實驗名稱：基于光纖干涉儀的低頻段頻率噪聲抑制研究

實驗內容：光纖干涉儀作為一種可以精細鑒別激光相位的結構裝置，被廣泛地應用于激光相位噪聲的測試測量工作。運用逆向思維，利用光纖干涉儀輸出的攜帶激光相位信息的光強信號，經過特定設計的信號處理模塊，將反饋信號加載在激光器的調頻端口上，即可鎖定輸出激光的頻率，從而有效降低頻率噪聲。本節采用自主研制的帶有壓電陶瓷（PZT）的單頻光纖激光器，結合非平衡光纖干涉儀的鑒頻機制，從而實現輸出激光低頻段的頻率噪聲有效抑制。

測試設備：電壓放大器、光纖干涉儀、示波器、信號發生器、光電探測器、PZT等。

圖1：基于非平衡光纖干涉儀的低頻頻率噪聲抑制實驗裝置圖

實驗過程：

選定延遲光纖的長度為500m，對應的干涉儀臂差即為1km。從光纖干涉儀的增益傳遞函數來看，1km臂差對應的3dB控制帶寬為120kHz。然而從相位傳遞函數可以發現，大于20kHz的頻段出現了快速的相位變化，預計給閉環控制將帶來一定難度，因此重點考察20kHz以內的頻率噪聲抑制結果。

為了減小外界環境的機械振動和氣流擾動影響，整個光纖干涉儀安置于鋪墊有隔振海綿的有機玻璃密封盒中。光纖干涉儀的兩束返回光在50:50Coupler處發生干涉，然后輸入到帶寬為17MHz的低噪聲光電探測器（PD）中。隨后，轉變產生的電信號經3dB帶寬為100kHz的低通濾波器（LPF）過濾高頻雜散噪聲，獲得頻率變化誤差信號。比例積分微分（PID）模塊處理頻率誤差信號后，得到的反饋信號幅度較小，此電壓范圍為0~5V。為了實現良好的頻率控制效果，引入了電壓放大器（HV），從而提升加載到PZT上的反饋信號電壓幅度范圍至0~50V，有利于提高反饋控制能力，獲得長期穩定的頻率噪聲抑制效果。

實驗過程中，LD的泵浦電流設定為250mA，從70%端口輸出的功率為10.5mW，進入光纖干涉儀的功率約為4mW，進入PD的功率約為1mW。

實驗結果：

在進行頻率噪聲抑制實驗之前，先對這個1550nm激光器的頻率穩定性和PZT調諧性能進行了測試。利用掃描F-P腔結合示波器型采集卡（型號：PXI-5122，帶寬為100M，采集位數14bit）對激光單個縱模信號進行實時采集，具體結果如圖2（a）所示。在24h的連續測試過程中，輸出激光中心頻率的漂移量為419.63MHz，等效波長變化量為3.36pm。

圖2：（a）頻率穩定性測試結果；（b）激光波長調制變化與加載在PZT上電壓的關系

圖2（b）展示了激光波長調制變化與加載在PZT上的電壓關系，通過信號發生器結合電壓放大器對PZT施加調制信號，在0~48V的調制電壓變化范圍內，激光的中心波長從1550.0834nm變化至1550.0907nm，變化幅度為7.3pm。

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審核編輯 黃宇