在許多應用中,人們需要抑製激光器噪聲和穩定其工作波長,眾所周知的應用包括引力波(bō)探測(cè)(參見2017年諾貝爾物理學(xué)獎LIGO項目),以及原子物(wù)理、光學頻率梳(shū)和量子(zǐ)計算中的量子態光譜探測。最常見的主動激光穩頻技術之一是Pound-Drever-Hall技術,該技術將(jiāng)激光的發射(shè)頻(pín)率鎖(suǒ)定在(zài)穩定(dìng)、高精細度的諧振(zhèn)腔中。這項技術以Robert Pound, Ronald Drever and John L.Hall而命名(míng)。PDH技術最(zuì)早在1983年的《Applied Physics B》雜誌上發(fā)表,“Laserphase and frequency stabilization using an optical resonator”。根據路透社2017年的報道,這篇論文被引用了2000多次。
“PDH方案具有難以置信的(de)可(kě)靠性,真正(zhèng)成(chéng)為了主流的鎖(suǒ)定機製。今天,這麽多年過去了,我們仍在用它來嚐試(shì)製造線寬為幾mHz的超穩定激光器”。Jun Ye博士,NIST。
“PDH技術(shù)是一種非常智慧和可靠的(de)方法,以非常幹淨的方式獲得Error誤差信號。還有其他一些各具特色的技(jì)術,但老實說,PDH技(jì)術絕對是迄今(jīn)為止最(zuì)可(kě)靠的”Pr Sylvain Gigan, Laboratoire Kastler Brossel.
PDH技術使用常見的光學外差光(guāng)譜(pǔ)和射頻電子學方法,用標準具或法布裏-珀羅F-P腔測量激光器的頻率,並將測量結(jié)果反饋給(gěi)激光器,以抑製激光器的頻率偏差。其優點包括響應(yīng)時間(jiān)可能(néng)比腔的響應時間更快。
選擇適合的調製器給PDH應用
下圖給出(chū)了(le)PDH設置的示例。當(dāng)激光器的頻率與腔的FSR(整數倍)完全匹配時,反射光和漏光具有相同(tóng)的振幅,並且相位差180°。因此兩束光相互幹擾,反射光消失。
考慮到感興趣的激光源的窄線寬和所需的調製深度,iXblue開發了一係列用於實現PDH技術的(de)優化(huà)型相位調製器。
與任何其他相位(wèi)調製器相比,我們可以區分LN-0.1係(xì)列的(de)優點:
n 適應低頻:直流耦合至200MHz調製(zhì)頻率
n 專用於給定的(de)波長範圍。
n 極低的驅動電壓Vπ
n 低插入損耗(LIL選項)。
n 高輸入阻抗,提高調製效率。
n NIR版本(běn)的高偏振消(xiāo)光比(PER)。
n 低剩餘幅度調製(zhì)(Residual Amplitude Modulation-RAM)專利設計(EP3009879A1)
低頻相位調製器的現實優勢
為光通信應用而設計和開發的(de)普通高速(GHz)電光調製器在射頻線的末端具有(yǒu)50歐姆負載電(diàn)阻終端,以減少射頻電(diàn)反射。當在低頻率下工作時,這種高速相位調製器在射(shè)頻微波線路中有過高的電流,這導致焦耳效應的局部加熱。當頻率變得較(jiào)低並且(qiě)與熱效應的時間常數相當時,熱(rè)循環和散熱就成了一(yī)個問題。因此(cǐ),在(zài)加熱和冷卻過程中,電極、波導的物理特性會發生變化。
iXblue的LN-0.1相位調製器采用高輸入阻抗負載(10kΩ)抑製熱效應或電極線開路(1MΩ)的設計,PDH測試能證明這種調(diào)製器可在溫(wēn)度變化(huà)時,性能穩定在一個大的溫度範圍內(nèi)(-40℃到+85℃)。
左(zuǒ)圖(tú):50Hz信號時(shí)明顯有熱效應,上(shàng)麵曲(qǔ)線為射頻電信號,下麵為光信號。
右圖:50KHz信號時無熱效應,上麵曲線為射頻電(diàn)信號,下麵為光信號。
當用電光調製器實現PDH技術時,在環境擾動期間引起誤差信號的畸變和非預期的頻率偏移時RAM總會出現的。當(dāng)係統的不穩定性逐漸降低到極低水(shuǐ)平時(shí),抑製或減輕RAM引(yǐn)起的頻率不穩定性就變得越來越(yuè)重要。
iXblue為PDH設(shè)計並優化了專用於減小RAM的低(dī)頻相位調製器。RAM可以通過在調製器注入一個直流電壓而(ér)降低,該(gāi)電壓對應於铌酸鋰波導一個整體的負(fù)折射率(lǜ)變化。一個5-15V直流電壓足以將RAM降低>10dB。
LN-0.1係列內(nèi)部嵌入(rù)高阻抗射頻負載終端,不會被(bèi)直流信號所(suǒ)損壞(huài)。
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