測試結果可知（如圖3所示），環路反饋控制帶寬逐漸從290Hz提高至2kHz（最佳帶寬）；由閉環傳遞函數測試結果可知（如圖4所示），控制環路低頻抑噪水平提高了約30dB，詳細參數如表1所示。
表1：實驗的參數
圖3：系統開環傳遞函數的幅度和相位圖
圖4：閉環系統傳遞函數的幅度圖
然而，由圖2(a)和(b)可知，即使在最優的反饋控制參數條件下，MC輸出場的低頻噪聲（＜100kHz）仍高于激光的本底噪聲，其主要原因是，MC輸出場的強度噪聲由輸入場的強度噪聲和位相噪聲同時決定，而光纖激光器位相噪聲高于強度噪聲，因此，輸入場的相位噪聲通過MC耦合至輸出場的強度噪聲中，從而輸出場強度噪聲增大。同時，激光指向噪聲也會通過MC轉化為強度噪聲，惡化了輸出場的強度噪聲。在今后的工作中，將采用高精細度超穩光學諧振腔作為參考基準，通過將激光鎖定在超穩腔上，實現相位噪聲的抑制；通過采用隔振平臺、對裝置加裝屏蔽外殼、對裝置整體控溫、將空間傳輸的激光光束耦合進光纖等方法，實現指向噪聲的抑制。通過對相位噪聲和指向噪聲的抑制，將MC輸出光場的強度噪聲抑制到本底噪聲。
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