PDH（Pound-Drever-Hall）Feedback反饋(kuì)鎖(suǒ)定技術是(shì)經典的(dí)超窄(zhǎi)綫(xiàn)寬激光(guāng)反(fǎn)饋(kuì)穩定(dìng)技術，優(yōu)點是卓(zhuó)*的魯棒(bàng)性(xìng)和高信噪比(bǐ)，可將(jiāng)激光器穩(wěn)定至參考(kǎo)腔共振寬(kuān)度(dù)的10-5以下，有記錄的可(kě)將kHz綫(xiàn)寬級別的CW穩頻(pín)DFB激光(guāng)器進(jìn)一(yī)步(bù)穩(wěn)頻，實現mHz級超窄綫(xiàn)寬超穩激光(guāng)器。

PDH feedback反饋穩定(dìng)係(xì)統大致的(dí)架構(gòu)如下(xià)：

待進(jìn)一步(bù)穩(wěn)定的激光器(qì)，電光調製器EOM,光學參(cān)考腔Cavity，光電探(tàn)測器（PD），濾波器(qì)與射(shè)頻解調電子設備(大致(zhì)就(jiù)是我們(mén)常見(jiàn)的(dí)PID比例積分(fēn)反饋控製器(qì)）。

光學參(cān)考(kǎo)腔舉例：可利用超(chāo)低(dī)熱膨脹係數(shù)光學(xué)玻(bō)璃(lí)製(zhì)備(bèi)的F-B標(biāo)準具(jù)，那(nà)麼這(zhè)個F-B腔就具備(bèi)一個(gè)熱噪聲超(chāo)低的(dí)光(guāng)學諧振(zhèn)頻(pín)率(shuài)，上述PDH反饋機構就是(shì)將(jiāng)待進(jìn)一步穩定(dìng)的激光器(qì)漂移(yí)與F-B光(guāng)學(xué)諧(xié)振(zhèn)頻(pín)率(shuài)相比較(jiào)，檢測(cè)出的(dí)偏移量(liáng)利(lì)用PID反(fǎn)饋(kuì)控製器(qì)驅動改(gǎi)變DFB窄綫寬半(bàn)導(dǎo)體激光的(dí)電流（快速變(biàn)量(liáng)）和(hé)光(guāng)柵(zhà)驅動(dòng)器（慢速變量），最(zuì)終(zhōng)實現一個(gè)中心波(bō)長(cháng)超穩(wěn)定(dìng)，綫寬超(chāo)窄(zhǎi)（mHz級）的超(chāo)穩(wěn)頻激光輸出。

圖一.緊湊(còu)型的超(chāo)低熱膨脹係(xì)數FB光(guāng)學(xué)參考腔

如圖一舉(jǔ)例，對於緊湊型FB光學參考腔，穩頻(pín)能力(lì)可以超過(guò)50 dB；而較大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)參考(kǎo)腔(qiāng)穩(wěn)頻(pín)能(néng)力可(kě)超(chāo)過(guò)60dB；對於體(tǐ)積(jī)約1mL的(dí)微(wēi)型(xíng)FB腔，穩頻(pín)能(néng)力仍可超過(guò)40 dB；

這樣的PDH反(fǎn)饋(kuì)鎖定機構可做到(dào)將激光(guāng)器(qì)的(dí)光學相(xiāng)位噪聲鎖(suǒ)定到與(yǔ)光學(xué)參考(kǎo)腔的(dí)超低熱噪聲(shēng)同(tóng)一水平(píng)，由於光學(xué)參考腔(qiāng)的(dí)熱噪聲(shēng)方麵(miàn)可以非(fēi)常簡便的(dí)利用選(xuǎn)擇超低熱(rè)膨脹係數(shù)材料和環(huán)境溫度(dù)控製，做到(dào)極(jí)限(xiàn)級別的低(dī)噪聲和(hé)高魯棒性，那麼單(dān)頻(pín)激光(guāng)器(qì)也就(jiù)有望繼(jì)承極限(xiàn)級別的低(dī)噪聲和(hé)高(gāo)魯棒(bàng)性。

移植一(yī)下，這樣的(dí)超穩頻CW激光可以(yǐ)用(yòng)於(yú)超穩定光頻梳的鎖定，也同(tóng)時保(bǎo)證了(liǎo)光頻(pín)梳的低(dī)噪聲和高(gāo)魯棒(bàng)性。如圖(tú)二(èr)所(suǒ)示:

