PDH（Pound-Drever-Hall）feedback反(fǎn)饋與(yǔ)feedforward前饋(kuì)鎖(suǒ)定(dìng)技術

PDH（Pound-Drever-Hall）Feedback反(fǎn)饋鎖定(dìng)技術是(shì)經典(diǎn)的(dí)超(chāo)窄(zhǎi)綫(xiàn)寬激光(guāng)反饋穩定(dìng)技術(shù)，優(yōu)點是(shì)魯(lǔ)棒性和高信噪比，可將激(jī)光(guāng)器(qì)穩(wěn)定(dìng)至參(cān)考腔(qiāng)共(gòng)振(zhèn)寬(kuān)度的(dí)10-5以下(xià)，有記錄(lù)的(dí)可將kHz綫寬級(jí)別(bié)的CW穩頻(pín)DFB激(jī)光(guāng)器進一(yī)步(bù)穩(wěn)頻(pín)，實(shí)現(xiàn)mHz級超窄(zhǎi)綫(xiàn)寬超穩激(jī)光器。

PDH feedback反饋(kuì)穩定(dìng)係(xì)統大(dà)致的(dí)架(jià)構如(rú)下(xià)：

待進(jìn)一(yī)步(bù)穩(wěn)定的(dí)激(jī)光器，電(diàn)光(guāng)調(tiáo)製(zhì)器EOM,光(guāng)學參考腔Cavity，光電(diàn)探(tàn)測器（PD），濾(lǜ)波器與(yǔ)射(shè)頻解調(tiáo)電子(zǐ)設(shè)備(bèi)(大致(zhì)就是(shì)我們(mén)常(cháng)見的(dí)PID比例積分反(fǎn)饋控(kòng)製器）。

光(guāng)學(xué)參考腔舉(jǔ)例(lì)：可利用(yòng)超低熱(rè)膨脹係(xì)數光學玻(bō)璃製(zhì)備的F-B標準具，那(nà)麼(mó)這個F-B腔就(jiù)具備(bèi)一個熱噪聲(shēng)超(chāo)低(dī)的(dí)光學諧振(zhèn)頻率(shuài)，上述PDH反饋機(jī)構就是(shì)將待(dài)進一(yī)步穩定的激光器漂移與(yǔ)F-B光學諧振頻率(shuài)相比(bǐ)較，檢測(cè)出(chū)的偏移量利用PID反(fǎn)饋(kuì)控製(zhì)器驅(qū)動(dòng)改(gǎi)變DFB窄(zhǎi)綫(xiàn)寬(kuān)半導(dǎo)體激(jī)光(guāng)的(dí)電流（快速(sù)變(biàn)量(liáng)）和光柵驅動(dòng)器(qì)（慢速變量(liáng)），最(zuì)終實(shí)現一個中(zhōng)心(xīn)波長(cháng)超(chāo)穩(wěn)定，綫寬超窄(zhǎi)（mHz級）的(dí)超(chāo)穩頻激光(guāng)輸出。

圖一(yī).緊(jǐn)湊型的超低熱(rè)膨脹係數FB光(guāng)學(xué)參考腔(qiāng)

如(rú)圖(tú)一舉例，對於(yú)緊湊型FB光(guāng)學參(cān)考(kǎo)腔，穩(wěn)頻能力可(kě)以超過(guò)50 dB；而(ér)較大尺(chǐ)寸(cùn)參考腔穩頻(pín)能力(lì)可(kě)超(chāo)過(guò)60dB；對(duì)於體(tǐ)積約(yuē)1mL的(dí)微(wēi)型FB腔，穩頻能力(lì)仍(réng)可超過40 dB；

這(zhè)樣的PDH反(fǎn)饋鎖(suǒ)定(dìng)機構(gòu)可(kě)做到(dào)將(jiāng)激光器的光學(xué)相位噪聲(shēng)鎖(suǒ)定到(dào)與光學參考(kǎo)腔的超低熱噪(zào)聲同一水平(píng)，由(yóu)於(yú)光(guāng)學參考腔(qiāng)的熱噪(zào)聲(shēng)方麵可(kě)以非常簡便的(dí)利用(yòng)選擇超(chāo)低熱(rè)膨脹(zhàng)係數(shù)材(cái)料(liào)和(hé)環境溫度(dù)控(kòng)製，做(zuò)到極限(xiàn)級別(bié)的低噪聲(shēng)和(hé)高(gāo)魯棒(bàng)性，那麼單頻激光(guāng)器(qì)也就有望(wàng)繼(jì)承極限(xiàn)級別(bié)的低噪(zào)聲(shēng)和高魯棒(bàng)性。

