谐振型电光相位调制及光电探测功能器件的研发及应用*

田龙 郑立昂 张晓莉 武奕淼 王庆伟 秦博 王雅君3) 李卫3) 史少平3) 陈力荣3) 郑耀辉3)‡

1) (山西大学光电研究所,量子光学与光量子器件国家重点实验室,太原 030006)

2) (山西大学物理电子工程学院,太原 030006)

3) (山西大学,极端光学协同创新中心,太原 030006)

针对极微弱信号提取及探测需求,研发高调制深度、低功耗、低半波电压的谐振型电光相位调制(RPM)以及微瓦级、高信噪比谐振型光电探测(RPD)功能器件.基于单端楔角铌酸锂晶体、低噪声光电二极管及低损高Q 电子元件组成谐振电路,利用谐振增强原理实现低功耗、高调制深度电光调制及高增益光电探测等;所研发的RPM 在最佳调制频点为10.00 MHz 时,带宽为225 kHz,Q 值为44.4,调制深度为1.435 时所需射频驱动电压峰值为8 V;RPM 在最佳调制频点为20.00 MHz 时,带宽为460 kHz,Q 值为43.5,调制深度为1.435时所需射频驱动电压峰值为13 V;将自研的RPD 最佳探测频点调节为20.00 MHz,带宽为1 MHz,Q 值为20,增益为80 dB@100 µW;利用自研RPM 和RPD 组成极微弱信号提取链路,在500 mV 峰值电压驱动RPM下(调制深度约为0.055),可实现直接输出误差信号信噪比为5.088@10 µW,34.933@50 µW 以及58.7@100 µW.极微弱信号提取链路经过比例积分微分参数优化提升整个反馈控制环路性能及稳定性,为制备高稳定量子光源及超稳激光等领域提供关键器件及技术途径.

1 引言

光电功能器件是指具有特定的光学、电学及光电相互转换效应的器件,是现代信息科学技术领域的支柱之一[1].电光调制器及光电探测器是非常重要的光电功能器件,是锁定反馈、光电信息转化、光通讯、光电信息调制等领域中的关键器件,尤其在PDH (Pound-Drever-Hall)稳频锁定技术中发挥不可替代的作用[2].PDH 技术广泛应用于大科学装置前沿研究、量子光学、光通信等领域[3-6];利用电光相位调制器[7]进行激光相位调制是实现标准PDH 稳频锁定的首要过程,光电探测则可将携带的微弱调制信号及谱峰信号等信息进行光电转化为电信号,后续经过比例积分微分等电路进行反馈控制,以便实现稳定锁定及稳频等目标.

铌酸锂(LiNbO3)晶体以其较高的电光系数已经在光学器件[8]、各种电光调制器[9,10]、脉冲激光系统光谱整形[11]、量子光学等方面应用广泛.传统商用宽带电光调制器将驱动电压直接加载在电光晶体两端,以实现电光相位或振幅调制等[7],这种调制器半波电压(Vπ)较高,调制深度较低且需要较高驱动电压.在制备超稳激光以及超窄线宽激光等场合中需要将激光锁定在超稳腔上[12-15],由于超稳腔的精细度较高,一般在十几万以上,这就需要注入超稳腔的光功率极低,一般为微瓦量级以下,同时需要电光相位调制器具有较高调制深度以得到高信噪比(SNR)的误差信号用于锁定,然而,电光相位调制中的剩余振幅调制一直是影响超稳激光稳定性的关键因素之一.2016 年,Li 等[16]利用单端楔形LiNbO3晶体分离不同偏振出射激光,可以有效抑制剩余振幅调制,提高量子光源稳定性;同年,Tai 等[17]利用布鲁斯特角切割的电光调制晶体抑制剩余振幅调制,制备了超稳激光;2019 年,Zhi 等[18]利用声光相互作用理论解释剩余振幅调制产生机理,并实验测试了不同形状电光晶体抑制剩余振幅调制的效果;Dooley[19]通过在双端切角的晶体上分区域施加电压抑制电光相位调制中的剩余振幅调制;虽然使用不同形状晶体及改变施加射频信号方式可达到抑制剩余振幅调制的目的,但没有谐振回路时,其Vπ较高,无法达到较高调制深度,使得其在极微弱光锁定超高精细度超稳腔以及制备更低频率噪声激光等方面受限.为解决上述问题,德国Qubig 公司研发了谐振型电光调制器,Vπ为4.2 V@780 nm,Q值为76,谐振频率为20 MHz,为超稳激光等领域提供关键器件[20].然而,双端楔角晶体需要仔细校准入射光方向以便实现较好抑制剩余振幅调制的效果.但输入端平行且输出端楔角的晶体对激光入射角要求并不严格,便于进行实验.另外,环境温漂是产生剩余振幅调制的另一个主要影响因素,2022 年,Zheng 等[21]发明一种温控集成的共振调制器,但在实际实验中存在一定的结构复杂、抗环境干扰能力差、性能不稳定等因素;在主动控制方面,Shi 等[14]将国外商用电光调制器进行主动温控,可获得较好的长期稳定性,在1000 s的平均时间以内,剩余幅度调制的影响小于1×10—15.所以,研发高调制深度、低功耗、低Vπ的电光相位调制器,并进行全面评估可为制备超稳激光光源、超低噪声激光、量子光源等提供关键器件,推动相关产业性能提升.