圖(tú)二：a. 鎖(suǒ)模(mó)飛秒(miǎo)激(jī)光，微諧(xié)振腔光梳(shū)，電光(guāng)調(tiáo)製(zhì)光梳，鎖(suǒ)模(mó)半導(dǎo)體激(jī)光(guāng)均(jūn)可(kě)利(lì)用(yòng)PDH鎖(suǒ)定(dìng)；b.  PDH反(fǎn)饋型光梳(shū)鎖定(dìng)； c. PDH前饋(kuì)型光梳鎖定(dìng)

如圖二(èr)a,幾乎所有架(jià)構的光頻梳(shū)均可以(yǐ)采(cǎi)用(yòng)利(lì)用PDH法鎖(suǒ)定(dìng)，如(rú)圖二b,PDH Feedback反饋架構(gòu)和傳(chuán)統(tǒng)f-2f自(zì)參考(kǎo)光(guāng)頻梳鎖定稍有(yǒu)不同(tóng)的(dí)是(shì)，PDH反饋(kuì)架構利(lì)用(yòng)兩台不同波(bō)長的超穩CW激(jī)光做(zuò)為(wéi)光學頻率基(jī)準鎖定光(guāng)頻梳(shū)，係統相對(duì)復雜一些(xiē)，但(dàn)可(kě)以獲得(dé)極限級別(bié)的(dí)低(dī)噪(zào)聲光(guāng)頻梳。兩(liǎng)種(zhǒng)方法均(jūn)具備較高魯棒性(xìng)。

PDH Feedback反(fǎn)饋鎖定(dìng)技術有一些(xiē)固有的(dí)缺(quē)點是對於(yú)>100KHz的(dí)高頻率噪(zào)聲抑(yì)製(zhì)能(néng)力(lì)不(bù)足，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，PDH Feedforward前饋鎖定(dìng)技術被引(yǐn)入（如圖二c)，實用(yòng)層麵來說，PDH前饋鎖定可以(yǐ)被(bèi)看作PDH閉環反(fǎn)饋與開環(huán)前(qián)饋的(dí)一個(gè)復合(hé)技(jì)術。

圖三(sān). PDH前(qián)饋(kuì)鎖定技術從低頻到高(gāo)頻均(jūn)抑製了(liǎo)光梳(shū)的相位(wèi)噪聲(shēng)（紅綫(xiàn)）

兩種利(lì)用(yòng)鎖定(dìng)光頻(pín)梳並輸出高穩(wěn)定微波(bō)信號(hào)的係(xì)統架構(gòu)

1.利(lì)用經典的f-2f自參考(kǎo)架構(gòu)方案(àn)鎖定(dìng)光(guāng)頻梳：我(wǒ)們知道，基於(yú)鎖(suǒ)模(mó)飛秒激(jī)光器架(jià)構(gòu)的(dí)光頻梳(shū)是現有技術(shù)裏麵*為(wéi)穩定(dìng)的且可輸(shū)出(chū)較高功率的方案(àn)。以(yǐ)瑞(ruì)士Menhir公司(sī)的(dí)鎖(suǒ)模(mó)光纖(xiān)飛(fēi)秒(miǎo)激(jī)光器為例，傳(chuán)統的高穩定度(dù)光頻梳可(kě)以(yǐ)利(lì)用f-2f自(zì)參(cān)考架(jià)構(gòu)通(tōng)過(guò)調節泵(bèng)浦二(èr)極(jí)管工作電(diàn)流(liú)鎖(suǒ)定fceo；獲(huò)得(dé)光頻梳(shū)包(bāo)絡相位偏(piān)置(zhì)的短時(shí)間穩定性;利用(yòng)增配(pèi)的快(kuài)速短(duǎn)行(háng)程PZT壓(yā)電陶(táo)瓷調(tiáo)節激(jī)光器(qì)腔(qiāng)長獲得frep的(dí)梳(shū)齒(chǐ)間(jiān)距(jù)長(cháng)時(shí)間穩(wěn)定(dìng)性(xìng)；以(yǐ)及增配的慢速(sù)長(cháng)行(háng)程PZT壓(yā)電陶瓷調節激光(guāng)器(qì)腔(qiāng)長獲(huò)得(dé)frep的梳齒(chǐ)間(jiān)距的(dí)一定範(fàn)圍(wéi)可(kě)調(tiáo)諧(xié)。最後通過(guò)外接頻率(shuài)基(jī)準源(yuán)（比(bǐ)如GPS馴(xùn)服的時(shí)鐘(zhōng)基準(zhǔn)或射(shè)頻發生(shēng)器(qì)）獲得長(cháng)時間(jiān)穩(wěn)定且(qiě)梳(shū)齒間距(jù)可(kě)調的光頻(pín)梳(shū)。

