相位調制器-PDH穩頻  PDH穩頻技術

在(zai)許多(duo)應(ying)用中(zhong)，人們需要(yao)抑制激(ji)(ji)光(guang)器噪(zao)聲和穩(wen)定(ding)其工作(zuo)波長，應(ying)用包括引力波探(tan)測(ce)(ce)（參(can)見(jian)2017年(nian)諾貝爾物(wu)理(li)學(xue)(xue)獎LIGO項目），以及原子物(wu)理(li)、光(guang)學(xue)(xue)頻(pin)(pin)率梳和量子計算中(zhong)的(de)(de)(de)量子態光(guang)譜(pu)探(tan)測(ce)(ce)。常(chang)見(jian)的(de)(de)(de)主動激(ji)(ji)光(guang)穩(wen)頻(pin)(pin)技(ji)術(shu)(shu)(shu)之一是(shi)Pound-Drever-Hall技(ji)術(shu)(shu)(shu)，該(gai)技(ji)術(shu)(shu)(shu)將激(ji)(ji)光(guang)的(de)(de)(de)發射頻(pin)(pin)率鎖(suo)定(ding)在(zai)穩(wen)定(ding)、高精細度的(de)(de)(de)諧振腔中(zhong)。這項技(ji)術(shu)(shu)(shu)以Robert Pound, Ronald Drever and John L.Hall而命名。PDH技(ji)術(shu)(shu)(shu)早在(zai)1983年(nian)的(de)(de)(de)《Applied Physics B》雜志(zhi)上發表，“Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator"。根據路透社2017年(nian)的(de)(de)(de)報(bao)道(dao)，這篇(pian)論(lun)文被(bei)引用了2000多(duo)次。

“PDH方案具(ju)有難以(yi)置信的(de)可靠性，真正成為(wei)了主流的(de)鎖定機制(zhi)。今天，這(zhe)么多年過(guo)去(qu)了，我們(men)仍(reng)在用它來(lai)嘗試制(zhi)造線寬(kuan)為(wei)幾mHz的(de)超穩定激光(guang)器(qi)"。Jun Ye博士，NIST。

“PDH技術(shu)是(shi)一(yi)種非常智(zhi)慧和可(ke)靠(kao)的(de)(de)方(fang)法，以非常干凈的(de)(de)方(fang)式(shi)獲(huo)得(de)Error誤差信號。還(huan)有其他一(yi)些各具特色的(de)(de)技術(shu)，但(dan)老(lao)實說，PDH技術(shu)絕對是(shi)迄今為止zui可(ke)靠(kao)的(de)(de)"。Pr Sylvain Gigan, Laboratoire Kastler Brossel.

PDH技術使用常見的(de)光(guang)(guang)學外差(cha)光(guang)(guang)譜和(he)射頻(pin)電子學方法(fa)，用標準具或法(fa)布(bu)里-珀羅F-P腔測量激光(guang)(guang)器的(de)頻(pin)率，并將測量結果反饋給激光(guang)(guang)器，以抑(yi)制激光(guang)(guang)器的(de)頻(pin)率偏差(cha)。其優點包括響(xiang)應時間(jian)可能比腔的(de)響(xiang)應時間(jian)更快。

PDH穩頻相位調制器選擇適合的調制器給PDH應用

下圖給出了PDH設置的(de)(de)示例。當激(ji)光(guang)器的(de)(de)頻(pin)率與腔的(de)(de)FSR（整數(shu)倍）*匹(pi)配時，反(fan)(fan)射光(guang)和漏光(guang)具有相(xiang)同的(de)(de)振幅，并且(qie)相(xiang)位(wei)差180°。因此兩束光(guang)相(xiang)互干擾(rao)，反(fan)(fan)射光(guang)消失。

考(kao)慮到感興(xing)趣(qu)的(de)激(ji)光源的(de)窄線寬(kuan)和所需的(de)調(diao)制深(shen)度，iXblue開發了(le)一系(xi)列(lie)用于實現PDH技術的(de)優化型相(xiang)位(wei)調(diao)制器(qi)。