移(yí)植一(yī)下，這(zhè)樣的超穩(wěn)頻CW激光可(kě)以用於超(chāo)穩定光(guāng)頻(pín)梳的鎖定(dìng)，也同(tóng)時(shí)保證了光頻(pín)梳的(dí)低(dī)噪(zào)聲和(hé)高魯(lǔ)棒性(xìng)。如圖二(èr)所示:

圖二：a. 鎖(suǒ)模飛秒激光，微諧振腔(qiāng)光梳，電光(guāng)調(tiáo)製光梳，鎖(suǒ)模(mó)半導體激光(guāng)均可(kě)利用(yòng)PDH鎖定(dìng)；

b.  PDH反(fǎn)饋型光梳(shū)鎖定； c. PDH前饋(kuì)型光(guāng)梳(shū)鎖(suǒ)定

如圖二a,幾乎所有架構(gòu)的光(guāng)頻梳(shū)均可(kě)以(yǐ)采(cǎi)用利用(yòng)PDH法(fǎ)鎖定，如(rú)圖(tú)二(èr)b,PDH Feedback反(fǎn)饋(kuì)架構和(hé)傳(chuán)統f-2f自參考(kǎo)光頻梳鎖(suǒ)定稍(shāo)有不同的是(shì)，PDH反饋(kuì)架(jià)構利用兩台不同(tóng)波長(cháng)的超穩CW激光做(zuò)為光學頻率(shuài)基準(zhǔn)鎖定(dìng)光頻(pín)梳(shū)，係統(tǒng)相(xiāng)對復雜(zá)一些，但(dàn)可以(yǐ)獲(huò)得(dé)極(jí)限級別的低噪聲(shēng)光頻梳(shū)。兩種(zhǒng)方(fāng)法均具(jù)備(bèi)較高魯(lǔ)棒(bàng)性。

PDH Feedback反饋鎖定技術有(yǒu)一些(xiē)固有(yǒu)的缺(quē)點是(shì)對(duì)於>100KHz的(dí)高頻率噪(zào)聲抑製能(néng)力不(bù)足，針對這個問題，PDH Feedforward前饋(kuì)鎖(suǒ)定技(jì)術被引入（如圖二c)，實(shí)用(yòng)層麵來說(shuō)，PDH前饋鎖(suǒ)定可(kě)以(yǐ)被看作PDH閉環(huán)反饋(kuì)與開環前(qián)饋(kuì)的一個復合技(jì)術。

圖三(sān). PDH前饋鎖定(dìng)技(jì)術從低頻到高頻(pín)均(jūn)抑製(zhì)了光(guāng)梳的(dí)相位(wèi)噪聲（紅綫(xiàn)）

兩(liǎng)種(zhǒng)利用鎖定(dìng)光(guāng)頻梳(shū)並輸(shū)出高(gāo)穩定微(wēi)波信(xìn)號(hào)的係(xì)統(tǒng)架構(gòu)

1.利(lì)用經(jīng)典的(dí)f-2f自參考架構(gòu)方(fāng)案鎖定光頻梳(shū)：我們(mén)知道(dào)，基於鎖模(mó)飛(fēi)秒激光器架構的光(guāng)頻(pín)梳(shū)是(shì)現有(yǒu)技術(shù)裏麵最(zuì)為(wéi)穩定(dìng)的且(qiě)可輸出較高(gāo)功率的(dí)方(fāng)案(àn)。以瑞(ruì)士(shì)Menhir公司的(dí)鎖(suǒ)模光(guāng)纖飛秒(miǎo)激光器為例，傳統的(dí)高(gāo)穩(wěn)定度光頻(pín)梳(shū)可(kě)以(yǐ)利(lì)用f-2f自參(cān)考(kǎo)架構(gòu)通(tōng)過調節泵浦(pǔ)二極管工作電流(liú)鎖定fceo；獲(huò)得光(guāng)頻梳包(bāo)絡相位(wèi)偏置的(dí)短時間(jiān)穩(wěn)定性(xìng);利(lì)用(yòng)增配(pèi)的快(kuài)速短行(háng)程(chéng)PZT壓電陶瓷(cí)調節(jié)激光器腔(qiāng)長(cháng)獲得frep的(dí)梳齒間(jiān)距長時(shí)間(jiān)穩定性(xìng)；以及(jí)增(zēng)配的慢(màn)速長(cháng)行程PZT壓(yā)電陶(táo)瓷(cí)調節激光器腔長(cháng)獲得(dé)frep的(dí)梳(shū)齒間(jiān)距(jù)的(dí)一定(dìng)範圍(wéi)可調諧(xié)。最後通過(guò)外接(jiē)頻(pín)率基(jī)準源（比如GPS馴(xùn)服的時(shí)鐘(zhōng)基(jī)準或射頻(pín)發生(shēng)器）獲(huò)得(dé)長時(shí)間(jiān)穩(wěn)定(dìng)且梳齒間距可調(tiáo)的(dí)光頻梳。

