PDH稳频相位调制器

PDH稳频相位调制器   

PDH稳频技术

姓名：吴工 (Sam)

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在许多应用中，人们需要抑制激光器噪声和稳定其工作波长，众所周知的应用包括引力波探测（参见2017年诺贝尔物理学奖LIGO项目），以及原子物理、光学频率梳和量子计算中的量子态光谱探测。常见的主动激光稳频技术之一是Pound-Drever-Hall技术，该技术将激光的发射频率锁定在稳定、高精细度的谐振腔中。这项技术以Robert Pound, Ronald Drever and John L.Hall而命名。PDH技术早在1983年的《Applied Physics B》杂志上发表，“Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator”。根据路透社2017年的报道，这篇论文被引用了2000多次。

“PDH方案具有难以置信的可靠性，真正成为了主流的锁定机制。今天，这么多年过去了，我们仍在用它来尝试制造线宽为几mHz的超稳定激光器”。Jun Ye博士，NIST。

“PDH技术是一种非常智慧和可靠的方法，以非常干净的方式获得Error误差信号。还有其他一些各具特色的技术，但老实说，PDH技术绝对是迄今为止zui可靠的”。Pr Sylvain Gigan, Laboratoire Kastler Brossel.

PDH技术使用常见的光学外差光谱和射频电子学方法，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，以抑制激光器的频率偏差。其优点包括响应时间可能比腔的响应时间更快。

选择适合的调制器给PDH应用

下图给出了PDH设置的示例。当激光器的频率与腔的FSR（整数倍）完全匹配时，反射光和漏光具有相同的振幅，并且相位差180°。因此两束光相互干扰，反射光消失。

考虑到感兴趣的激光源的窄线宽和所需的调制深度，iXblue开发了一系列用于实现PDH技术的优化型相位调制器。

与任何其他相位调制器相比，我们可以区分LN-0.1系列的优点：

l  适应低频：直流耦合至200 MHz调制频率

l  专用于给定的波长范围。

l  极低的驱动电压Vπ.

l  低插入损耗（LIL选项）。

l  高输入阻抗，提高调制效率。

l  NIR版本的高偏振消光比（PER）。

l  低剩余幅度调制（Residual Amplitude Modulation-RAM）专利设计（EP3009879A1）

低频相位调制器的现实优势

为光通信应用而设计和开发的普通高速(GHz)电光调制器在射频线的末端具有50欧姆负载电阻终端，以减少射频电反射。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，这导致焦耳效应的局部加热。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。

iXblue的LN-0.1相位调制器采用高输入阻抗负载（10kΩ)抑制热效应或电极线开路(1 MΩ)的设计，PDH测试能证明这种调制器可在温度变化时，性能稳定在一个大的温度范围内（-40℃到+85°C）

左图： 50Hz信号时明显有热效应，上面曲线为射频电信号，下面为光信号。

右图： 50KHz信号时无热效应，上面曲线为射频电信号，下面为光信号。

当用电光调制器实现PDH技术时，在环境扰动期间引起误差信号的畸变和非预期的频率偏移时RAM总会出现的。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越来越重要。iXblue为PDH设计并优化了专用于减小RAM的低频相位调制器。RAM可以通过在调制器注入一个直流电压而降低，该电压对应于铌酸锂波导一个整体的负折射率变化。一个5-15V直流电压足以将RAM降低>10 dB。LN-0.1系列内部嵌入高阻抗射频负载终端，不会被直流信号所损坏。

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