此外,光电探测器可将光信号转化为电信号,广泛应用于各种光电信息科学中,不同的科学应用场景对探测器的需求不同,在地基引力波探测中,可承受高功率的多光电管阵列探测器可以为光电反馈降噪提供更低散粒噪声基准及更高反馈增益[22,23];在制备连续变量量子光源方面,需要高增益高共模抑制比的平衡零拍探测器[24-26];在离散变量量子光源制备及应用中需要单光子探测器进行光子数符合计数来评估光源指标性能[27,28];在制备超稳激光等领域,光电探测器是PDH 稳频锁定中提取微弱相位调制信号的首要器件,需要其在较低输入功率下有较高响应增益[29],其作为第一级信号采集器件,其噪声及增益性能直接影响后续光电反馈的最终效果.在PDH 技术中只需要探测特定相位调制频率的信号,然而,传统商用探测器都具有一定带宽,受集成芯片增益带宽积的影响,探测器的探测带宽和高增益是互相限制的两个因素,高增益往往带来电子学噪声的抬高,恶化误差信号噪底,对进行高精度反馈锁定具有一定不利因素;谐振型探测器只针对特定频率有较高探测增益,同时抑制其他频段噪声影响,为高信噪比高增益反馈控制提供解决方案[30,31].2007 年,Grote[32]针对地基引力波探测,利用电感电容谐振原理,研制出对特定频段有较高探测增益且能抑制其他频段噪声的谐振型探测器;2016 年,Chen 等[33]利用光电二极管和可调电感组成谐振电路,实现探测频率58.6 MHz,Q值为90 的谐振型探测器;之后该课题组[34]利用变压器结构的电感和光电二极管组成谐振电路,实现多频点、低噪声、高Q值的谐振型探测器,其等效电子学噪声(NEP)为4.7 pA/Hz1/2@34.5 MHz,其频谱增益为12 dB@1.35 mW;2019 年,Bowden等[31]实现了探测频率为90 MHz,等效电子学噪声为3.5 pW/Hz1/2、增益为11.9 dB@200 µW 的谐振型探测器.上述谐振探测器都位于相对高频段进行相关设计,可应用于锁定线宽在兆赫兹以上的光学参量腔、模式清洁腔以及光场相对位相等方面;针对超稳激光等领域,仍需发展微功率高增益低频段谐振型光电探测技术.

本文针对PDH 锁定反馈回路中高调制深度电光相位调制及极微弱光电信号探测需求,基于单端楔角LiNbO3晶体及低损高Q电子元件组成谐振电路,利用谐振增强原理放大加载在晶体两端射频信号幅值,实现低功耗及高调制深度;基于主动温控增加调制器稳定性,研发高调制深度、低功耗、低Vπ及低剩余振幅调制的谐振型电光相位调制功能器件;进一步,针对特定调制频率,基于可微调电感及光电二极管组成谐振电路,通过精细电路布局消除原电路中内部混频电路部分带来的杂散寄生电容等因素的影响,进一步降低电子学噪声,研究不同Q值电感器件、不同暗电流光电二极管噪声对谐振型光电探测的电子学噪声及增益的影响关系,并利用网络分析仪、误差信号峰峰值及信噪比对谐振型光电探测进行多维评估;实现了从谐振型电光调制及谐振型光电探测两方面对PDH 锁定反馈回路性能优化,为制备高稳定量子光源及超稳激光提供关键器件及技术途径.

