一种基于温控和压电陶瓷的光学频率梳重复频率锁定方法

1.本发明涉及信息科学中时间频率传递和测量领域，尤其涉及一种基于温控和压电陶瓷的光学频率梳重复频率锁定方法。


背景技术：

2.光学频率梳即为频率和相位稳定的锁模激光器，它产生于人们对更加准确的时间基准和在其基础上高精度测量技术的追求。光学频率梳基于锁模激光器或微谐振腔和半导体技术，可以产生频率在几十兆赫兹到几百吉赫兹重复频率、周期稳定的激光脉冲序列。除了应用于计时、天文学和宇宙学、测距等高精度测量领域，它也有成熟的商业化应用。
3.作为例子，近年来，随着原子钟技术的蓬勃发展，人类对时间的定义越来越精确，更是为一些基础物理研究提供了有力的测量手段。为了对这些精确的时间频率信号在保证其精度的条件下进行有效的传输，就需要将频率基准加载到激光器上，使用空间光路或光纤光路等传输手段对其进行传输，其中一种方法就是加载到光学频率梳上。相比于其他的方法(加载于光频、或射频调制连续激光)，使用光学频率梳作为介质具有高信噪比、可同时传递多个射频以及光频等等优点。
4.为了将频率基准加载到光学频率梳上，传统的方法就是在控制温度一定的情况下，使用反馈控制电路控制压电陶瓷(pzt)改变腔长，将光学频率梳的重复频率锁定在参考源上。而由于pzt所加电压范围有限(一般要为正电压，且小于百伏量级)，导致锁定范围受限。如果环境温度变化剧烈，即便对锁模激光器做了温控，其残余影响也足以导致重频漂出pzt控制范围，导致激光器不能长时间锁定。除此之外，pzt的电压-伸缩响应曲线在0至百伏的区间内并非线性，在该区间内大范围变化会导致pid反馈不稳定，进而影响信号加载的质量。


技术实现要素：

5.为了解决如上问题，本发明提出一种基于温控和压电陶瓷的光学频率梳重频锁定方法。利用计算设备，根据pzt的电压动态调节温控设定值，使二者协同工作，实现光学频率梳的长时间锁定。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种基于温控和压电陶瓷的光学频率梳锁定方法，包括以下步骤：
8.1)将参考频率信号与要锁定的光学频率梳的输出信号接入频率误差信号产生模块，得到锁模激光器输出的光学频率梳重频信号与参考频率之差，即伺服模块的误差信号输入。
9.2)以上误差信号作为高速伺服控制模块的误差输入，进行反馈控制。其输出经过电压控制模块放大，控制锁模激光器内的压电陶瓷(pzt)调节空间光程，进而对光梳重频进行动态调节。
10.3)由于电压控制模块的输出和pzt施加的电压都有一定限制，故以上反馈系统只
能在较小的范围内调节光梳的重频。由于光纤长度受温度影响，故可以通过控制温度来改变锁模激光器的谐振腔中光纤部分的光程，以缓慢调节光梳的重频。
11.4)于是将电压控制模块的输出作为低速伺服反馈控制模块的输入。在低速伺服反馈控制模块，需要设置“目标电压”，即电压控制模块输出的目标电压，并在开始反馈
12.前，将温控的偏置温度设置为当前温度。开始反馈控制温控的设定温度，起到的作用是，当pzt施加的电压偏离设定的目标电压时，调节温控的设定温度，使pzt电压在保证频率锁定的基础上，维持在一定范围内不变。其中，低速伺服反馈控制模块根据目标电压信号、压电陶瓷控制器当前的调控电压值计算所述锁模激光器的谐振腔中光纤温度调节量。
13.5)使用以上结构，通过缓慢反馈调整温控，将电压控制模块的输出电压稳定在某个设定值附近，而不会漂出设定的范围，实现光梳激光器重频的长时间锁定。
14.本发明的有益效果在于：
15.为了保证锁定带宽，一般使用pzt对光梳进行反馈锁定，但pzt施加电压范围是有限的，超出范围会导致pzt击穿从而丧失功能，所以使用pzt进行反馈锁定的方案的锁定范围非常有限；除此之外，pzt施加电压不同其伸缩并非线性变化，也会影响锁定结果。一般会配合独立温控将激光器温度固定在某一特定温度，配合锁定。但现有高质量温控也无法保证频率漂移在pzt锁定范围以内。本发明通过使用pzt和温控进行协同控制，极大地增大了光学频率梳重频锁定的范围，实现长时间锁定；同时，通过缓慢改变温控的设定值，将pzt的工作电压稳定在某个特定值附近，pid的锁定结果不会受到pzt响应曲线非线性的影响，提高了参考频率信号加载到光学频率梳上的质量。
附图说明
16.图1为本发明的系统结构原理图。
具体实施方式
17.为使本发明的上述特征和优点更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明。
18.图1为本发明中基于温控和压电陶瓷的光学频率梳重频锁定方法的流程图，本方法包括以下步骤：
19.1)以重频100mhz的光学频率梳为例，参考信号的频率可以是100mhz的整数倍。将参考信号和光学频率梳的输出接入频率误差信号产生模块，得到二者之差。若使用混频设备鉴相，则激光器的输出需要进行光电转换，并使用与参考信号同频的带通滤波器滤波，再进行混频鉴相；若使用光-微波鉴相，则可直接将光信号接入该模块。不论使用哪种鉴相方法，都要在其输出接低通滤波器，以滤除信号中的高频成分。
20.2)将上述步骤得到的误差信号接入高速伺服控制模块，进行反馈控制。其输出经过电压控制模块放大，控制锁模激光器内的压电陶瓷(pzt)调节空间光部分的长度，从而对光梳重频进行动态调节。
21.3)同时，电压控制模块的输入也接入低速伺服反馈控制模块，用于控制温控模块。低速伺服反馈控制模块根据需要，设置输入偏置，以便将pzt工作电压设定在该点。
22.4)低速伺服反馈控制模块根据输入的电压信号、压电陶瓷控制器当前的调控电压
值计算锁模激光器的谐振腔中光纤温度调节量；将低速伺服反馈控制模块的输出接入温度控制模块，控制其温度的设定值。当pzt电压偏离设定值时，温度控制模块根据光纤温度调节量调控谐振腔中光纤温度，使pzt电压维持在设定值附近。
23.5)通过使用以上步骤，解决了光学频率梳重频无法长时间锁定的问题和pzt响应曲线非线性带来的一系列问题。
24.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。


