안정성은 민감한 측정 시스템에 필수적입니다. 안정성은 이러한 시스템의 정밀도와 정확성을 결정하는 핵심 매개변수입니다. 전압계의 전압 기준과 마찬가지로 레이저의 주파수와 위상은 안정적인 소스에 참조되어야 합니다. 이 기술 노트에서는 광학 시스템의 오프셋 위상 잠금을 한 광학 시스템의 안정성을 다른 광학 시스템으로 전송하는 방법으로 살펴봅니다. 정밀도로 위상을 측정하는 방법에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하세요. 위상 검출 전자책.
개요
광학 위상 잠금 한 레이저 빔의 주파수 및 위상 특성을 다른 레이저 빔으로 전달하는 일반적인 기술입니다. 이는 일반적으로 헤테로다인 계측, 자유 공간 광통신 및 분광학 응용 분야에 사용됩니다. 이 기술 노트에서는 디지털 신호를 사용한 오프셋 위상 잠금 구현에 대해 설명합니다. 위상계 두 레이저의 위상 고정 안정성을 특성화합니다.
광학 오프셋 위상 고정(요약)
간단히 말해, 오프셋 위상 잠금은 두 레이저 사이의 위상차를 안정화합니다. 이는 먼저 레이저의 위상차를 측정하고, 그 후 피드백을 통해 한 레이저의 주파수를 수정하여 위상차를 안정화하는 방식으로 이루어집니다. 두 레이저 사이의 위상차 측정은 두 레이저의 출력을 결합하는 비교적 간단한 과정입니다. 빔스플리터 (또는 이와 유사한) 두 개의 레이저 빔을 합성하여 광검출기에 조사합니다. 그 결과는 혼합 과정과 유사하며, 두 레이저의 주파수 차이에 해당하는 진동 신호를 생성합니다. 이를 비트 신호라고 합니다. 광검출기에서의 출력은 다음 방정식으로 나타낼 수 있습니다.
(01)
PPD EPD 검출기에서의 전력과 전기장입니다. E1 E2 는 각 레이저 출력의 필드이며 다음과 같이 주어진다:
(02)
(03)
여기서 ω1 그리고 Ω2 주파수를 나타내고, ϕ1 그리고 ϕ2 각 레이저의 위상을 나타낸다. 식 (2)와 식 (3)을 식 (1)에 대입하면 다음과 같다.
(04)
고차항은 일반적으로 광검출기의 대역폭 밖에 있다는 점에 유의하십시오. 비트 신호에 레이저의 위상 정보가 포함되어 있지만, 이 정보는 신호의 인수에 포함되어 있어 피드백 시스템에서 그대로 사용하기에는 상대적으로 어렵다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 비트 신호에서 위상을 추출하기 위해 위상 검출기를 사용합니다. 간단한 위상 검출기는 믹서와 저역 통과 필터를 통해 정보를 기저대역으로 변환하여 피드백 시스템에서 사용할 수 있도록 구성됩니다. 기저대역으로 변환된 위상 신호는 두 레이저 간의 차이를 제거하기 위해 하나의 레이저로 피드백될 수 있습니다. 전체 구성은 아래 그림 1에 요약되어 있습니다.
그림 1: 일반적인 오프셋 레이저 진동수 고정 시스템의 개략도.
위상 고정 루프(PLL) – 다른 유형의 위상 검출기
대부분의 오프셋 위상 잠금 시스템에는 믹서와 저역 통과 필터가 적합하지만 제한이 없는 것은 아닙니다. 우선, 믹서-필터 조합의 범위는 ±π/2로 제한되며 시스템의 위상 출력은 XNUMX에 매우 가까울 때만 선형입니다. 이러한 범위 및 선형성 문제로 인해 변동이 큰 시스템을 처리하기가 어려워지는 경우가 많습니다. 추가 사용 위상 동기 루프 표준 믹서 필터 대신 위상 검출을 위해 PLL(위상 지연 회로)을 사용하면 이러한 상황에서 도움이 될 수 있습니다. PLL은 두 발진기 간의 안정적인 주파수 및 위상 관계를 설정하는 데 사용되는 기술입니다. 현대 전자 장치, 집적 회로 및 기타 여러 분야에서 널리 사용됩니다. PLL은 위상 검출기, 루프 필터 및 제어/튜닝 가능한 발진기의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 위상 검출기는 두 신호 간의 위상 차이에 (거의) 비례하는 DC 성분을 포함하는 신호를 생성합니다. 이 신호는 루프 필터(저역 통과 및/또는 PID 필터)를 거쳐 위상 검출기에서 고조파를 제거합니다. 필터링된 오차 신호는 발진기로 전송되고, 발진기의 출력 주파수는 입력 DC 전압에 의해 제어됩니다. 이러한 폐루프를 구성하고 루프 필터를 튜닝함으로써 두 발진기 간의 안정적인 위상 관계를 얻을 수 있습니다.
그림 2: 일반적인 PLL의 제품 구성도.