2 谐振型光电功能器件的原理及设计

电感(L)电容(C)串联谐振增强电路利用电容电感之间能量传递可以实现选频网络,典型串联谐振回路如图1 所示,其中R0通常指的是电感线圈以及电容的总损耗.

图1 典型串联谐振回路Fig.1.Typical series resonant circuit.

串联谐振回路的谐振频率w和Q值分别可表示为[35]

此外,Q值也正比于谐振回路存储能量与每周期消耗能量比值[35],所以降低回路中器件损耗可以提高Q值.

对于给定器件,温度会引起电感值和电容值的变化,变化率分别为ΔL/℃和ΔC/℃,则对于w的温度特性可由变分方法得到:

所以对于Q值较高的谐振回路需要进行主动控温以实现较高稳定性.

然而实验上受器件不稳定性、不同谐振环路类型、谐振回路后续放大电路等影响,一般还可以根据测量传输函数进行Q值测量[35],可表示为

其中BW3dB为谐振峰值降低3 dB 的带宽.

电光调制晶体在外加电场调制时,其晶体内部束缚电荷受电场作用后可重新分布,引起晶体介电常数变化,使得晶体折射率随电场调制发生变化;当激光通过调制晶体时,激光光场相位特性会受到晶体折射率变化的影响,最终实现对激光的相位调制;利用两块光轴呈90°夹角的电光调制晶体,可实现激光的振幅调制.

以相位调制为例,激光频率为ν0,电场调制频率为w0,激光经过相位调制后输出光场可表达为

其中Jn(β)由贝塞尔函数决定,β为调制深度.由(4)式可知,经过相位调制后输出光场的频谱是由频率为ν0的载波频率成分和它两边对称分布频率为ν0±nw0的无穷多对边带频率成分共同组成,各相邻边带频率成分之间的频率间隔是w0,各边带频率成分幅度的相对比例由Jn(β)决定,光强比例由|Jn(β)|2决定,|Jn(β)|2随着调制深度β的关系如图2 所示,当主峰|J0|2降低到50%时,对应调制深度1.126;当主峰|J1|2,|J—1|2和|J1|2相等时,对应调制深度1.435.

图2 贝塞尔函数随调制深度变化关系图Fig.2.Diagram of Bessel function with modulation depth.

当加载到电光晶体两端的电压增大到足以使输出激光产生λ/2 的光程差时,对应的位相差为 π,此时驱动电压峰值称之为Vπ,对应相位调制的调制深度为2.4;对于传统宽带调制器,调制电压直接加载在晶体两端,Vπ可表达为

其中,λ为激光波长,γ33为电光晶体的电光系数,d为电光晶体的厚度,l为电光晶体的长度;对于LiNbO3晶体,未施加电场时,寻常光o 光和非寻常光e 光的折射率分别为no=2.232@1064 nm和ne=2.156@1064 nm,当晶体长度为40 mm时,经计算可得Vπ为258 V[31],对于同样的电光调制器,激光波长越大对应的半波电压越大.

当电光调制晶体两端加载电压时,晶体相当于一个电容,当匹配合适阻抗电路时可实现高效率加载调制信号[36].以简单的LC 谐振回路计算,加载到电容两端的电压可表示为

所以,通过谐振阻抗电路可以增强加载到晶体两端的电压幅值,等效降低Vπ.