如(rú)客戶有(yǒu)興(xīng)趣(qù)自主搭(dā)建上述長時(shí)間穩(wěn)定(dìng)且(qiě)梳齒間距可(kě)調的光(guāng)頻梳，可(kě)與我司先鋒(fēng)科技聯係(xì)獲(huò)得相關(guān)配(pèi)件詳細資料(liào)與(yǔ)報價，包含且(qiě)不限(xiàn)於(yú)

而在架(jià)構(gòu)穩定(dìng)工作光(guāng)頻(pín)梳後(hòu)，利用(yòng)帶寬足(zú)夠高(gāo)的(dí)快速光電探測(cè)器(qì)將其(qí)激(jī)光重(zhòng)復頻率(shuài)分量轉(zhuǎn)化為(wéi)電信號引出來就(jiù)是(shì)個超(chāo)低(dī)相位(wèi)噪聲，超(chāo)低(dī)時間(jiān)抖動的微(wēi)波頻(pín)率(shuài)信(xìn)號。

2.另外(wài)一種(zhǒng)方(fāng)式就(jiù)是(shì)利用PDH Feedforward前(qián)饋(kuì)技術(shù)穩定(dìng)光頻梳(shū)後輸出超(chāo)穩微(wēi)波信(xìn)號。對(duì)此(cǐ)我們引用(yòng)美國NIST最(zuì)近(jìn)的一篇文(wén)章：《Ultralow noise microwaves with free-running frequency combs and electrical feedforward》

圖四(sì).PDH前(qián)饋(kuì)法鎖(suǒ)定(dìng)光頻梳

方案的(dí)簡述是利(lì)用PDH前饋(kuì)方(fāng)法(fǎ)將(jiāng)光頻梳鎖定到(dào)雙(shuāng)超窄(zhǎi)綫(xiàn)超穩CW激(jī)光上(shàng)，一(yī)共(gòng)演(yǎn)示(shì)了兩種方案(àn)：

方案一：基於(yú)瑞士Menhir公司(sī)新品(pǐn)10GHz重頻(pín)，30mW@1555nm光纖飛秒激光器(qì)

方(fāng)案(àn)二(èr)：基於(yú)自製的(dí)20GHz，100uW微(wēi)諧(xié)振腔光梳

圖五(wǔ).瑞(ruì)士Menhir公(gōng)司(sī)10GHz, 30mW@1555nm鎖模光纖(xiān)飛秒激光(guāng)器

基(jī)於上述架構(gòu)，分(fēn)別(bié)測(cè)試了方(fāng)案(àn)一：10GHz, 和(hé)方案二(èr)：20GHz的光(guāng)頻(pín)梳(shū)。以連(lián)續工作(zuò)的角度考(kǎo)量，以上(shàng)基於(yú)Menhir 10GHz光纖飛(fēi)秒(miǎo)激光器(qì)的方案(àn)一可不停歇(xiē)生成(chéng)超低(dī)噪(zào)聲微(wēi)波(bō)，從未(wèi)解鎖(suǒ)；NIST作者(zhě)認為(wéi)其低噪聲(shēng)連續運(yùn)行時間大(dà)致(zhì)可(kě)預計是(shì)無限長；基(jī)於自(zì)製20GHz微諧(xié)振腔光梳的方(fāng)案(àn)可(kě)連續(xù)工作(zuò)數日，魯棒性稍差(chà)一點點。從(cóng)噪聲(shēng)水平來看：

圖六.左(zuǒ)：基(jī)於Menhir-10GHz飛(fēi)秒激光(guāng)方案的(dí)噪(zào)聲(shēng)譜；右(yòu)：基(jī)於(yú)微腔(qiāng)光(guāng)梳方(fāng)案的(dí)噪(zào)聲(shēng)譜

觀察圖六(liù)左(zuǒ)，基於Menhir-10GHz商用(yòng)鎖模(mó)光纖飛秒激光(guāng)器的方(fāng)案，其(qí)自由運行狀(zhuàng)態的本征噪(zào)音經過PDH feedforward前饋降噪後(hòu)，噪(zào)音基綫降(jiàng)低到(dào)-159 dBc/Hz 非常出色(sè)的水(shuǐ)平；在100 Hz偏移頻(pín)率下(xià)，前饋(kuì)校正使相(xiāng)位噪聲降低約60 dB，已降(jiàng)至腔(qiāng)體穩(wěn)定連續(xù)波激光(guāng)器非共模噪聲的限(xiàn)製閾值。相(xiāng)位噪聲(shēng)底(dǐ)限在(zài)30 kHz偏(piān)移(yí)頻(pín)率時(shí)達到(dào)-155 dBc/Hz，並(bìng)在1 MHz測量(liáng)範(fàn)圍(wéi)上限持續保持在-150 dBc/Hz以下。另(lìng)外NIST作(zuò)者還(huán)提及使用(yòng)本實驗(yàn)中的(dí)鎖(suǒ)模激光器時，拍頻(pín)漂移(yí)量每(měi)周(zhōu)不(bù)足1 GHz，而(ér)帶通(tōng)範圍(wéi)接近5 GHz（重復頻(pín)率的(dí)一(yī)半(bàn)）。這種(zhǒng)魯棒性(xìng)使NIST已實(shí)踐過超過(guò)90小時(shí)的連續(xù)實施(shī)相(xiāng)位(wèi)噪(zào)聲(shēng)測(cè)量(liáng)，全程(chéng)無需(xū)人(rén)工(gōng)幹預。