PDH穩頻相位調制器與任何其他相位調制器相比，我們可以區分LN-0.1系(xi)列的優點：

l  適應低頻：直流耦(ou)合至200 MHz調制(zhi)頻率

l  專用于(yu)給定的波長范圍。

l  極低的(de)驅動電壓Vπ.

l  低插入損(sun)耗（LIL選項）。

l  高輸入阻(zu)抗，提(ti)高調制效率(lv)。

l  NIR版(ban)本的高偏振消光比（PER）。

l  低剩余幅度(du)調制(zhi)（Residual Amplitude Modulation-RAM）設計（EP3009879A1）

低頻相位(wei)調(diao)制器(qi)的現實優勢

為光通信應(ying)用(yong)而(er)設計(ji)和開發(fa)的普通高(gao)速(GHz)電光調(diao)制器在(zai)射(she)頻(pin)線(xian)(xian)的末端具有50歐姆負載電阻終端，以(yi)減少射(she)頻(pin)電反射(she)。當在(zai)低頻(pin)率下工(gong)作時，這種高(gao)速相位(wei)調(diao)制器在(zai)射(she)頻(pin)微波(bo)(bo)線(xian)(xian)路中有過(guo)高(gao)的電流，這導致焦耳效應(ying)的局部加熱(re)。當頻(pin)率變得較低并且與熱(re)效應(ying)的時間常數相當時，熱(re)循環和散熱(re)就成了一個問題(ti)。因此，在(zai)加熱(re)和冷卻過(guo)程中，電極(ji)、波(bo)(bo)導的物理特性會發(fa)生變化。

iXblue的LN-0.1相位(wei)調(diao)制(zhi)器(qi)采用(yong)高輸入阻抗負載(zai)（10kΩ)抑制(zhi)熱效應或電極線開路(1 MΩ)的設計，PDH測試能證(zheng)明這種調(diao)制(zhi)器(qi)可在溫(wen)度變化時，性能穩定在一(yi)個大的溫(wen)度范圍內（-40℃到+85°C）

左圖(tu)： 50Hz信號(hao)(hao)時明顯有熱效應(ying)，上(shang)面曲線為(wei)射頻(pin)電信號(hao)(hao)，下面為(wei)光信號(hao)(hao)。

右圖： 50KHz信(xin)號(hao)時無熱(re)效應，上面曲(qu)線為射頻電信(xin)號(hao)，下面為光信(xin)號(hao)。

當(dang)(dang)用電光調(diao)制(zhi)器實現(xian)(xian)PDH技術時(shi)，在環境(jing)擾動期(qi)(qi)間引(yin)起誤差信(xin)號的(de)(de)畸變(bian)(bian)和非預期(qi)(qi)的(de)(de)頻(pin)(pin)率偏移時(shi)RAM總(zong)會出(chu)現(xian)(xian)的(de)(de)。當(dang)(dang)系(xi)統的(de)(de)不穩(wen)定性逐漸降(jiang)低(di)到極(ji)低(di)水平(ping)時(shi)，抑制(zhi)或減輕RAM引(yin)起的(de)(de)頻(pin)(pin)率不穩(wen)定性就變(bian)(bian)得越來越重(zhong)要(yao)。iXblue為PDH設計并優化(hua)了專用于(yu)(yu)減小RAM的(de)(de)低(di)頻(pin)(pin)相位(wei)調(diao)制(zhi)器。RAM可以通過在調(diao)制(zhi)器注入一個(ge)直(zhi)流(liu)電壓而(er)降(jiang)低(di)，該電壓對(dui)應于(yu)(yu)鈮酸(suan)鋰波導一個(ge)整體的(de)(de)負(fu)折射率變(bian)(bian)化(hua)。一個(ge)5-15V直(zhi)流(liu)電壓足以將RAM降(jiang)低(di)>10 dB。LN-0.1系(xi)列內部(bu)嵌入高阻抗射頻(pin)(pin)負(fu)載(zai)終端，不會被直(zhi)流(liu)信(xin)號所損壞。