此外,对于电光相位调制,抑制其中的剩余振幅调制(RAM)是实现稳定反馈控制的重要因素,RAM 的大小与电光晶体中自然双折射效应引起的相位差 Δφ有重要关系[36],对于LiNbO3晶体,其o 光和e 光折射率会随着环境温度变化,具体表达式为

其中,T为晶体温度,λ为激光波长.由(7)式可知,当环境温度变化时,电光晶体引起的相位差 Δφ会随之变化,最终引起反馈控制误差信号零基线的漂移,产生RAM;对于谐振型电光调制器,温度影响尤其严重,需要对其进行主动温控以保证最佳调制频率点以及降低RAM.

对于谐振型光电探测,基于光电二极管固有结电容,结合可调低损电感器件,形成LC 谐振电路,增强对特定调制频率极微弱光电调制信号的高增益探测,进一步通过变压器型谐振电路可降低探测器电子学噪声并增大探测增益.针对超稳激光、高稳定时频传输等高精尖领域,研究不同光敏面的光电管、不同Q值电感对谐振型光电探测的Q值、探测效率、信噪比、电子学噪声的影响,并利用网络分析仪、频谱分析仪以及误差信号信噪比可对谐振型光电探测进行多维评估.

3 实验装置、过程及结果分析

利用模式清洁腔(MC)的误差信号及反馈锁定环路,可对谐振型电光相位调制器(resonant electro-optic phase modulator,RPM)及谐振型光电探测器进行全链路评估,实验装置如图3 所示.

图3 谐振光电器件测试实验装置图(Laser 为全固态激光器;OI 为光隔离器;λ/2 为半波片;PBS 为偏振分束器;RPM 为电光相位调制器;HR 为高反镜;OSC 为示波器;MC 为模式清洁器;RPD 为共振探测器;PD 为光电探测器;NA 为网络分析仪)Fig.3.Experimental setup for testing resonant photoelectric devices (Laser,solid-state laser;OI,optical isolator;λ/2,half-waveplate;PBS,polarization beam splitter;RPM,resonant electro-optic phase modulator;HR,high reflective mirror;OSC,oscilloscope;MC,mode cleaner;RPD,resonant photodetector;PD,normal photodetector;NA,network analyzer).

根据谐振原理以及(1a)式可知,当形成谐振回路后有最佳谐振调制频率点以及最佳光电探测频率点.首先对RPM 的最佳调制频率进行测量,通过测量RPM 对所加载高频射频信号的反射率可知实际加载到RPM 的射频信号大小,即测量其阻抗匹配特性.当RPM 达到较好阻抗匹配时,射频信号均能传递至RPM 负载上,则射频信号的反射率较低;当调制器阻抗匹配较差时,射频信号传递至RPM 负载上的效率较低,则反射率较大.利用矢量网络分析仪(Agilent 4395A),及其阻抗匹配配件(Agilent 43961A)可进行阻抗匹配测量.

选用电光系数较高的LiNbO3作为电光调制晶体,其尺寸为40 mm×4 mm×3 mm,通过选择合适电感,可使得最佳谐振频率点从几兆赫兹到几十兆赫兹变化.选择两个频率点10.00 MHz 以及20.00 MHz 为例进行相关测试,将RPM 的输入调制端口接到矢量网络分析仪,设置阻抗分析相关参数,测量相关阻抗特性数据.

由于谐振电路特性可知,当射频信号频率远离最佳频率时,能量转化效率逐步变差,表现在阻抗分析结果中则为反射率变大,当反射率增大到—3 dB 时的频率宽度为带宽,也就是非对数坐标系中的半高全宽带宽.最终阻抗分析测试结果如图4所示.图4 中射频反射点在10.00 MHz/20.00 MHz处达到最低,表明调制器对射频信号的反射率最低,为—47.8 dB/—45.1 dB,表明达到较好阻抗匹配,射频信号加载效率高,也就是说最佳谐振频率即为10.00 MHz/20.00 MHz,此时能量转化效率达到最佳.

图4 自研谐振型电光相位调制器的阻抗分析测试结果图Fig.4.Input return loss test results of RPM.

