Towards optical fiber synthesis of millimeter and submillimeter - - PowerPoint PPT Presentation
Towards optical fiber synthesis of millimeter and submillimeter waves European Microwave Conference from 3 rd to 7 th October Presentation 06/10/2016 By Ayman HALLAL Steve Bouhier, Simon Le Mhaut and Franois Bondu Outline Introduction
European Microwave Conference from 3rd to 7th October Presentation 06/10/2016 By Ayman HALLAL Steve Bouhier, Simon Le Méhauté and François Bondu
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Introduction Design Schematic
Experimental results
Electrical power spectrum
Conclusion
3
Goal : Generation of millimeter and sub-millimeter low phase noise and widely tunable optical waves
THz spectroscopy of molecules Modern communications using high frequency bands:
Radar and radio-astronomy applications Applications:
4
Waves provided by an optical beat note of two optical carriers
𝜉2 P(𝜉) 𝜉 𝜉1 ∆𝜉 = RF frequency = multiple of the Free Spectral Range
5
DFB: Wavelength tunable over 4 nm (500 GHz)
Cavity: Linewidth: 1 MHz
Fibered cavity advantages:
EBLANA
FSR = 1GHz Q = 2.108
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Introduction Design Schematic
Experimental results
Electrical power spectrum
Conclusion
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Error signal generation: Pound-Drever-Hall technique
Laser carrier Side bands generated Cavity Laser carrier
Main Challenge:
High level frequency noise of free running laser: 150 Hz/√Hz white noise over 100’s MHz bandwidth Avoiding saturations of error and correction signals
Input of the second laser PC 45° Feedback of the second laser
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Servo loop design
Fast servo Loop 7 MHz bandwidth (length of 3.5 m) Fast loop: Compensation of the phase laser with an Electro-optic phase modulator with low Vπ = 3.2 V, 150 MHz bandwidth Slow loop: Modulation of the Laser injection current (350 kHz bandwidth) LTspice simulation model
Fast Electronic circuit design (Unity Frequency Gain ~40 MHz)
Very high gain under 200 kHz with Proportional multiple integrators P+I5 (DC gain ~ 6.1012) High bandwidth Operational Amplifiers (450 MHz) LTspice model
Solutions:
Fast corrector transfer function
G3 Fast correction I3 K = 1 P+I2 G1 G2 P+I G4 Slow correction Zeros at 200 kHz Zeros for cavity and EO pole compensation Zero at 4 KHz Error signal
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G3
I: integrator P: proportional G: Loop Gain control
10
Introduction Design Schematic
Experimental results
Electrical power spectrum
Conclusion
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High phase to amplitude couplings
Relative Intensity noise RIN 100 kHz RMS frequency excursion Frequency noise
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Electrical thermal noise limit
Phase noise measurements
Optical shot noise Electronic noise
DFB 1 servo loops Fibered cavity 45° Orthogonal polarizations PC DFB 2 ESA BW: 22 GHz G: 26 dB ESA BW: 40 GHz LO: 39.5 GHz G: 36 dB ESA BW: 108 GHz G: 26 dB G: 30 dB LO: 11.25 GHz 2, 10 18 GHz 40 GHz 92 GHz Sub-harmonic Mixer N = 8
13 Beat note linewidth: 30 Hz Same linewidth measurement at 92 GHz Span : 10 kHz
Electrical power spectrum at 10 GHz
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Introduction Design Schematic
