MZ调制器偏置控制与FP腔稳定控制的研究

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马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)和法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)腔是两种常用的光予器件,在光通信和微波光子技术领域倍受关注。但是这两种器件的稳定性是制约其应用的关键问题,需要通过主动控制,来保证其稳定工作。本文从理论和实验两个方面,对MZM的偏置点控制和FP腔的稳定控制进行了研究。  本文主要的研究内容和结论如下:  (1)对本课题的研究背景进行了系统性调研,分别研究了MZM偏置控制与FP腔稳定控制的方案,并在此基础上阐述了本课题的研究意义。  (2)推导了MZM的传递函数,分析了MZM的调制特性。研究了两种常用的MZM偏置控制方案,即恒光功率控制方案和外加颤音(dither tone)控制方案,通过对比,发现外加颤音控制方案可以有效消除PD响应度温漂带来的影响,优于恒光功率控制方案。  (3)完成了MZM偏置控制系统的设计。设计了频率为1kHz的颤音信号输出电路,中心频率为2kHz的带通滤波器和3dB截止频率为64Hz的低通滤波器,并测试了它们的性能。研究了颤音信号的基波和二次谐波幅度的解调方法以及数字PID算法。把MZM偏置控制系统当成一个负反馈自动控制系统来分析,对系统每一个模块建立了数学模型,给出了系统每一模块的传递函数,进而得出整个系统的开环、闭环和误差传递函数,并分析了干扰信号对偏置控制系统的影响。  (4)介绍了FP腔的基本原理及其参数。比较了三种FP腔稳定控制的方法,即功率透射谱控制方法、透射幅度微分控制方法和PDH(Pound-Drever-Hall)控制方法。通过分析可知,PDH方法优于其它两种方法。从理论上推导了误差信号的数学表达式,绘出了误差信号随腔长变化的曲线,设计了伺服电路,包括比例积分电路和电压偏置电路,并对PDH控制系统进行了稳定性分析。  (5)试验测量了FP腔的基本参数和误差信号曲线。最后对FP腔稳定控制进行了实验,并分析了实验结果。实验结果表明,PDH方法能够对FP腔进行稳定控制,且在6小时内,FP腔的稳定度达到10-8量级。
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