PDH鎖定技術(shù)用于光頻梳鎖定和超低時間抖動的微波頻率發(fā)生
PDH（Pound-Drever-Hall）feedback反饋與feedforward前饋鎖定技術(shù)
PDH（Pound-Drever-Hall）Feedback反饋鎖定技術(shù)是經(jīng)典的超窄線寬激光反饋穩(wěn)定技術(shù)，優(yōu)點是卓越的魯棒性和高信噪比，可將激光器穩(wěn)定至參考腔共振寬度的10-5以下，有記錄的可將kHz線寬級別的CW穩(wěn)頻DFB激光器進一步穩(wěn)頻，實現(xiàn)mHz級超窄線寬超穩(wěn)激光器。
PDH feedback反饋穩(wěn)定系統(tǒng)大致的架構(gòu)如下：
待進一步穩(wěn)定的激光器，電光調(diào)制器EOM,光學(xué)參考腔Cavity，光電探測器（PD）、濾波器與射頻解調(diào)電子設(shè)備(大致就是我們常見的PID比例積分反饋控制器）。
光學(xué)參考腔舉例：可利用超低熱膨脹系數(shù)光學(xué)玻璃制備的F-B標(biāo)準(zhǔn)具，那么這個F-B腔就具備一個熱噪聲超低的光學(xué)諧振頻率，上述PDH反饋機構(gòu)就是將待進一步穩(wěn)定的激光器漂移與F-B光學(xué)諧振頻率相比較，檢測出的偏移量利用PID反饋控制器驅(qū)動改變DFB窄線寬半導(dǎo)體激光的電流（快速變量）和光柵驅(qū)動器（慢速變量），最終實現(xiàn)一個中心波長超穩(wěn)定，線寬超窄（mHz級）的超穩(wěn)頻激光輸出。
圖一.緊湊型的超低熱膨脹系數(shù)FB光學(xué)參考腔
如圖一舉例，對于緊湊型FB光學(xué)參考腔，穩(wěn)頻能力可以超過50 dB；而較大尺寸參考腔穩(wěn)頻能力可超過60dB；對于體積約1mL的微型FB腔，穩(wěn)頻能力仍可超過40 dB；
這樣的PDH反饋鎖定機構(gòu)可做到將激光器的光學(xué)相位噪聲鎖定到與光學(xué)參考腔的超低熱噪聲同一水平，由于光學(xué)參考腔的熱噪聲方面可以非常簡便的利用選擇超低熱膨脹系數(shù)材料和環(huán)境溫度控制，做到極限級別的低噪聲和高魯棒性，那么單頻激光器也就有望繼承極限級別的低噪聲和高魯棒性。
移植一下，這樣的超穩(wěn)頻CW激光可以用于超穩(wěn)定光頻梳的鎖定，也同時保證了光頻梳的低噪聲和高魯棒性。如圖二所示:
圖二：a. 鎖模飛秒激光，微諧振腔光梳，電光調(diào)制光梳，鎖模半導(dǎo)體激光均可利用PDH鎖定；
b. PDH反饋型光梳鎖定； c. PDH前饋型光梳鎖定
如圖二a,幾乎所有架構(gòu)的光頻梳均可以采用利用PDH法鎖定，如圖二b,PDH Feedback反饋架構(gòu)和傳統(tǒng)f-2f自參考光頻梳鎖定稍有不同的是，PDH反饋架構(gòu)利用兩臺不同波長的超穩(wěn)CW激光做為光學(xué)頻率基準(zhǔn)鎖定光頻梳，系統(tǒng)相對復(fù)雜一些，但可以獲得極限級別的低噪聲光頻梳。兩種方法均具備較高魯棒性。
PDH Feedback反饋鎖定技術(shù)有一些固有的缺點是對于>100KHz的高頻率噪聲抑制能力不足，針對這個問題，PDH Feedforward前饋鎖定技術(shù)被引入（如圖二c)，實用層面來說，PDH前饋鎖定可以被看作PDH閉環(huán)反饋與開環(huán)前饋的一個復(fù)合技術(shù)。
圖三. PDH前饋鎖定技術(shù)從低頻到高頻均抑制了光梳的相位噪聲（紅線）
兩種利用鎖定光頻梳并輸出高穩(wěn)定微波信號的系統(tǒng)架構(gòu)
1.利用經(jīng)典的f-2f自參考架構(gòu)方案鎖定光頻梳：我們知道，基于鎖模飛秒激光器架構(gòu)的光頻梳是現(xiàn)有技術(shù)里面最為穩(wěn)定的且可輸出較高功率的方案。以瑞士Menhir公司的鎖模光纖飛秒激光器為例，傳統(tǒng)的高穩(wěn)定度光頻梳可以利用f-2f自參考架構(gòu)通過調(diào)節(jié)泵浦二極管工作電流鎖定fceo；獲得光頻梳包絡(luò)相位偏置的短時間穩(wěn)定性;利用增配的快速短行程PZT壓電陶瓷調(diào)節(jié)激光器腔長獲得frep的梳齒間距長時間穩(wěn)定性；以及增配的慢速長行程PZT壓電陶瓷調(diào)節(jié)激光器腔長獲得frep的梳齒間距的一定范圍可調(diào)諧。最后通過外接頻率基準(zhǔn)源（比如GPS馴服的時鐘基準(zhǔn)或射頻發(fā)生器）獲得長時間穩(wěn)定且梳齒間距可調(diào)的光頻梳。
如客戶有興趣自主搭建上述長時間穩(wěn)定且梳齒間距可調(diào)的光頻梳，可與我司先鋒科技聯(lián)系獲得相關(guān)配件詳細資料與報價，包含且不限于
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項次 |
設(shè)備或器件 |
廠家 |
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1 |
鎖模光纖飛秒激光器（重頻100MHz到10GHz不等） |
瑞士Menhir |
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2 |
COSMO 模組：（f-2f自參考發(fā)生與檢測模組） |
美國Octave |
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3 |
Comb Lock光梳鎖定控制模組 |
加拿大Waxwing |
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4 |
高速光電二極管 |
美國Newfocus等 |
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5 |
