基于电光调制器实现激光频率锁定

于 波

（忻州师范学院物理系，山西忻州034000）

高频率稳定性激光在引力波探测、传感检测、原子/分子光谱、量子保密通信等领域有重要的应用价值[1-5]。通常人们利用反馈系统将反馈信号直接加载到激光器的频率调制端口，通过调节电流或者电压陶瓷锁定激光输出频率到光学参考频率，将光学参考的频率稳定性转移到激光器，即可获得高频率稳定性的激光输出。常用的频率参考有光学超稳腔[6-8]或者原子/分子跃迁线[9-11]等。光学超稳腔用作频率参考具有可调谐、精细度高和稳定性高等特点，但是结构复杂且成本昂贵。原子/分子的跃迁频率非常稳定而且与外界环境扰动无关，但是跃迁频率固定，这要求激光频率与跃迁频率相近才能实现激光稳频。相比而言，光纤布拉格光栅具有可调谐、体积小、结构简单、稳定性高等特点[12-13]，能用作频率参考压缩激光的频率噪声[14]。但是当激光频率与光学参考频率之间的失谐较大时，无法通过反馈系统直接调节激光频率进行频率锁定，严重限制了激光器的应用。利用声光调制器通过控制驱动电压移动激光频率可以实现激光稳频，但是声光调制器移频范围有限（小于2GHz），不能在任意实验中灵活应用。

这里基于电光调制器对激光进行相位调制产生边带信号[15]，利用单光子调制技术通过锁定电光调制器的驱动电压，从而锁定边带信号到光纤光栅的慢轴透射峰，实时压缩了激光器的频率漂移。

1 实验装置

实验装置如图1所示，光纤激光器输出1 550 nm沿保偏光纤慢轴传输的单频线偏振激光，经过保偏光纤隔离器后进入保偏光纤衰减器调节光强至单光子量级，之后单光子信号进入带宽为20GHz的保偏光纤电光调制器（EOM）（EO-SPACE，PM-DK5）进行周期性相位调制，由于调制深度较小只产生一阶边带信号，边带与主峰的频率间隔由压控振荡器（VCO）输出射频信号的频率调节。实验中以保偏π移相光纤布拉格光栅（FBG）（Teraxion，TFN）的慢轴透射峰作为频率参考，保偏π移相光纤光栅选择右边带透射输出进入InGaAs单光子探测器探测强度，其余信号被反射经保偏光纤环形器输出，避免影响激光器的工作稳定性。实验中使用的连接光纤均为保偏光纤，使单光子信号沿光纤慢轴传输。

图1 基于电光调制器锁定激光频率的实验装置图。

任意函数发生器（FG）（Tektronix，AFG3102）输出的三角波信号与锁相放大器（Lock-in amplifier）（SRS，SR830）输出的高频正弦波调制信号经加法器合并后，输入到压控振荡器的电压调谐端口。压控振荡器输出正弦波信号的频率移动量与调谐电压大小具有线性响应关系，频率移动与调谐电压的对应关系为86MHz/V，实验中高频调制频率为9 kHz，调制幅度为110mV，利用高频调制可以避免低频段闪烁噪声的影响，进而提高测量的信号噪声比。通过周期性正弦调制压控振荡器的扫描电压则左右边带信号的频率被调制，右边带信号经过保偏光纤光栅透射后输出单光子的概率分布被调制，单光子信号经门控单光子探测器探测后输出对应强度的数字脉冲，该脉冲信号进入锁放经过混频处理和低通滤波后输出为，其中Vsig对应于数字脉冲的模拟信号幅度，ω是调制后的激光频率，Vref和φ是参考信号的幅度和相位，a为调制深度，是已知量，可见锁相放大器输出与参考信号有关的一阶微分信号即反馈信号，调节锁相放大器使反馈信号的信号噪声比最大化，反馈信号经过比例积分微分器（PID）（SRS，SIM 960）优化后加载到压控振荡器的电压调谐端口，关闭扫描电压加载合适的直流偏置即可将右边带信号锁定到保偏π移相光纤光栅的慢轴透射峰。锁定过程中激光强度保持在单光子量级，避免了光热效应引起的光纤光栅频率漂移。

2 结果与讨论

激光信号经过保偏光纤电光调制器相位调制之后输出光谱如图2(a)所示，包含主峰信号和一阶边带信号。压控振荡器的调谐电压决定左右边带信号的频率，线性扫描压控振荡器调谐电压得到保偏π移相光纤光栅的慢轴透射峰如图2(b)所示，根据电压与频率的对应关系计算得到保偏π移相光纤光栅的慢轴透射峰线宽约为65MHz。

实验中设置锁放参数为积分时间1ms，滤波斜率24 dB，经过计算得滤波带宽为78.1Hz。调制的单光子信号经过锁相放大器同频率解调后输出反馈信号如图3所示，频率和幅度的对应关系为0.164MHz/mV。反馈信号的信号噪声比为27，该信号可以用于锁定右边带激光信号到保偏π移相光纤光栅。

频率锁定结果如图4所示，当未锁定激光器频率时，反馈信号的波动范围远大于0.396 V，说明激光器频率漂移范围大于65MHz。当加载反馈信号到压控振荡器后，经过计算在100 s内激光频率起伏小于3.3MHz。反馈回路充分抑制了外部环境噪声的影响，有效提高了激光器的频率稳定性。对激光频率锁定时的反馈信号进行幅度频率转化后并统计分析，通过高斯拟合得到激光器相对于保偏光纤光栅的频率标准偏差为0.55MHz。

图2 （a）相位调制激光后输出光谱示意图；（b）保偏π移相光纤布拉格光栅的慢轴透射峰

图3 反馈信号

图4 激光器频率未锁定和频率锁定时对应的反馈信号

3 总结

通过相位调制输入激光产生边带信号，利用单光子调制技术锁定边带信号到保偏光纤光栅，从而间接实现了激光频率的实时锁定，解决了激光频率与光学参考频率两者失谐较大时激光器不能锁定的问题。激光锁定后100 s内频率漂移小于3.3MHz，这种稳频激光可以直接应用于传感检测、原子/分子光谱、量子保密通信等领域。