iXblue调制器如何实现激光稳频？

激光稳频技术

Laser Frequency Stabilization

激光器作为现代科学技术重要标志之一已经在精密干涉测量、光频标、激光通信、激光陀螺 、激光雷达等诸多领域得到了广泛的应用。在激光的众多指标中激光频率稳定度是一个极其重要的指标参数。因此，随着激光应用的发展激光稳频技术成为基础科学研究的重要方向在现代科学技术中发挥着越来越重要的作用。

现在激光器的稳频技术主要分为主动式稳频和被动式稳频。

主动式稳频： 把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。这个误差信号经放大后又通过反馈系统返回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，实现稳频。这种稳频的方法又可依据选择参考频率方法的不同分为两大类。一类是把激光器中原子跃迁的中心频率作为参考频率。把激光频率锁定到跃迁的中心频率上。属于这类方法的有：兰姆凹陷法、塞曼效应法、功率最大值法等。这类方法简便易行，能够满足一般精密测量的需要。但是复现度相对不高。另一类方法是把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作为参考频率，这是目前水平最高的一种稳频方法。所选取得吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。这种稳频方法较为复杂，但可以得到较高的稳定度和复现度。

被动式稳频： 利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；或将热膨胀系数为负值的材料与热膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以使热膨胀互相抵消。实现稳频。这种方法一般用于工程上对稳频精度要求不高的场合。当然在精密控温的实验室内，再加上性能极好的声热隔离装置，也可达到很高的稳定度。

PDH 稳频技术

Pound-Drever-Hall Technology

目前主动式稳频中的原子分子饱和吸收法和Pound-Drever-Hall（PDH）技术是激光稳频技术中最主要的两种方法，然而原子分子饱和吸收法受波长限制比较大 。PDH稳频技术选择不受波长限制的法布里－珀罗干涉仪（FPI）作为频率参考标准，因其具有系统抗干扰能力强、不易失锁、稳定度高等优点，使其广泛应用到干涉引力波探测器、原子物理学和时间测量标准等领域，并成为了主流的稳频方案。

PDH技术使用了常见的光学外差光谱和射频电子学技术，用标准具或法布里-珀罗F-P腔测量激光器的频率，并将测量结果反馈给激光器，来抑制激光器的频率偏差。其优点包括来自激光强度的频率测量的解耦，以及响应时间，这可能比腔的响应时间更快。

iXblue调制器实现PDH稳频技术

Choosing a good Phase Modulator for PDH

法国iXblue集团作为国际知名光通信设备生产商，有着30年多年的研发、生产经验，公司研发生产了多种规格的调制器，可完全适配到PDH技术的反馈装置之中。

下图为典型PDH系统图，当激光器的频率与F-P腔的FSR（整数倍）完全匹配时，入射到F-P腔后经历多次反射，利用谐振腔的共振频率作为频率参考标准进行鉴频，反射回PBS的光束相当于与谐振腔的参考频率建立起一定关系。同时，通过光外差光谱检测技术检测反射谱线（色散型谱线，该谱线反映了激光频率与光学共振频率之间的偏差)。之后，再经过混频器、低通滤波器等电子电路处理，便可获得激光频率相对于谐振腔共振频率的误差信号，最后通过反馈系统补偿激光，让频率稳定在误差信号的零点附近，从而实现激光频率的稳定。在反馈系统中，激光相位调制频率的选择直接影响了稳频系统的性能。当调制频率大小接近F-P腔线宽时，稳频系统具有最高的鉴频灵敏度，当调制频率高于F-P腔线宽时，在F-P腔共振频率附近出现很陡的线性鉴频区，依然具有较高的鉴频灵敏度，并且调制频率越高，系统捕获范围和锁定带宽越大，激光器的低频幅度噪声也可有效避免。

▲ PDH典型系统

考虑到当使用电光调制器来实现PDH技术时，在环境扰动期间，剩余幅度调制（RAM）总是引起错误信号的扭曲和意外的频率偏移，以及激光源的窄线宽和所需调制深度。iXblue公司专门研发了为PDH设计减小RAM和深调制深度的相位调制器，并为不同波长适配不同系列的调制器，如下图。

▲ iXbule LN-0.1相位调制器系列适配不同PDH波长

与市面上其它相位调制器相比，iXblue公司的LN-0.1系列调制器有以下诸多优点：

• 适配低频：直流耦合调制频率200 MHz
• 专用于给定的波长范围
• 极低的驱动电压Vπ
• 低插入损耗（LIL选项）
• 高输入阻抗来提高调制效率
• NIR系列高偏振消光比（PER）
• 低剩余幅度调制专利设计（EP3009879A1）

相位调制器在PDH技术中显著性能

Excellent Performance of Phase Modulator for PDH

热效应抑制

为光通信应用而设计和开发的普通高带宽行波电光调制器在射频线末端有负载电阻端，以减少电射频反射。当在低频率下工作时，这种高速相位调制器在射频微波线路中有过高的电流，这将通过焦耳效应来引起局部加热。当频率变得较低并且与热效应的时间常数相当时，热循环和散热就成了一个问题。因此，在加热和冷却过程中，电极、波导的物理特性会发生变化。

▲ 调制频率为50Hz时，强度的变化

上图中上方曲线为调制信号，下方曲线为光强信号。左图中调制器有电容电极，右图调制器卸载了电容电极。由此看出在调制频率均为50Hz时，由于右图拆载了电容电极，导致热减少，光强稳定。

为了减小上热对系统的影响，iXblue的LN-0.1系列相位调制器采用高输入阻抗负载（10kΩ)或开路式电极导线(1 MΩ)的设计抑制热效应。iXblue调制器应用到PDH时，通过相关实验证明其调制器可在一个大的温度范围内（-40℃到+85°C）保持性能稳定。

剩余幅度调制抑制

当使用电光调制器实现PDH技术时，在环境扰动期间，剩余幅度调制（RAM）总是引起错误信号的扭曲和意外的频率偏移。当系统的不稳定性逐渐降低到极低水平时，抑制或减轻RAM引起的频率不稳定性就变得非常重要。

如上图所示，在MPX-LN-0.1-1500的DC上加载电压时，RAM会随着在调制器上加载的一个直流电压的变化而降低，该电压会使铌酸锂波导有一个整体负折射率变化。当加载的DC电压为5-15V时，足以将RAM降低>10 dB。这使得iXblue的调制器在应用到PDH技术时，会显著提高激光器的频率稳定性。而且iXblue LN-0.1系列调制器内部嵌入高阻抗射频负载终端，不会被直流信号所损坏。