利用SLICE-OPL將GPS的長(zhǎng)期穩(wěn)定性轉(zhuǎn)移到Vescent RUBRIComb™ 光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率上。

摘要

我們演示了SLICE-OPL偏移鎖相伺服器可以便利的將Vescent RUBRIComb™ 光纖頻率梳的重復(fù)頻率鎖定到用戶提供的射頻震蕩器。在接下來(lái)的舉例中，SLICE-OPL時(shí)鐘被SRS FS752 GPS-disciplined oven-controlled crystal oscillator (OCXO)約束。在這套配置中， SRS FS752的穩(wěn)定性被轉(zhuǎn)移到頻率梳模式上，在超過(guò)2小時(shí)的時(shí)間跨度中，使得分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定性小于3E-12。

引言

頻率梳因其將微波和射頻（RF）域的頻率耦合到光域的能力而受到重視。頻率梳的每個(gè)“齒"或模式都是由這種關(guān)系聯(lián)系在一起的。

(1) ?n=?CEO+n·?rep

每個(gè)梳式模式的頻率?n僅取決于兩個(gè)梳式參數(shù)：載波包絡(luò)偏移頻率?CEO和重復(fù)頻率?rep。根據(jù)方程將這兩個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性傳遞到每一個(gè)梳型。

通過(guò)將這些參數(shù)鎖定到穩(wěn)定的頻率標(biāo)準(zhǔn)，頻率梳成為實(shí)驗(yàn)室中所有其他激光器的精確頻率參考。

重復(fù)頻率鎖定的方法是將這兩個(gè)參數(shù)直接鎖定到射頻源。在這種方法中，重點(diǎn)是使用穩(wěn)定的頻率源進(jìn)行鎖定?rep

，因?yàn)檎缟厦娴墓剿荆總€(gè)頻率梳模式的不穩(wěn)定性大約按其模態(tài)數(shù)n放大。對(duì)于光學(xué)模式，這個(gè)因子通常大于~106。幸運(yùn)的是，GPS規(guī)范的振蕩器易于訪問(wèn)，具有成本效益的頻率標(biāo)準(zhǔn)，可以依賴于頻率鎖定。此外，即使頻率不穩(wěn)定性增加到光域，n，分?jǐn)?shù)頻率不穩(wěn)定性保持不變，允許這些低成本射頻源的z*越性能通過(guò)頻率梳到光域。

圖 1所示為使用SLICE-OPL便利的將重復(fù)頻率鎖定RUBRIComb到RF參考信號(hào)的一般方法。 在設(shè)置過(guò)程中，頻率計(jì)數(shù)器也參考頻率梳調(diào)諧的GPS輔助信號(hào)。

在這里我們演示了一種簡(jiǎn)單的方法，通過(guò)SLICE-OPL偏移鎖相伺服器便利的將Vescent RUBRIComb-100頻率梳的?rep鎖定到GPS-derived信號(hào)。SLICE-OPL設(shè)計(jì)用于鎖相射頻信號(hào)，在這種情況下?rep轉(zhuǎn)換為由內(nèi)部直接數(shù)字合成器（DDS）生成的可編程的信號(hào)。將DDS時(shí)鐘引用到 GPS-disciplined OCXO的10 MHz音調(diào)，將?rep的穩(wěn)定性鏈接到GPS信號(hào)，正如我們將通過(guò)環(huán)外不穩(wěn)定性測(cè)量顯示的那樣。

將?rep鎖定到 GPS-DISCIPLED OCXO 上

將頻率梳的重復(fù)頻率鎖定到用戶提供的射頻參考信號(hào)的設(shè)置如圖1所示。RUBRIComb-100 的 ?CEO參數(shù)由 Vescent SLICE-FPGA-II 數(shù)字反饋控制器鎖定，SLICE-OPL 控制?rep反饋回路。由于 ?CEO的不確定度不隨模數(shù)n比例增大，根據(jù)等式二，射頻源的不穩(wěn)定性相對(duì)于總的光模不穩(wěn)定性在被鎖定的參數(shù)上有著微不足道的貢獻(xiàn)。因此，我們強(qiáng)調(diào)頻率梳?rep RF Out信號(hào)要經(jīng)過(guò)濾波以隔離基模。來(lái)自SRS FS752 GPS-disciplined OCXO的10 MHz信號(hào)連接到SLICE-OPL參考端口（Ref. In）。SLICE-OPL配置為使用該信號(hào)來(lái)穩(wěn)定其內(nèi)部DDS的頻率。決定DDS頻率的SLICE-OPL目標(biāo)頻率被設(shè)置為頻率的標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)頻率（100MHz）。

