實(shí)驗(yàn)名稱：光纖環(huán)形諧振腔的PDH鎖定系統(tǒng)研究

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、電光相位調(diào)制器、模擬PID控制器、壓電陶瓷等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：(a)光纖環(huán)形諧振腔的實(shí)驗(yàn)裝置圖。(b)光纖拉伸支架：PZT：壓電陶瓷。壓電陶瓷置于狹縫中點(diǎn)，利用紫外膠將光纖固定在U型支架兩臂末端

基于以上穩(wěn)定的光纖環(huán)形諧振腔，我們結(jié)合PDH反饋鎖定技術(shù)對(duì)其諧振頻率實(shí)現(xiàn)了鎖定。光纖環(huán)形諧振腔的共振頻率通過(guò)控制光纖長(zhǎng)度來(lái)控制。腔長(zhǎng)控制裝置已在圖1(b)中介紹。光纖環(huán)形諧振腔鎖定裝置的示意圖如圖2所示。電光調(diào)制器在自由空間對(duì)激光進(jìn)行相位調(diào)制后耦合進(jìn)入光纖環(huán)形諧振腔。光纖環(huán)形諧振腔輸出激光由光纖分束器分束后分別輸出至交流探測(cè)器1和直流探測(cè)器2用于產(chǎn)生PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)所需的誤差信號(hào)和監(jiān)測(cè)其反射譜。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生EOM調(diào)制信號(hào)，利用功分器將其分為兩路分別輸入至EOM和相位延遲器對(duì)激光進(jìn)行相位調(diào)制和延遲解調(diào)信號(hào)所需的相位。經(jīng)延遲相位后的信號(hào)與交流探測(cè)器1測(cè)到的腔反射信號(hào)接入混頻器進(jìn)行混頻以及先后經(jīng)過(guò)低通濾波、PID控制器和高壓放大器后反饋到如圖1(b)所示的用于腔長(zhǎng)控制的壓電陶瓷上，對(duì)光纖環(huán)形諧振腔腔長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)FRR共振頻率的鎖定。我們利用示波器同時(shí)監(jiān)測(cè)PZT的驅(qū)動(dòng)電壓、誤差信號(hào)及FRR的反射譜。

圖2：PDH鎖定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。EOM：電光相位調(diào)制器，HVAmplifiers：高壓放大器，PZT：壓電陶瓷，PID：模擬PID控制器。圖中實(shí)線為光路，虛線為電路。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖3：(a)相位調(diào)制功率為12dBm的鎖定結(jié)果：青色實(shí)線為光纖環(huán)形諧振腔的反射信號(hào)直接輸出反射譜，黑色曲線為經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后的反射譜，紅色曲線為鑒頻曲線，藍(lán)色曲線為進(jìn)行鎖定后的反射信號(hào)；(b)相位調(diào)制功率為-9dBm的鎖定結(jié)果：黑色曲線為光纖環(huán)形諧振腔的反射信號(hào)直接輸出反射譜，紅色曲線為鑒頻曲線，藍(lán)色曲線為進(jìn)行鎖定后的反射信號(hào)。

光纖環(huán)形諧振腔反射光譜經(jīng)掃描壓電陶瓷長(zhǎng)度獲得。圖3(a)、(b)所示分別為EOM調(diào)制信號(hào)功率為12dBm和-9dBm時(shí)的反射譜。圖3(a)中，青色曲線和黑色曲線分別是光纖環(huán)形諧振腔的反射信號(hào)直接輸出和通過(guò)濾波器后的反射譜。電光調(diào)制器在光路中對(duì)激光光束進(jìn)行了相位調(diào)制產(chǎn)生了兩個(gè)邊帶，由于光纖諧振腔對(duì)相位的敏感性，使得諧振腔共振的主頻和邊帶之間的干涉并引起其反射信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)制。紅色曲線為鎖定系統(tǒng)的鑒頻信號(hào)，藍(lán)色曲線為光纖環(huán)形諧振腔鎖定后的反射信號(hào)。圖3(b)中，黑色曲線為光纖環(huán)形諧振腔輸出信號(hào)通過(guò)低通濾波器后的反射譜，紅色曲線為鎖定系統(tǒng)的鑒頻信號(hào)，藍(lán)色曲線為光纖環(huán)形諧振腔鎖定后的反射信號(hào)。

由圖3(a)我們可以看出，光纖環(huán)形諧振腔直接輸出的反射信號(hào)攜帶了與電光調(diào)制器調(diào)制信號(hào)同樣頻率的調(diào)制，這對(duì)其后續(xù)的應(yīng)用是極為不利的。因此我們對(duì)光纖環(huán)形諧振腔鎖定后的反射信號(hào)進(jìn)行了頻率分析，其測(cè)量結(jié)果如圖3(a)所示。在腔反射信號(hào)與相位調(diào)制信號(hào)頻率相等頻率處存在一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)降低相位調(diào)制信號(hào)的功率以減小此調(diào)制信號(hào)對(duì)腔反射信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制的影響。圖3(a)中紅色、藍(lán)色、黑色和紫色曲線分別為相位調(diào)制信號(hào)功率為-9dBm、24dBm時(shí)腔反射信號(hào)的頻譜、頻譜分析儀本底噪聲和探測(cè)器的電子學(xué)噪聲。