이 애플리케이션 노트에서는 고객 중 한 명이 여러 정교한 전자 장치를 Moku:Lab으로 교체하고 Pound-Drever-Hall(PDH) 기술을 사용하여 Innolight Prometheus 레이저를 캐비티에 고정한 실제 사례를 다룹니다.
PDH 기술 소개
PDH(Pound-Drever-Hall) 기술은 1983년 RV Pound, Ronald Drever 및 John L. Hall에 의해 처음 소개되었습니다.1PDH(파브리-페로 공진기) 잠금은 레이저의 방출 광 주파수를 파브리-페로 공진기에 맞추는 데 널리 사용되는 방법입니다. 레이저 광이 공진기에 입사되면 반사, 투과 또는 흡수됩니다. 공진기의 길이가 레이저 파장의 정확한 반파장 수에 가까울수록 레이저 에너지의 투과율이 높아집니다. 그러나 레이저 주파수와 공진기 길이는 주변 온도, 주입 전류, 양자 요동 등 다양한 요인에 따라 지속적으로 변합니다. PDH 잠금은 공진기에서 반사된 빛을 이용하여 오차 신호를 생성하고, 이 신호를 이용해 공진기 길이 또는 레이저 주파수를 미세하게 조정하여 두 값을 일치시키고 투과율을 최대화합니다. PDH(PhotoDetector Locking) 기법은 광검출기를 사용하여 반사된 빛을 포착합니다. 이 빛은 전기광학 변조기(EOM)에 의해 변조되고, 이 신호는 국부 발진기의 신호와 혼합된 후 저역 통과 필터를 통과합니다. 저역 통과 필터는 시스템이 공진에서 얼마나 떨어져 있는지뿐만 아니라 공진을 복원하기 위해 어느 방향으로 조정해야 하는지를 명확하게 나타내는 신호 성분을 분리합니다. 그런 다음 판독된 신호는 비례-적분-미분(PID) 제어기로 보내져 오차 신호를 생성합니다. PDH 기법의 이론에 대한 자세한 내용은 몇몇 리뷰 논문과 학위 논문에서 찾아볼 수 있습니다. PDH 잠금을 수행하려면 신호 발생기, 믹서, 저역 통과 필터 등 여러 개의 전용 맞춤형 전자 장비가 필요합니다. Moku:Lab Laser Lock Box는 대부분의 PDH 전자 장치를 고정밀 레이저 주파수 잠금을 제공하는 사용하기 쉬운 단일 기기에 통합합니다.실험 설정
더 모쿠:랩 레이저 락 박스 PDH 기술에 사용되는 파형 발생기, 믹서, 저역 통과 필터 및 계단식 PID 컨트롤러 2개가 통합되어 있습니다. 레이저 캐비티의 길이를 조정하면 반사광의 진폭을 모니터링하고 PDH 신호를 실시간으로 화면에 표시할 수 있습니다. 사용자는 한 번의 탭으로 레이저를 제로 교차점에 고정할 수 있습니다.
그림 1 : Moku:Lab Laser Lock Box의 기본 사용자 인터페이스
예제 설정에서는 Prometheus 레이저(Innolight, 20NE)가 전기 광학 변조기(EOM, iXBlue, NIR-MPX-LN-0.1)을 168kHz 선폭의 1.78중 거울 진행파 공동(190mm, 즉 XNUMXGHz의 FSR)으로 재전송했습니다. 반사광은 입력 커플러의 순간 반사를 통해 포착되었습니다. 두 개의 광전 다이오드(PD, Thorlabs, PDA05CF2)를 배치하여 공동에서 투과 및 반사되는 빛을 감지했습니다. PD에서 감지된 신호는 Moku:Lab 입력 1(믹서 입력, AC 결합 @ 50Ω)과 2(모니터, DC 결합 @ 50Ω)로 입력되었습니다. Moku Laser Lock Box 파형 발생기를 사용하여 500MHz에서 3.0mVpp의 국부 발진기(LO) 신호를 생성했습니다. 이 LO는 Moku 출력 2에서 바이어스된 Tee(Minicircuits, ZFBT-6G+LO 파형의 디지털 복사본을 사용하여 디지털 믹서와 300.0kHz 차단 주파수를 갖는 디지털 4차 버터워스 저역 통과 필터를 통해 광학 공진기에서 반사된 응답을 복조했습니다. 믹서에서의 LO 위상 편이는 레이저 주파수를 공진기 공진 주파수 범위 내에서 스캔하고 오차 신호의 피크 대 피크 전압(기울기)이 최대가 될 때까지 위상 지연을 조정하여 조정했습니다. 고속 PID 컨트롤러는 적분기 단위 이득 주파수(0dB 지점)가 5.8kHz이고 초기 적분기 포화 코너가 100Hz로 설정되었습니다. 고속 PID의 출력 1은 레이저 주파수를 구동하기 위해 레이저의 피에조 소자에 직접 연결되었습니다. 스캔 모드에서는 이 출력에서 램프 신호를 생성하여 공진기 공진을 찾았습니다. 저속 PID 컨트롤러는 비례 이득이 -32.2dB이고 적분기 교차 주파수가 200mHz로 설정되었습니다. 이 저주파 PID 컨트롤러 출력은 출력 2의 바이어스 티(Bias-Tee)를 사용하여 분리한 후 레이저의 온도 제어 BNC 단자로 보냈습니다. 20dB 감쇠(Minicircuits, HAT-20+)도 이 레이저 온도 액추에이터에 인라인으로 배치되어 감도를 줄였습니다.
그림 2 : Moku:Lab을 사용한 PDH 기술의 실험 설정
Moku:Lab을 사용하여 PDH 기술 레이저 주파수 잠금을 사용합니다.
PDH 잠금을 활성화하기 위해, 레이저 잠금 모드에서 램프 스캔을 통해 PDH 판독 신호를 먼저 생성했습니다. 느린 온도 오프셋을 조정하여 공동 공진이 스캐닝 범위의 중간에 가까워지도록 했습니다. 그런 다음, 한 번의 탭으로 중간의 영점 교차점을 잠금 지점으로 선택했습니다. 이를 통해 고속 PID 컨트롤러가 활성화되고 레이저 주파수가 공동에 잠금되었습니다. 그런 다음 적분기 포화를 해제하여 레이저 주파수를 공동의 DC 주파수로 맞췄습니다. 그런 다음 느린 컨트롤러가 활성화되어 0.1Hz 미만의 주파수에서 레이저의 압전 변환기(PZT)에서 제어 작업을 오프로드하고, 실내/실험실 조건의 광범위한 변화에도 레이저가 잠금 상태를 유지하도록 했습니다.
그림 3 : PDH 오류 신호 플롯의 예 및 제로 교차점을 잠그는 탭
그림 4 : 느린(온도) PID 컨트롤러의 구성 예