Experimental results
Electrical power spectrum
Conclusion
15 7 MHz servo bandwidth with electronic corrections
demonstrated for the first time: 100 kHz RMS residual frequency noise excursion
Beat note wave tunable 1 GHz to 500 GHz 1GHz step 2 to 92 GHz beat note phase noise measurements : -60 dBc/Hz at 1 kHz
30 Hz beat note linewidth has been measured at 10 and 92 GHz frequencies 6 Hz/s frequency drift (170 kHz over 7 hours) Home made electronic correction circuits, reliable and robust feedback loops, no error and correction signal saturations
Phase noise measurements
Optical shot noise Electronic noise
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Phase noise measurements from 92 GHz to 500 GHz Submillimeter wave phase and amplitude noise improvements: 22 MHz servo bandwidth (Integrated electro-optical components, 30 cm)
Submillimeter wave frequency accuracy with thermal control of the cavity 100 kHz 0.12 °C Continuous frequency tunability with Phase Locked Loop 5-10 GHz with third DFB laser
DFB lasers Fibered cavity Electronic control circuits EO- 2
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𝒕 𝒖 = 𝒕𝟏 𝟐 + 𝒃 𝒖 𝐭𝐭𝐭(𝟑𝟑𝝃𝒑𝒑𝒖𝒖 + 𝒋φ(𝒖)) 𝜉𝑝𝑝𝑝 optical carrier frequency 𝑏 𝑢 amlitude noise φ 𝑢 phase noise 𝒇 𝒖 = 𝒇𝟏 𝟐 + 𝒏 𝒖 𝐟𝐟𝐟(𝒋φ(𝒖))
Signal Complex envelope Real
Quadrature signal modeling p(t) and q(t) 𝒇 𝒖 = 𝒇𝟏 𝟐 + 𝒑 𝒖 + 𝒋𝒋(𝒖) Real signal out
𝜉𝑠 resonance frequency 𝑅 quality factor Second order filter (resonator) 𝐼 𝜉 = 𝜉𝑠
2/𝑅
𝜉𝑠
2 − 𝜉2 + 𝑗𝜉𝜉𝑠/𝑅
Real signal in Complex envelope out
𝑔
𝑑 = 𝜉𝑠 2𝑅 Cut frequency
= resonance half linewidth ℎ 𝑔 = 𝜉 − 𝜉𝑝𝑝𝑝 ≅
1 1+𝑗𝑗/𝑗
𝑑
if 𝜉𝑠 = 𝜉𝑝𝑝𝑝 First order filter
Complex envelope in
Fast corrector transfer function
G3 Fast correction I3 K = 1 P+I2 G1 G2 P+I G4 Low correction Zeros at 200 kHz Zeros for cavity and EO pole compensation Zero at 4 KHz Ɛ
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G3
I: integrator P: proportional G: Gain THS30001 in proportional mode
integrator mode THS46311 in integrator mode
OPA827 in proportional and integrator mode
20 170 kHz over 7.5 hours of lock Average: 6.3 Hz/s
Frequency drift at 10 GHz
DFB 1 servo loops Fibered FP cavity 45° Orthogonal polarizations PC DFB 2 ESA BW: 22 GHz G: 26 dB ESA BW: 40 GHz LO: 39.5 GHz G: 36 dB ESA BW: 108 GHz G: 26 dB G: 30 dB LO: 11.25 GHz (a) (b) (c) Sub-harmonic Mixer N = 8
22 Non linear function 𝜉(𝑢)/(1 +
𝜉 𝑝 2 𝑗
𝑑 2 )
where 𝑔
𝑑 = half linewidth of the cavity
23 Loop length 30 cm → 22 MHz unity gain frequency RMS reduction to 30 kHz + High finesse cavity RMS reduction to 640 Hz Filter effect of the cavity
24
Beat note linewidth: 30 Hz
Span : 1 MHz Span : 10 kHz
Electrical power spectrums at 10 GHz
Frequency noise of the laser (dominant noise) Read noise of the error signal detector
Some noise in a FP cavity
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26
Fast electronic control circuit LTspice Model : Servo loop and control circuit High bandwidth and frequency excursion correction actuators: Low Vπ (3.5 V) EO phase modulator (BW: 150 MHz)
Frequency filter effect
Solutions
150 Hz/√Hz over 100 MHz
Error signal Correction signal
constraints
Bruit de fréquence d’une diode laser DFB
Bande passante d’asservissement 7 MHz Bande passante de la voie lente 350 KHz
