实验名称：基于光纤干涉仪的低频段频率噪声抑制研究

　　实验内容：光纤干涉仪作为一种可以精细鉴别激光相位的结构装置，被广泛地应用于激光相位噪声的测试测量工作。运用逆向思维，利用光纤干涉仪输出的携带激光相位信息的光强信号，经过特定设计的信号处理模块，将反馈信号加载在激光器的调频端口上，即可锁定输出激光的频率，从而有效降低频率噪声。本节采用自主研制的带有压电陶瓷（PZT）的单频光纤激光器，结合非平衡光纤干涉仪的鉴频机制，从而实现输出激光低频段的频率噪声有效抑制。

　　测试设备：电压放大器、光纤干涉仪、示波器、信号发生器、光电探测器、PZT等。

　　图1：基于非平衡光纤干涉仪的低频频率噪声抑制实验装置图

　　实验过程：

　　选定延迟光纤的长度为500m，对应的干涉仪臂差即为1km。从光纤干涉仪的增益传递函数来看，1km臂差对应的3dB控制带宽为120kHz。然而从相位传递函数可以发现，大于20kHz的频段出现了快速的相位变化，预计给闭环控制将带来一定难度，因此重点考察20kHz以内的频率噪声抑制结果。

　　为了减小外界环境的机械振动和气流扰动影响，整个光纤干涉仪安置于铺垫有隔振海绵的有机玻璃密封盒中。光纤干涉仪的两束返回光在50:50Coupler处发生干涉，然后输入到带宽为17MHz的低噪声光电探测器（PD）中。随后，转变产生的电信号经3dB带宽为100kHz的低通滤波器（LPF）过滤高频杂散噪声，获得频率变化误差信号。比例积分微分（PID）模块处理频率误差信号后，得到的反馈信号幅度较小，此电压范围为0~5V。为了实现良好的频率控制效果，引入了电压放大器（HV），从而提升加载到PZT上的反馈信号电压幅度范围至0~50V，有利于提高反馈控制能力，获得长期稳定的频率噪声抑制效果。

　　实验过程中，LD的泵浦电流设定为250mA，从70%端口输出的功率为10.5mW，进入光纤干涉仪的功率约为4mW，进入PD的功率约为1mW。

　　实验结果：

　　在进行频率噪声抑制实验之前，先对这个1550nm激光器的频率稳定性和PZT调谐性能进行了测试。利用扫描F-P腔结合示波器型采集卡（型号：PXI-5122，带宽为100M，采集位数14bit）对激光单个纵模信号进行实时采集，具体结果如图2（a）所示。在24h的连续测试过程中，输出激光中心频率的漂移量为419.63MHz，等效波长变化量为3.36pm。

　　图2：（a）频率稳定性测试结果；（b）激光波长调制变化与加载在PZT上电压的关系

　　图2（b）展示了激光波长调制变化与加载在PZT上的电压关系，通过信号发生器结合电压放大器对PZT施加调制信号，在0~48V的调制电压变化范围内，激光的中心波长从1550.0834nm变化至1550.0907nm，变化幅度为7.3pm。

　　电压放大器推荐：ATA-2022B高压放大器

　　图：ATA-2022B高压放大器指标参数

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