技术特征：
1.一种基于温控和压电陶瓷的光学频率梳重复频率锁定方法，其步骤包括：1)将参考频率信号与锁模激光器输出的光学频率梳接入频率误差信号产生模块，得到光学频率梳的重复频率与参考频率之差作为误差信号输入高速伺服控制模块；2)高速伺服控制模块根据输入的所述误差信号生成反馈控制信号并输入到电压控制模块；3)电压控制模块根据所述反馈控制信号生成目标电压信号并将其分别输入到所述锁模激光器中的压电陶瓷和低速伺服反馈控制模块，用于对所述光学频率梳的重复频率进行动态调节；4)所述压电陶瓷根据所述目标电压信号调控所述泵浦源的腔长；所述低速伺服反馈控制模块根据所述目标电压信号、压电陶瓷控制器当前的调控电压值计算所述锁模激光器的谐振腔中光纤温度调节量；所述锁模激光器的温度控制器根据所述光纤温度调节量调控谐振腔中光纤温度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低速伺服反馈控制模块监控压电陶瓷控制器当前的调控电压值，当调控电压值偏离目标电压时，根据电压偏离值计算所述锁模激光器的谐振腔中光纤温度调节量；然后所述锁模激光器的温度控制器根据所述光纤温度调节量调控谐振腔中光纤温度。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，若所述频率误差信号产生模块为电信号鉴相，所述锁模激光器输出的光学频率梳进行光电转换，并使用与所述参考频率信号同频的带通滤波器滤波后输入到所述混频设备鉴相器。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，若所述频率误差信号产生模块为光-微波鉴相器，所述锁模激光器输出的光学频率梳直接输入到所述光-微波鉴相器。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考频率信号的频率为所述光学频率梳的重复频率的整数倍。

技术总结
本发明公开了一种基于温控和压电陶瓷的光学频率梳重复频率锁定方法，其步骤包括：1)将参考频率信号与锁模激光器输出的光学频率梳接入频率误差信号产生模块，得到光学频率梳的重复频率与参考频率之差作为误差信号输入高速伺服控制模块；2)高速伺服控制模块根据输入的所述误差信号生成反馈控制信号并输入到电压控制模块；3)电压控制模块根据所述反馈控制信号生成目标电压信号并将其分别输入到锁模激光器中的压电陶瓷和低速伺服反馈控制模块，对重复频率进行动态调节；4)低速伺服反馈控制模块根据目标电压信号、压电陶瓷控制器当前的调控电压值计算谐振腔中光纤温度调节量；温度控制器根据所述光纤温度调节量调控谐振腔中光纤温度。腔中光纤温度。腔中光纤温度。


技术研发人员：郭弘 吴腾 陈子扬 于东睿 张宇飞
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/7/5