如客戶(hù)有興(xīng)趣(qù)自主(zhǔ)搭建上述長(cháng)時間穩定且(qiě)梳齒(chǐ)間距可調(tiáo)的光頻梳(shū)，可與我司(sī)先(xiān)鋒科技(jì)聯(lián)係獲得相關(guān)配件詳細(xì)資(zī)料與報(bào)價，包(bāo)含且(qiě)不限於

而在(zài)架構穩定工(gōng)作光頻(pín)梳後，利用(yòng)帶(dài)寬足(zú)夠高的(dí)快速光電(diàn)探(tàn)測器將其(qí)激光重復頻率分量轉化為電信號(hào)引出(chū)來就(jiù)是個(gè)超(chāo)低(dī)相位(wèi)噪聲，超低時(shí)間(jiān)抖動(dòng)的微波頻率(shuài)信號。

2.另(lìng)外一(yī)種方(fāng)式就(jiù)是利用(yòng)PDH Feedforward前饋技(jì)術(shù)穩(wěn)定(dìng)光(guāng)頻梳後輸出(chū)超(chāo)穩(wěn)微(wēi)波信號。

對(duì)此(cǐ)我們(mén)引(yǐn)用(yòng)美(měi)國(guó)NIST最(zuì)近的(dí)一篇文(wén)章(zhāng)：

《Ultralow noise microwaves with free-running frequency combs and electrical feedforward》

圖四(sì).PDH前(qián)饋法(fǎ)鎖(suǒ)定光頻梳(shū)

方案(àn)的簡述(shù)是利(lì)用(yòng)PDH前饋(kuì)方法(fǎ)將光頻梳鎖定(dìng)到(dào)雙超窄綫(xiàn)超穩(wěn)CW激光上，一共演示了兩種方(fāng)案：

方(fāng)案一：基於瑞士Menhir公司新(xīn)品10GHz重頻(pín)，30mW@1555nm光纖飛秒(miǎo)激(jī)光(guāng)器

方(fāng)案(àn)二(èr)：基於自製的20GHz，100uW微諧振腔光(guāng)梳

圖五(wǔ).瑞(ruì)士Menhir公司(sī)10GHz, 30mW@1555nm鎖模(mó)光(guāng)纖飛秒激光(guāng)器

基於上(shàng)述架(jià)構，分別(bié)測試了(liǎo)方(fāng)案一：10GHz, 和(hé)方案二：20GHz的光頻梳(shū)

以(yǐ)連續(xù)工作(zuò)的角(jiǎo)度(dù)考量(liáng)，以(yǐ)上基於Menhir 10GHz光(guāng)纖(xiān)飛秒激(jī)光(guāng)器(qì)的方(fāng)案一可不停歇生(shēng)成超(chāo)低(dī)噪(zào)聲(shēng)微(wēi)波，從未解鎖(suǒ)；NIST作(zuò)者(zhě)認為其低(dī)噪聲連(lián)續運行時間(jiān)大致(zhì)可(kě)預(yù)計是無(wú)限(xiàn)長(cháng)；基(jī)於自製(zhì)20GHz微諧振腔光梳(shū)的方(fāng)案可(kě)連續(xù)工作(zuò)數日(rì)，魯(lǔ)棒性稍差一點(diǎn)點。

從噪聲(shēng)水(shuǐ)平來(lái)看：

圖六.左(zuǒ)：基(jī)於Menhir-10GHz飛秒激光方(fāng)案的(dí)噪聲(shēng)譜；右：基於(yú)微腔光(guāng)梳(shū)方(fāng)案(àn)的(dí)噪聲譜

觀察圖六(liù)左(zuǒ)，基(jī)於Menhir-10GHz商用(yòng)鎖(suǒ)模光纖飛秒激光器(qì)的方(fāng)案，其自(zì)由(yóu)運行狀(zhuàng)態的本征噪(zào)音經(jīng)過(guò)PDH feedforward前饋(kuì)降(jiàng)噪後，噪(zào)音(yīn)基綫(xiàn)降(jiàng)低到(dào)-159 dBc/Hz 非常出色的(dí)水平；在100 Hz偏(piān)移頻率下，前饋(kuì)校(xiào)正(zhèng)使(shǐ)相(xiāng)位(wèi)噪聲降(jiàng)低(dī)約(yuē)60 dB，已降至(zhì)腔(qiāng)體穩(wěn)定(dìng)連(lián)續波激(jī)光器非共(gòng)模噪聲的限製閾(yù)值(zhí)。相位噪聲底(dǐ)限在(zài)30 kHz偏移(yí)頻率時(shí)達到(dào)-155 dBc/Hz，並在1 MHz測(cè)量範圍(wéi)上(shàng)限(xiàn)持(chí)續保持在-150 dBc/Hz以下(xià)。另外(wài)NIST作者還提及(jí)使(shǐ)用本(běn)實驗中的鎖模激(jī)光器時，拍頻(pín)漂(piāo)移量(liáng)每(měi)周(zhōu)不足1 GHz，而(ér)帶通範圍(wéi)接(jiē)近5 GHz（重復頻率(shuài)的一半）。這種魯棒(bàng)性使NIST已實(shí)踐過超過90小時(shí)的(dí)連續(xù)實施(shī)相(xiāng)位噪(zào)聲(shēng)測(cè)量(liáng)，全(quán)程(chéng)無(wú)需(xū)人(rén)工幹(gān)預(yù)。