RF射頻器件 |
美國Mini circuits |
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6 |
GPS馴服射頻參考源 |
美國SRS |
而在架構(gòu)穩(wěn)定工作光頻梳后，利用帶寬足夠高的快速光電探測器將其激光重復(fù)頻率分量轉(zhuǎn)化為電信號引出來就是個超低相位噪聲，超低時間抖動的微波頻率信號。
2.另外一種方式就是利用PDH Feedforward前饋技術(shù)穩(wěn)定光頻梳后輸出超穩(wěn)微波信號。
對此我們引用美國NIST最近的一篇文章：
《Ultralow noise microwaves with free-running frequency combs and electrical feedforward》
圖四.PDH前饋法鎖定光頻梳
方案的簡述是利用PDH前饋方法將光頻梳鎖定到雙超窄線超穩(wěn)CW激光上，一共演示了兩種方案：
方案一：基于瑞士Menhir公司新品10GHz重頻，30mW@1555nm光纖飛秒激光器
方案二：基于自制的20GHz，100uW微諧振腔光梳
圖五.瑞士Menhir公司10GHz, 30mW@1555nm鎖模光纖飛秒激光器
基于上述架構(gòu)，分別測試了方案一：10GHz, 和方案二：20GHz的光頻梳
以連續(xù)工作的角度考量，以上基于Menhir 10GHz光纖飛秒激光器的方案一可不停歇生成超低噪聲微波，從未解鎖；NIST作者認為其低噪聲連續(xù)運行時間大致可預(yù)計是無限長；基于自制20GHz微諧振腔光梳的方案可連續(xù)工作數(shù)日，魯棒性稍差一點點。
從噪聲水平來看：
圖六.左：基于Menhir-10GHz飛秒激光方案的噪聲譜；右：基于微腔光梳方案的噪聲譜
觀察圖六左，基于Menhir-10GHz商用鎖模光纖飛秒激光器的方案，其自由運行狀態(tài)的本征噪音經(jīng)過PDH feedforward前饋降噪后，噪音基線降低到-159 dBc/Hz 非常出色的水平；在100 Hz偏移頻率下，前饋校正使相位噪聲降低約60 dB，已降至腔體穩(wěn)定連續(xù)波激光器非共模噪聲的限制閾值。相位噪聲底限在30 kHz偏移頻率時達到-155 dBc/Hz，并在1 MHz測量范圍上限持續(xù)保持在-150 dBc/Hz以下。另外NIST作者還提及使用本實驗中的鎖模激光器時，拍頻漂移量每周不足1 GHz，而帶通范圍接近5 GHz（重復(fù)頻率的一半）。這種魯棒性使NIST已實踐過超過90小時的連續(xù)實施相位噪聲測量，全程無需人工干預(yù)。
觀察圖六右：為便于與Menhir鎖模激光器結(jié)果及文獻其他數(shù)據(jù)對比，NIST在后處理中將相位噪聲水平也標(biāo)定至10 GHz載波。在10 GHz載波下，10 kHz偏移處的相位噪聲底限為-145 dBc/Hz，并在30 kHz至1 MHz范圍內(nèi)保持平坦的-146 dBc/Hz；可見自制微腔光梳方案的噪聲水平比Menhir鎖模激光器稍差，但也被認為足夠出色；大致原因可以認為是自由運行下的20GHz自制微腔光頻梳的本征噪聲譜稍差于鎖模激光器方案，但也可以良好適應(yīng)低噪聲微波發(fā)生的需要了。NIST文獻中提及基于自制微腔光頻梳的方案可做到無干預(yù)連續(xù)運行幾小時，且停機一周后重新啟動仍可方便的與超穩(wěn)CW激光拍頻，說明方案二的魯棒性也大致滿足實用的需要。
所以簡單分析一下，
方案一基于Menhir商用鎖模光纖飛秒激光器的方案噪聲水平低，連續(xù)無人工干預(yù)工作時間長，缺點是鎖模激光器重頻只提供到10GHz（從原理來看提升商用鎖模光纖飛秒激光器的重復(fù)頻率就是減小其諧振腔腔長，顯然是不可能無限減小的，所以現(xiàn)在Menhir商品化的光纖鎖模飛秒激光器上限在10GHz）。
方案二自制微腔光梳方案噪聲水平稍高，連續(xù)無人工干預(yù)工作時間長稍短，但也大致滿足實用的需要。優(yōu)點是20GHz本征重頻僅僅是常規(guī)水平，可以方便的提升重頻，而且此方案做光電子集成，減小體積與能耗的空間相對寬廣。
針對以上兩種方案，
如客戶有興趣自主搭建，可與我司先鋒科技聯(lián)系獲得相關(guān)配件詳細資料與報價，包含且不限于
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項次 |
設(shè)備或器件 |
廠家 |
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1 |
鎖模光纖飛秒激光器（重頻100MHz到10GHz不等） |
瑞士Menhir |
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2 |
貓眼式穩(wěn)頻窄線寬激光器（450-1620nm不等） |
澳大利亞Moglabs |
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3 |
激光頻譜分析儀 |
美國Bristol |
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4 |
EDFA光纖放大器 |
法國Kopsys |
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5 |
高速光電二極管 |
美國Newfocus等 |
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6 |
RF射頻器件 |
美國Mini circuits |
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