当调节RPM 到最佳调制频点为20.00 MHz时,3 dB 带宽为460 kHz,根据(3)式可知,Q值为43.5;之后改变RPM 最佳调制频点到10.00 MHz,此时带宽为225 kHz,Q值为44.4.图4 中插图为RPM 实物图、内部晶体放置方式以及所需激光偏振示意图.当驱动接口朝上放置时,入射激光偏振应为P 偏振,出射激光往楔角方向偏移.作为对比,测量索雷博商用宽带相位调制器(型号EO-PMNR-C2)的阻抗测试结果,如图4 中橙线,反射率为—0.046 dB,其阻抗匹配效率相对较低.进一步根据(7)式,高Q值调制器中电光晶体的折射率等因素随环境温度变化,使得谐振回路器件参数变化,最终导致RPM 最佳调制频率点随温度变化.对所设计电光调制器进行主动温控设计,首先将RPM集成在金属屏蔽壳内,之后对外壳整体温控,隔离TEC 等器件对电光调制的影响,并自研温度控制模块,温控精度为0.005 ℃.

在测量了最佳调制频点后,利用MC 腔对调制深度和Vπ进行测量.MC 腔的线宽为2.2 MHz,自由光谱区为688 MHz.波长为852 nm 的激光通过调制器后匹配到MC,通过普通探测器(PD)对MC 腔的透射峰进行测量,将信号源(Keysight 33521A)输出调制射频信号加载到RPM 上,测量MC 的透射峰信号随射频信号幅值变化关系.根据(4)式和图2 可知,当调制深度增大时,MC 透射峰的主载波峰逐步降低,而二阶及以上边带峰逐步增加.当增大加载射频信号幅值使得MC 透射峰的主载波峰高度与正负一级边带峰高度一致时,对应调制深度为1.435;实测自研RPM 的调制深度随射频信号幅值关系结果如图5 所示;从实验结果可知,自研RPM 谐振频率为10.00 MHz 的RPM在峰值为8 V 射频信号驱动下调制深度为1.435,即主峰高度和边带高度一致,对应Vπ为13.38 V@852 nm@10 MHz;对于谐振频率为20.00 MHz 时,RPM 在峰值为13 V 射频信号驱动下调制深度为1.435.进一步根据(5)式可知调制器的Vπ和激光波长成正比,对于10 MHz 最佳调制频点时,如果激光波长分别为671,795,1064 nm 时,达到1.435调制深度时所需驱动电压峰值分别为6.34,7.5,10.4 V,分别对应于图5 中蓝线、紫线和红线.所以对于Vπ的测量需要指出其适用激光的波长,波长越大则Vπ越大.

图5 调制器调制深度随驱动电压变化测试结果图Fig.5.The test results of modulator debugging depth as a function of driving voltage.

其次,同样利用网络分析仪对谐振型光电探测器进行测试.入射激光经过振幅调制器(EOAM)后入射到RPD 上,矢量网络分析仪4395A 产生的内部参考信号经过功分后,一路加载到EOAM上,另一路作为网分的参考信号,设定4395A 扫频范围为0—50 MHz.RPD 将振幅调制后的激光光信号转换为电信号,接入到4395A 的信号输入端(A 端),可得到谐振型光电探测器的传输函数,详细过程可参见参考文献[19-23].

选用JDSU 公司光电二极管(ETX500)[34,37],在匹配合适电感值后,RPD 的最佳增益点为20.00 MHz,其传输函数随入射光功率的变化曲线如图6 所示.同样作为对比,测试了Thorlabs 公司型号为FPD510 探测器的传输函数;实验结果表明,在100 µW 激光入射时,自研RPD 的增益为80 dB,FPD510 的增益为60 dB.

图6 自研谐振型光电功能器件(a)与商用探测器(b)的传输信号测试图Fig.6.The test result of transmission signal of self-innovate resonant photoelectric devices (a) and commercial detector (b).

通过对RPM 及RPD 的单独测试,可对各自性能进行全面评估,进一步,通过MC 腔误差信号的信噪比和峰峰值对RPM 及RPD 组成的极微弱信号提取链路进行测试.

