高压放大器基于纳米光纤的光学谐振腔研究中的应用

实验名称：光纤环形谐振腔的PDH锁定系统研究

测试设备：高压放大器、信号发生器、示波器、电光相位调制器、模拟PID控制器、压电陶瓷等。

实验过程：

图1：(a)光纤环形谐振腔的实验装置图。(b)光纤拉伸支架：PZT：压电陶瓷。压电陶瓷置于狭缝中点，利用紫外胶将光纤固定在U型支架两臂末端

基于以上稳定的光纤环形谐振腔，我们结合PDH反馈锁定技术对其谐振频率实现了锁定。光纤环形谐振腔的共振频率通过控制光纤长度来控制。腔长控制装置已在图1(b)中介绍。光纤环形谐振腔锁定装置的示意图如图2所示。电光调制器在自由空间对激光进行相位调制后耦合进入光纤环形谐振腔。光纤环形谐振腔输出激光由光纤分束器分束后分别输出至交流探测器1和直流探测器2用于产生PDH稳频系统所需的误差信号和监测其反射谱。信号发生器产生EOM调制信号，利用功分器将其分为两路分别输入至EOM和相位延迟器对激光进行相位调制和延迟解调信号所需的相位。经延迟相位后的信号与交流探测器1测到的腔反射信号接入混频器进行混频以及先后经过低通滤波、PID控制器和高压放大器后反馈到如图1(b)所示的用于腔长控制的压电陶瓷上，对光纤环形谐振腔腔长进行实时调节和控制，从而实现对FRR共振频率的锁定。我们利用示波器同时监测PZT的驱动电压、误差信号及FRR的反射谱。

图2：PDH锁定实验装置示意图。EOM：电光相位调制器，HVAmplifiers：高压放大器，PZT：压电陶瓷，PID：模拟PID控制器。图中实线为光路，虚线为电路。

实验结果：

图3：(a)相位调制功率为12dBm的锁定结果：青色实线为光纤环形谐振腔的反射信号直接输出反射谱，黑色曲线为经过低通滤波器滤波后的反射谱，红色曲线为鉴频曲线，蓝色曲线为进行锁定后的反射信号；(b)相位调制功率为-9dBm的锁定结果：黑色曲线为光纤环形谐振腔的反射信号直接输出反射谱，红色曲线为鉴频曲线，蓝色曲线为进行锁定后的反射信号。

光纤环形谐振腔反射光谱经扫描压电陶瓷长度获得。图3(a)、(b)所示分别为EOM调制信号功率为12dBm和-9dBm时的反射谱。图3(a)中，青色曲线和黑色曲线分别是光纤环形谐振腔的反射信号直接输出和通过滤波器后的反射谱。电光调制器在光路中对激光光束进行了相位调制产生了两个边带，由于光纤谐振腔对相位的敏感性，使得谐振腔共振的主频和边带之间的干涉并引起其反射信号的强度调制。红色曲线为锁定系统的鉴频信号，蓝色曲线为光纤环形谐振腔锁定后的反射信号。图3(b)中，黑色曲线为光纤环形谐振腔输出信号通过低通滤波器后的反射谱，红色曲线为锁定系统的鉴频信号，蓝色曲线为光纤环形谐振腔锁定后的反射信号。

由图3(a)我们可以看出，光纤环形谐振腔直接输出的反射信号携带了与电光调制器调制信号同样频率的调制，这对其后续的应用是极为不利的。因此我们对光纤环形谐振腔锁定后的反射信号进行了频率分析，其测量结果如图3(a)所示。在腔反射信号与相位调制信号频率相等频率处存在一个强度调制信号。实验中应降低相位调制信号的功率以减小此调制信号对腔反射信号强度调制的影响。图3(a)中红色、蓝色、黑色和紫色曲线分别为相位调制信号功率为-9dBm、24dBm时腔反射信号的频谱、频谱分析仪本底噪声和探测器的电子学噪声。