觀察圖六右：為(wéi)便(biàn)於(yú)與Menhir鎖模激(jī)光器結果(guǒ)及文(wén)獻其(qí)他數據(jù)對比，NIST在後(hòu)處(chǔ)理中將(jiāng)相(xiāng)位噪(zào)聲水(shuǐ)平也(yě)標(biāo)定至(zhì)10 GHz載波。在10 GHz載(zǎi)波下，10 kHz偏移(yí)處(chǔ)的(dí)相位(wèi)噪聲底限(xiàn)為(wéi)-145 dBc/Hz，並在30 kHz至(zhì)1 MHz範圍(wéi)內保(bǎo)持(chí)平坦(tǎn)的-146 dBc/Hz；可見自製(zhì)微(wēi)腔(qiāng)光梳方(fāng)案的噪聲(shēng)水(shuǐ)平比Menhir鎖(suǒ)模(mó)激光器稍差(chà)，但(dàn)也被(bèi)認為足(zú)夠(gòu)出色；大致原(yuán)因可以(yǐ)認為(wéi)是自由(yóu)運(yùn)行下的(dí)20GHz自(zì)製微腔光頻(pín)梳的(dí)本征(zhēng)噪聲譜稍差於鎖模(mó)激光器方案，但也可以良(liáng)好(hǎo)適應低(dī)噪聲(shēng)微(wēi)波發(fā)生的需(xū)要了(liǎo)。NIST文獻(xiàn)中提及基於自製微腔光(guāng)頻梳的方(fāng)案(àn)可做(zuò)到(dào)無(wú)幹預(yù)連(lián)續(xù)運行(háng)幾(jī)小(xiǎo)時，且停機(jī)一周後重(zhòng)新啟動仍(réng)可方便的與超穩(wěn)CW激光(guāng)拍(pāi)頻，說(shuō)明(míng)方案二(èr)的(dí)魯棒性也(yě)大致滿(mǎn)足實用(yòng)的(dí)需要。

所(suǒ)以簡(jiǎn)單分(fēn)析一下(xià)，

方案一(yī)基(jī)於Menhir商用(yòng)鎖模(mó)光纖(xiān)飛秒激光器(qì)的方案噪聲(shēng)水平低，連(lián)續無人(rén)工幹(gān)預工作(zuò)時(shí)間(jiān)長(cháng)，缺(quē)點(diǎn)是(shì)鎖模激(jī)光器(qì)重(zhòng)頻(pín)隻(zhī)提供(gōng)到(dào)10GHz（從原(yuán)理來看(kàn)提升商用(yòng)鎖模光(guāng)纖(xiān)飛(fēi)秒(miǎo)激光(guāng)器(qì)的重復(fù)頻率就(jiù)是(shì)減(jiǎn)小(xiǎo)其諧(xié)振(zhèn)腔(qiāng)腔(qiāng)長，顯(xiǎn)然是(shì)不(bù)可能無限(xiàn)減小的，所以現在(zài)Menhir商(shāng)品(pǐn)化的(dí)光(guāng)纖(xiān)鎖(suǒ)模飛秒激光器上(shàng)限在10GHz）。

方(fāng)案二(èr)自製微腔光梳(shū)方(fāng)案(àn)噪聲水平稍高(gāo)，連(lián)續無(wú)人工幹預工(gōng)作時間長(cháng)稍短，但也(yě)大(dà)致滿足實用的(dí)需(xū)要。優點(diǎn)是(shì)20GHz本征重頻僅僅是(shì)常規水平(píng)，可(kě)以方便的提升(shēng)重頻，而(ér)且此(cǐ)方案做(zuò)光(guāng)電(diàn)子集(jí)成(chéng)，減小體積(jī)與(yǔ)能耗的(dí)空間(jiān)相對寬廣。

針(zhēn)對以上(shàng)兩(liǎng)種方案，

如客(kè)戶有(yǒu)興(xīng)趣自主搭(dā)建，可與我(wǒ)司(sī)先鋒科(kē)技(jì)聯係獲(huò)得相關配件詳細資料與報價，包含且不限於