模式清洁腔的反射光入射到RPD 中,经过同频射频信号解调后生成的误差信号,改变射频信号相位使得误差信号对称,利用示波器记录优化好的误差信号,在一个周期内误差信号的最大值和最小值之间差值定义为误差信号峰峰值.误差信号的信噪比定义为误差信号峰峰值和零基线值的比值.对自研RPD 和全商用两种情况进行对比测试: 自研RPM 及RPD 组成的链接测试与Thorlabs 宽带调制器和FPD510 组成的链路测试.自研谐振器件链路中固定RPM 的调制驱动信号幅值为0.5 V,调制深度为0.055;全商用链路中固定RPM 的调制驱动信号幅值为8 V,调制深度约为0.055.误差信号混频中解调正弦信号的电压幅值为2—3 V,以峰峰值达到最大为止,混频后低通截止频率都为100 kHz.

实测MC 腔的直接解调误差信号信噪比和峰峰值测试结果如图7 所示.实验结果表明,当入射探测器激光为10 µW 时,FPD510 的误差信号峰峰值为1.051 mV,信噪比为1.612,自研RPD 的误差信号峰峰值为6.299 mV,信噪比为5.088;当入射探测器激光为50 µW 时,FPD510 的误差信号峰峰值为16.97 mV,信噪比为24.59,自研RPD的误差信号峰峰值为39.58 mV,信噪比为34.933;当入射探测器激光为100 µW 时,FPD510 的误差信号峰峰值为25.06 mV,信噪比为34.8,自研RPD的误差信号峰峰值为76.07,信噪比为58.7.

图7 MC 腔误差信号的信噪比和峰峰值测试结果图Fig.7.The test results of signal to noise ratio and peak-to-peak of MC cavity error signal.

上述实验结果表明: 在性能方面,自研谐振型光电功能器件在探测微弱调制信号及解调出高信噪比误差信号方面有优势;在所需材料及产业链方面,自研谐振型光电调制器所需元件均为国产,产业链自主可控且成本相对国外相关产品较低,填补国内相关领域空白;在结构设计方面,具有小型化、定制集成化及模块化等优势,可集成到诸如量子光源、稳频模块、光电反馈等场景中.需要指出的是,误差信号的峰值大小及信噪比还和调制深度、激光光强以及腔线宽等因素有关,所以固定其他因素后才进行相关对比实验,另外在实际锁定及稳频中需将探测器解调低通后的误差信号进一步输入到比例积分微分器中进行进一步优化,之后用于锁定.

4 结论与展望

针对极微弱信号提取及探测需求,研发高调制深度、低功耗、低Vπ的谐振型电光相位调制功能器件以及微瓦级、高信噪比谐振型光电探测功能器件.基于方便调节的单端楔角LiNbO3晶体、低噪声光电二极管及低损高Q电子元件组成谐振电路,利用谐振增强原理实现低功耗、高调制深度及高增益光电探测等;所研发的RPM 在最佳调制频点为10.00 MHz 时,带宽为225 kHz,Q值为44.4,调制深度为1.435 时所需射频驱动电压峰值为8 V;RPM在最佳调制频点为20.00 MHz 时,带宽为460 kHz,Q值为43.5,调制深度为1.435 时所需射频驱动电压峰值为13 V;自研的RPD 最佳探测频点为20.00 MHz,带宽为1 MHz,Q值为20,增益为80 dB@100 µW.

进一步,利用自研RPM 和RPD 组成极微弱信号提取链路: 微弱激光首先经过RPM 将相位调制射频信号加载到激光上,带有相位调制的激光经过MC 腔后,其反射激光携带腔长有关信息,将反射光入射RPD 进行微弱调制信号探测,通过同频射频信号解调出误差信号,实现极微弱信号提取,将调制深度设置为0.055,自研链路误差信号信噪比为5.088@10 µW,34.933@50 µW 及58.7@100 µW,商用链路的信噪比为1.612@10 µW,24.59@50 µW及34.8@100 µW,自研链路在微弱信号调制及提取等方面有优势.

此极微弱信号提取链路经过比例积分微分参数优化提升整个反馈控制环路性能及稳定性,为制备高稳定量子光源及超稳激光等领域提供关键器件及技术途径;此外,低损谐振回路也可应用在声光调制器及电光振幅调制器中,实现低驱动功耗、高增益光电功能器件,推动光电调制、光电探测、光电反馈及量子精密测量等多领域发展,并带动光电材料等上下游相关技术产品性能提升.