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Plancher de bruit de fréquence en mode verrouillé dans le signal d’erreur 10 Hz/ Hz
Optical beat note of two laser diodes tunable over 4 nm each one
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Beat note stabilization
Advantages
frequencies
Inconvenient
ω ω1 ω2 t E(t) 1/2π∆ω I(f) ω2 ω1 ∆ω
Actionneur de la voie rapide (Modulateur de phase électro-optique (EOM) ‘Photline’)
Rq : Vpi petit <-> tension crête du signal de correction (saturation)
FT du EOM gérée par LTspice
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30 Pour s’assurer un verrouillage de fréquence laser sur une cavité : Boucle d’asservissement stable : Fonction de transfert en boucle
Temps de réponse de la boucle d’asservissement (l’inverse de la fréquence de gain unité)
inférieur au temps de passage par la résonance de la cavité
Fonctionnement d’asservissement dans la zone linéaire dans la cavité
le signal d’erreur plus petit que la largeur de raie de la cavité valeur efficace du signal d’erreur plus petite que sa valeur de saturation
Eviter la saturation au niveau du signal de correction
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Génération d’un signal Pound-Drever-Hall
∆Φ est l’écart entre l’onde entrante et l’onde réfléchie par la cavité
Raie cavité
∆Φ
Raie laser
Raie laser Bandes latérales
Correcteur υfree υstab
+ -
M ε ηread A υcav υcorr
+ + + +
Actionneur Capteur C
υ 0 Lcav
lcav Laser
Modulateur de phase R.F. Déphaseur
Mélangeur
Correcteur Capteur Actionneur
Cavité FP
Alimentation
32 Calcul de boucle fermée
Correcteur υfree υstab
+ -
M ε ηread A υcav υcorr
+ + + +
Actionneur Capteur C
υ 0 Lcav
lcav
free BO read BO BO cav BO BO stab
G M G G G G ν η ν ν + + + + + = 1 1 1 1 1
Fonction de transfert en boucle ouvert : 𝑯𝑪𝑪 = 𝑵𝑵𝑵
Boucle efficace : 𝐻𝐶𝐶 >> 1
33
υstab + - M ε ηread AR υcav υRcorr + + + + CR υ 0 Lcav lcav CL AL υLcorr υfree + + υGcorr
Laser
Modulateur de phase R.F. Déphaseur Mélangeur
AR
Cavité FP
CR CL AL
Lente Rapide
( )
BoL BoR BoG
G G G + = 1
R R BoR
A C M G =
L L R BoL
A C A G 1 =
Actionneur limité par l’excursion ou bande passante multi-actionneur
de la cavité
signal d’erreur pour la voie lente
décade au dessus de celle de la voie lente pour s’assurer un ensemble stable
34 Ecart type d’Allan du signal d’erreur calibrée en Hz/ Hz
∫
max min 2 2
) sin( ) ( sin 2 ) ( ) (
f f
df f f f f = τπ τπ τπ ε τ σ ε Largeur équivalente de raie du laser 100 Hz à 100 ms
35 Ecart type d’Allan du battement en longue terme
Largeur équivalente de raie du laser 1 kHz à 100 ms
Ecart type d’Allan du battement en court terme
36 Ecart type d’Allan du bruit de fréquence du DFB avec une FGU = 30 MHz
Largeur équivalente de raie du laser 30 Hz à 1ms et ~ 10 Hz à 10 ms
37 Génération d’une onde continue fixe : utilisation des diodes laser RIO Plancher de bruit RIO : 10 Hz
Hz ⁄ ; accordable 5 GHz
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Méthode passive de compression des impulsions paraboliques par deux fibres
NL D
L L N =
2 2
β T LD =
peak NL
P L δ 1 =
2 , 1
16 f L
β ζ =
δ β
2 2 2 ,
2 f N P
av
=
phase
une dispersion anormale ou bien par un module de compression (ex. un filtre de Bragg, prisme, etc.)
L1 EDFA 50:50 PM Coupleur 98:2 PM Coupleur Laser 1 Analyseur d’affichage laser 2 Compression Dispersion anormale HNLF/ Dispersion normale
Pav
2%
Fibres actuelles présentes :