在鎖捕獲期間，SLICE-OPL信號(hào)濾波器最初設(shè)置為應(yīng)用一個(gè)簡(jiǎn)單的比例積分器濾波器，其PI角為200 Hz，比例增益為-10 dB。鎖定啟動(dòng)后，可以調(diào)整這兩個(gè)值，以平衡維持鎖定和保持光學(xué)頻率梳梳齒的短期穩(wěn)定性（即瞬時(shí)線寬）的并列需求。通過(guò)有目的地將PI角設(shè)置為低頻率，可以在獲得RF參考[1]長(zhǎng)期穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，保留自由運(yùn)行頻率梳y越的分?jǐn)?shù)頻率穩(wěn)定性。為了成功鎖定捕獲，頻率梳?rep必須在DDS頻率的幾Hz范圍內(nèi)。為了驗(yàn)證?rep在此范圍內(nèi)，需要將一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器臨時(shí)連接到SLICE-OPL監(jiān)視器端口（Beat Out）。我們通過(guò)使用射頻分配器，使計(jì)數(shù)器可以引用與SLICE-OPL相同的GPS-disciplined 源。手動(dòng)調(diào)諧RUBRIComb振蕩器腔體溫度，來(lái)使自由運(yùn)行的?rep在100 MHz上下的10Hz范圍內(nèi)。一旦滿足這個(gè)條件，頻率梳振蕩器腔PZT被啟用，通過(guò)打開(kāi)SLICE-OPL伺服鎖定?rep。頻率梳的PZT慢伺服，通過(guò)緩慢調(diào)節(jié)振蕩器腔的溫度來(lái)保持PZT電壓在其調(diào)制范圍內(nèi)居中來(lái)保持長(zhǎng)時(shí)間的鎖定。

圖 2外環(huán)頻率不穩(wěn)定測(cè)量配置。相位噪聲分析儀（Microchip 53100A）將?rep signal與來(lái)自第二個(gè)GPS-disciplined振蕩器的10 MHz信號(hào)進(jìn)行比較。

圖 3艾倫偏差測(cè)量。重復(fù)頻率和srs FS752 GPS信號(hào)（紅色）之間測(cè)量的分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定性與直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)GPS信號(hào)時(shí)的分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定性（藍(lán)色）相當(dāng)。在1550 nm附近測(cè)量了光學(xué)不穩(wěn)定性。

環(huán)外不穩(wěn)定性測(cè)量

在兩次Allan偏差測(cè)量中的第一次測(cè)量中，使用圖2中的配置將?rep與第二個(gè)GPS-derived信號(hào)進(jìn)行比較。射頻分配器被移除，計(jì)數(shù)器被相位噪聲分析儀（Microchip 53100a）取代。另一個(gè) GPS-disciplined OCXO 設(shè)備（SRS FS740）連接到相位噪聲分析儀的另一個(gè)通道。在第二次Allan偏差測(cè)量中，直接將SRS FS752信號(hào)與SRS FS740信號(hào)進(jìn)行比較。這些GPS裝置的選擇是基于手頭可用的設(shè)備。

這些測(cè)量結(jié)果清楚地表明，SRS FS752的頻率穩(wěn)定的傳遞到頻率梳重復(fù)頻率。每次測(cè)量的分?jǐn)?shù)穩(wěn)定性如圖3所示。由于?rep的不穩(wěn)定性在光學(xué)狀態(tài)中占主導(dǎo)地位，我們可以根據(jù)?rep（右軸）的測(cè)量分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定性來(lái)近似中心梳頻率（左軸）的光學(xué)不穩(wěn)定性。

結(jié)論

我們演示了如何利用SLICE-OPL將Vescent RUBRIComb重復(fù)頻率鎖定到GPS-disciplined OCXO這種配置將GPS的長(zhǎng)期穩(wěn)定性傳遞給光學(xué)頻率梳的梳齒。