PLL은 초기 고정 획득, 비선형 효과(예: 사이클 미끄러짐) 제거를 지원하고 보다 강력하게 고정할 수 있습니다.
Moku:Pro를 사용한 오프셋 위상 고정
우리는 시연했습니다 모쿠: 프로 두 개의 비평면 링 발진기(NPRO) 레이저를 사용하는 위상계 오프셋 위상 잠금 아키텍처. 마스터 및 슬레이브 레이저의 빔은 빔 스플리터에 의해 결합되었으며 그림 3과 같이 포토다이오드에서 간섭되었습니다. 비트 노트는 Moku: Pro의 입력 1에 연결되었습니다. 그런 다음 피드백 신호는 다음 레이저의 주파수 컨트롤러에 연결되었습니다. .
그림 3: 레이저 진동수 오프셋 고정을 위한 기기 설정.
위상 고정 설정하기
위상 고정을 구현하기 전에 시스템을 작동 범위에 맞춰 조정해야 합니다. 위상 고정을 위해 열 액추에이터를 사용하여 레이저를 대략적으로 조정하여 Moku: Pro 입력의 600MHz 대역폭 내에서 비트 노트를 생성했습니다. 범위에 도달하면 자동 획득 기능을 사용하거나 주파수를 수동으로 설정하여 위상계가 비트 노트를 추적하도록 설정할 수 있습니다. 위상계에 대한 자세한 내용은 다음에서 확인할 수 있습니다. 위상계 사용 설명서출력 신호를 위상 제어 방식으로 설정하고 전압 스케일링(일반적인 제어 루프에서는 게인으로 간주)을 선택합니다. 일반적으로 작은 게인으로 시작하여 점차 게인을 높여 시스템을 최적화할 수 있습니다.
그림 4: 제어 루프 초기 게인은 '스케일링'을 통해 '출력' 창에서 설정할 수 있습니다.
수동 작동에서는 초기 진동수를 사용하여 오프셋 위상 고정의 진동수를 원하는 진동수로 조정할 수 있습니다.
그림 5: 오프셋 주파수는 "채널" 창 아래의 "주파수"를 통해 조정할 수 있습니다.
고정 퍼포먼스
위상 잠금 성능은 다음에서 실행되는 별도의 위상계를 사용하여 측정되었습니다. Moku:Lab. 그림 6은 60초 측정에 따른 고정 및 자유 구동 주파수(a)와 위상(b)을 보여줍니다. 두 레이저 사이의 위상 및 주파수 변동이 모두 크게 감소한 것을 분명히 볼 수 있습니다.
그림 6: 고정 상태, 비고정 상태의 오프셋 비트 음표의 진동수(a) 및 위상(b)
주파수의 진폭 스펙트럼 밀도를 취하면 안정성이 4개 이상 향상된 것으로 측정되었으며, 상대 주파수 안정성은 1Hz까지 측정되어 0.1Hz/√Hz였습니다.
그림 7: 고정이 작동하기 전후의 오프셋 비트 노트의 파워 스펙트럼 밀도.
맺음말
레이저 오프셋 잠금은 마스터 레이저와 슬레이브 레이저 간의 주파수 차이를 유지합니다. 이러한 시스템에서 위상 오차 신호의 동적 범위는 일반적으로 2π를 초과하며, 이 경우 믹서형 위상 검출기는 신호를 지속적으로 추적하지 못할 수 있습니다. Moku:Pro의 위상계는 자동 위상 풀기 기능을 갖춘 82개의 독립적인 PLL 위상 검출기를 구현합니다. 1MHz 오프셋을 갖는 두 레이저 간의 안정적인 잠금이 시연되었으며, 10Hz에서 XNUMXHz/√Hz보다 우수한 주파수 안정도를 보였습니다.
인정:
실험의 세부 사항, Moku:Pro 사용에 대한 설명 및 피드백을 제공해 주신 The Australian National University에 감사드립니다. ANU의 실험은 ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery의 지원을 받았습니다.
참고자료
[1] Schünemann, U., H. Engler, R. Grimm, M. Weidemüller 및 M. Zielonkowski. "두 레이저의 조정 가능한 주파수 오프셋 잠금을 위한 간단한 방식." 과학 기기 검토 [2] Bell, SC, DM Heywood, JD White, JD Close, 및 RE Scholten. “전자기 유도 투명성을 이용한 레이저 주파수 오프셋 잠금.” Applied physics letters 90, no. 17 (2007): 171120. [3] Thorpe, James I., K. Numata, 및 J. Livas. “광학 공동에 대한 오프셋 측파대 잠금을 통한 레이저 주파수 안정화 및 제어.” 옵틱스 익스프레스 16, 20호(2008): 15980-15990. [4] Hsieh, Guan-Chyun 및 James C. Hung. "위상 고정 루프 기술. 개요." 산업 전자공학에 관한 IEEE 논문집 43, 아니. 6 (1996) : 609-615.
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