facteur non linéaire de 10.8 W/m
dispersion chromatique de 17 km nm/ps
Simulation et expérimental
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Simulation : Résolution numérique de l’équation de Schrödinger NL par la méthode Split- Step Fourier Battement à 40 GHz
EDFA 50:50 PM Coupleur 98:2 PM Coupleur DFB 1 OSA DFB 2 HNLF 100 m 24 dBm 2% Fibre de Compression SMF 700 m L1 L2
40 Fréquence de gain unité 30 MHz DFB selon datasheet
LW PDH V(𝐝𝐝𝐟𝐝𝐟 𝐝𝐝𝐟𝐝𝐟) PDH Vrms Vrms 𝐖(𝐝𝐝𝐟𝐝𝐟 𝐝𝐝𝐟𝐝𝐟) Bruit de fréquence υrms υrms 𝑴𝑴
1 MHz 230 mv 115 mV 0,50 268 kHz 0,26 6 MHz 230 mv 102 mV 0,44 1,3 MHz 0,21 15 MHz 230 mv 93 mV 0,40 3 MHz 0,19 Fréquence de gain unité = 7 MHz Une cavité Fabry-Perot est un comme filtre optique passe bas en transmission
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Avec :
hν Z(2Gmix) Gmix le gain du mélangeur
Signal d’erreur (PDH)
42
2 1
) ( 1 ) ( ) 1 )( ( ) ( 2 ) (
p p ph
f f f f m J m J P K f + + − = ς ε
43
Laser
Modulateur de phase R.F. Déphaseur
Mélangeur
Correcteur Capteur Alimentation Actionneur
Cavité FP
C
Génération d’un signal Pound-Drever-Hall
∆Φ est l’écart entre l’onde entrante et l’onde réfléchie par la cavité
Raie cavité
∆Φ
Raie laser
Raie laser Bandes latérales
𝐵𝑀
+ -
𝑁 ε η𝑠𝑠𝑠𝑠 𝐵𝑆 υ𝑑𝑠𝑑
+ + + +
𝐷𝑆
υ 0 Lcav
𝑚𝑑𝑠𝑑 𝐷𝑀
+ + + +
𝑐𝑠𝑓𝑠𝑑 ε υ𝑆𝑑𝑝𝑠𝑠 υ𝑀𝑑𝑝𝑠𝑠 υ𝐻𝑑𝑝𝑠𝑠 υ𝑡𝑝𝑠𝑡 υ𝑗𝑠𝑠𝑠
44
free stab
CA ν ε ν + =
Calcul de boucle fermée
( )
free cav BO read BO
G M G ν ν η ε − + + + = 1 1 1
( )
stab cav read
M ν ν η ε − + =
Correcteur υfree υstab
+ -
M ε ηread A υcav υcorr
+ + + +
Actionneur Capteur C
υ 0 Lcav
lcav
− + + =
free cav read BO BO corr
M G G ν ν η ν 1 1
free BO read BO BO cav BO BO stab
G M G G G G ν η ν ν + + + + + = 1 1 1 1 1
Fonction de transfert en boucle ouvert : 𝑯𝑪𝑪 = 𝑵𝑵𝑵
Boucle efficace : 𝐻𝐶𝐶 >> 1
Le signal de correction mesure le bruit libre du laser
45
υstab + - M ε ηread AR υcav υRcorr + + + + CR υ 0 Lcav lcav CL AL υLcorr υfree + + υGcorr
Laser
Modulateur de phase R.F. Déphaseur Mélangeur
AR
Cavité FP
CR CL AL
Lente Rapide
( )
BoL BoR BoG
G G G + = 1
R R BoR
A C M G =
L L R BoL
A C A G 1 =
Actionneur limité par l’excursion ou bande passante multi-actionneur
de la cavité
signal d’erreur pour la voie lente
décade au dessus de celle de la voie lente pour s’assurer un ensemble stable
46
𝜉𝟑 t E(t) 𝟐/∆𝜉 P(f) 𝜉𝟐 ∆𝜉
47
𝜁1 Perturbation 𝑁𝐵𝑆
+ + + +
𝜁2 𝐷𝑆 𝐷𝑀 𝑁0𝐵0 𝐵𝑀
+ -
𝑁 η𝑠𝑠𝑠𝑠 𝐵𝑆 υ𝑑𝑠𝑑
+ + + +
𝐷𝑆
υ0
𝑀𝑑𝑠𝑑
𝑚𝑑𝑠𝑑 𝐷𝑀
+ + + +
𝑐𝑠𝑓𝑠𝑑 ε υ𝑆𝑑𝑝𝑠𝑠 υ𝑀𝑑𝑝𝑠𝑠 υ𝐻𝑑𝑝𝑠𝑠 υ𝑡𝑝𝑠𝑡 υ𝑗𝑠𝑠𝑠
+ -
𝑁 η𝑠𝑠𝑠𝑠 𝐵 υ𝑑𝑠𝑑
+ + +
𝐷
υ0
𝑀𝑑𝑠𝑑
𝑚𝑑𝑠𝑑
+ + +
𝑐𝑠𝑓𝑠𝑑 ε υ𝑑𝑝𝑠𝑠 υ𝑡𝑝𝑠𝑡 υ𝑗𝑠𝑠𝑠 Capteur Correcteur Actionneur
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Laser Modulateur de phase
Déphaseur Mélangeur
Correcteur Capteur Actionneur Cavité FP 𝐷 𝐵
49
Laser
Modulateur de phase R.F. Déphaseur Mélangeur
AR
Cavité FP
CR CL AL
Lente Rapide
50
DFB 1
ESA
DFB 2 Asservissement électronique Cavité FP LR : 15 MHz 45° BP : 20 GHz
Oscilloscope
Polarisations
CP
OSA Puissance mètre
51
DFB Cavité FP LR : 1 MHz Asservissement électronique CP
OSA Puissance mètre
EDFA CP HNLF 100 m
90 % Sortie Brillouin 10 %
Pompe
Brillouin Pompe
52
50:50 PM Coupleur
Modulateur AO 𝑔
𝐵𝐵= 80 MHz
DFB
ESA I/Q
50:50 PM Coupleur
Ligne de retard 𝑀 = 700 m
53
𝜉𝟑 t E(t) 𝟐/∆𝜉 P(f) 𝜉𝟐 ∆𝜉
54
DFB 1
ESA
DFB 2 Asservissement électronique Cavité FP LR : 15 MHz 45° BP : 20 GHz
Oscilloscope
Polarisations
CP
OSA Puissance mètre
G