實驗名稱：光纖環形諧振腔的PDH鎖定系統研究

測試設備：高壓放大器、信號發生器、示波器、電光相位調制器、模擬PID控制器、壓電陶瓷等。

實驗過程：

圖1：(a)光纖環形諧振腔的實驗裝置圖。(b)光纖拉伸支架：PZT：壓電陶瓷。壓電陶瓷置于狹縫中點，利用紫外膠將光纖固定在U型支架兩臂末端

基于以上穩定的光纖環形諧振腔，我們結合PDH反饋鎖定技術對其諧振頻率實現了鎖定。光纖環形諧振腔的共振頻率通過控制光纖長度來控制。腔長控制裝置已在圖1(b)中介紹。光纖環形諧振腔鎖定裝置的示意圖如圖2所示。電光調制器在自由空間對激光進行相位調制后耦合進入光纖環形諧振腔。光纖環形諧振腔輸出激光由光纖分束器分束后分別輸出至交流探測器1和直流探測器2用于產生PDH穩頻系統所需的誤差信號和監測其反射譜。信號發生器產生EOM調制信號，利用功分器將其分為兩路分別輸入至EOM和相位延遲器對激光進行相位調制和延遲解調信號所需的相位。經延遲相位后的信號與交流探測器1測到的腔反射信號接入混頻器進行混頻以及先后經過低通濾波、PID控制器和高壓放大器后反饋到如圖1(b)所示的用于腔長控制的壓電陶瓷上，對光纖環形諧振腔腔長進行實時調節和控制，從而實現對FRR共振頻率的鎖定。我們利用示波器同時監測PZT的驅動電壓、誤差信號及FRR的反射譜。

圖2：PDH鎖定實驗裝置示意圖。EOM：電光相位調制器，HVAmplifiers：高壓放大器，PZT：壓電陶瓷，PID：模擬PID控制器。圖中實線為光路，虛線為電路。

實驗結果：

圖3：(a)相位調制功率為12dBm的鎖定結果：青色實線為光纖環形諧振腔的反射信號直接輸出反射譜，黑色曲線為經過低通濾波器濾波后的反射譜，紅色曲線為鑒頻曲線，藍色曲線為進行鎖定后的反射信號；(b)相位調制功率為-9dBm的鎖定結果：黑色曲線為光纖環形諧振腔的反射信號直接輸出反射譜，紅色曲線為鑒頻曲線，藍色曲線為進行鎖定后的反射信號。

光纖環形諧振腔反射光譜經掃描壓電陶瓷長度獲得。圖3(a)、(b)所示分別為EOM調制信號功率為12dBm和-9dBm時的反射譜。圖3(a)中，青色曲線和黑色曲線分別是光纖環形諧振腔的反射信號直接輸出和通過濾波器后的反射譜。電光調制器在光路中對激光光束進行了相位調制產生了兩個邊帶，由于光纖諧振腔對相位的敏感性，使得諧振腔共振的主頻和邊帶之間的干涉并引起其反射信號的強度調制。紅色曲線為鎖定系統的鑒頻信號，藍色曲線為光纖環形諧振腔鎖定后的反射信號。圖3(b)中，黑色曲線為光纖環形諧振腔輸出信號通過低通濾波器后的反射譜，紅色曲線為鎖定系統的鑒頻信號，藍色曲線為光纖環形諧振腔鎖定后的反射信號。

由圖3(a)我們可以看出，光纖環形諧振腔直接輸出的反射信號攜帶了與電光調制器調制信號同樣頻率的調制，這對其后續的應用是極為不利的。因此我們對光纖環形諧振腔鎖定后的反射信號進行了頻率分析，其測量結果如圖3(a)所示。在腔反射信號與相位調制信號頻率相等頻率處存在一個強度調制信號。實驗中應降低相位調制信號的功率以減小此調制信號對腔反射信號強度調制的影響。圖3(a)中紅色、藍色、黑色和紫色曲線分別為相位調制信號功率為-9dBm、24dBm時腔反射信號的頻譜、頻譜分析儀本底噪聲和探測器的電子學噪聲。