觀察(chá)圖六右：為便於(yú)與Menhir鎖模激光器(qì)結果及(jí)文獻其(qí)他數(shù)據對比(bǐ)，NIST在後(hòu)處理中將(jiāng)相位(wèi)噪聲水平也(yě)標(biāo)定(dìng)至(zhì)10 GHz載(zǎi)波。在10 GHz載(zǎi)波下，10 kHz偏移(yí)處(chǔ)的相位噪(zào)聲底(dǐ)限(xiàn)為(wéi)-145 dBc/Hz，並在30 kHz至1 MHz範圍(wéi)內(nèi)保(bǎo)持(chí)平坦的(dí)-146 dBc/Hz；可見自製(zhì)微(wēi)腔(qiāng)光梳方(fāng)案的噪聲水平比Menhir鎖(suǒ)模激(jī)光器(qì)稍(shāo)差，但也被(bèi)認為(wéi)足(zú)夠(gòu)出色(sè)；大致(zhì)原因(yīn)可(kě)以認為是自(zì)由運行下的(dí)20GHz自製微腔光(guāng)頻梳(shū)的本(běn)征噪聲(shēng)譜稍(shāo)差於鎖模(mó)激光器方(fāng)案(àn)，但也可以良好適應低噪聲微(wēi)波發生的(dí)需要了。NIST文(wén)獻(xiàn)中提(tí)及(jí)基於(yú)自(zì)製微(wēi)腔光頻(pín)梳(shū)的(dí)方(fāng)案可(kě)做(zuò)到無幹(gān)預連續運行幾(jī)小時(shí)，且(qiě)停(tíng)機一周後(hòu)重新啟(qǐ)動(dòng)仍可方便的(dí)與(yǔ)超(chāo)穩CW激光拍頻(pín)，說明(míng)方案(àn)二(èr)的(dí)魯棒(bàng)性(xìng)也大致滿(mǎn)足(zú)實用的(dí)需要。

所(suǒ)以簡(jiǎn)單分(fēn)析(xī)一(yī)下，方(fāng)案一基(jī)於Menhir商用鎖模(mó)光纖飛(fēi)秒(miǎo)激光器的方(fāng)案噪聲水(shuǐ)平低，連(lián)續無人(rén)工幹預(yù)工作(zuò)時間長(cháng)，缺(quē)點是(shì)鎖模(mó)激(jī)光(guāng)器(qì)重頻(pín)隻提供到10GHz（從原理來(lái)看(kàn)提(tí)升商用鎖模(mó)光(guāng)纖(xiān)飛秒激(jī)光器(qì)的重(zhòng)復頻率就(jiù)是減小其(qí)諧(xié)振腔(qiāng)腔(qiāng)長，顯然是不可能無限減小(xiǎo)的，所(suǒ)以(yǐ)現在Menhir商(shāng)品化的(dí)光纖鎖(suǒ)模飛秒(miǎo)激光(guāng)器上(shàng)限(xiàn)在10GHz）。

方案(àn)二(èr)自(zì)製微(wēi)腔光(guāng)梳(shū)方案噪聲(shēng)水平稍高，連(lián)續無(wú)人工幹預工作時間長(cháng)稍短(duǎn)，但也大(dà)致滿足(zú)實(shí)用(yòng)的(dí)需(xū)要(yào)。優(yōu)點(diǎn)是(shì)20GHz本(běn)征重頻(pín)僅僅(jǐn)是常規水平，可以(yǐ)方(fāng)便的提升(shēng)重頻，而(ér)且此方(fāng)案做(zuò)光(guāng)電(diàn)子集成，減小體積(jī)與能(néng)耗(hào)的(dí)空間相(xiāng)對寬廣(guǎng)。

針對以上(shàng)兩(liǎng)種方(fāng)案，如(rú)客(kè)戶有興趣(qù)自主(zhǔ)搭(dā)建(jiàn)，可與我(wǒ)司先鋒(fēng)科技聯係(xì)獲得相關(guān)配件詳細資料與報價(jià)，包含且不(bù)限(xiàn)於