Studio di un sistema elettromeccanico ad aggancio di fase per un laser in mode-locking

Relatore: prof. Carla Vacchi

Correlatore: ing. Daniele Scarpa Sosio Marco

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA

OBBIETTIVO DELLO STUDIO

• Analizzare la possibilità di realizzare un aggancio fra la forma d’onda di un laser impulsato e un riferimento RF

• Analizzare le modalità di realizzazione dell’aggancio

Modellizzazione Spice

PLL PRINCIPIO

Permette di generare la corrispondenza in frequenza e fase

fra una forma d’onda di riferimento e una forma d’onda

generata all’interno del sistema.

Si può caratterizzare come un filtro passa banda sulla

portante del riferimento

PLL SCHEMA A BLOCCHI

RIFERIMENTO

Demodulatore di fase

IiIi tsenVV

OUToutOUTout tVV cos

coout VK

outiDFouteDFoutd VVV __

duutfuVVVt

dcc 0

0

VCO

FILTRO D’ANELLO f(t)DF

PLL ANALISI LINEARE

nel dominio di Laplace:

da cui:

tdt

tdout

out

ss out

out

)(

•

•

•

s

sFKKsGloop do

1

sFKKs

sFKK

do

do

i

out

sFKKs

s

doi

e

PLL CAMPO DI CATTURA

Assumendo:s

AsF

1)( 0

o

aggancioc K

V

)2( agganciodc jFVV {

odaggancio KAV

10si ottiene:

SISTEMA ELETTROMECCANICO

SORGENTE RF MIXER

PIEZOELETTRICO

CONTROLLORE DEL PIEZOELETTRICO

VCO

CAVITA’ LASER

FILTRO D’ANELLO

CAVITÀ LASER SCHEMA DI MODULAZIONE

fc

Ltime

12

f

f

L

L

L f

f - ΔfL + ΔL

SISTEMA ELETTROMECCANICO

SORGENTE RF MIXER

PIEZOELETTRICO

CONTROLLORE DEL PIEZOELETTRICO

VCO

CAVITA’ LASER

FILTRO D’ANELLO

CAVITÀ LASER SCHEMA

• Cavità laser

Fascio laser in uscita

Specchio ad alta riflettività

Mezzo attivo drogato neodimio

Specchio convergente

Assorbitore saturabile

CAVITÀ LASER

SISTEMA ELETTROMECCANICO STRUMENTI UTILIZZATI

• Sorgente RF

E4438C Agilent

• Mixer

IRM0208LC2A Miteq

Uscite I e Q

SISTEMA ELETTROMECCANICO STRUMENTI UTILIZZATI

• Controllore del piezoelettrico

MDT694A Thorlabs

• Piezoelettrico

NF2AP50 Thorlabs

SISTEMA ELETTROMECCANICO MISURA SUL CONTROLLORE

Risposta in frequenza del controllore del piezoelettrico:

1

150021

1

s

sG

1. Polo dominante:

2. Slew rate

SISTEMA ELETTROMECCANICO

FILTRO D’ANELLO

FOTODIODO

IPOTESI DI AGGANCIO IDEALE

• Guadagno d’anello e stabilità

SORGENTE RF

CAVITA’ LASER

mixer FILTRO D’ANELLO

PIEZO ELETTRICO

CONTROLLORE DEL PIEZOELETTRICO

VCO

out'out

IPOTESI DI AGGANCIO IDEALE

115002

11

)(1

)( 0_

s

AsRKs

VsGloop omixerout

CONTROLLORE DEL PIEZO

FILTRO D’ANELLO

GUADAGNO DEL VCO

AMPIEZZA DELLA TENSIONE IN USCITA AL MIXER

INTEGRATORE

CONDIZIONI REALI PROTOTIPO SORGENTE LASER

Oscillatore ottico: segnale impulsato a 4.7 GHz

modulazione FM spuria:

A_FM = 20 kHz

f_FM = 100 Hz

IPOTESI DI AGGANCIO

• Relazione fondamentale FM

o

mixerout K

FMAFMfjFV

__2_

SIMULINK SUPPORTO DI SIMULAZIONE

SIMULINK CAMPO DI CATTURA

)2(_ agganciomixerouto

aggancio jFVK

kHzaggancio 86

Simulazione in assenza di FM

SIMULINK FM

In presenza di FM

105.02000

1162800

102

1

162800041

1

162800061

1

7500

50002 2

2

2

2

e

eAmpiezza

f_FM = 10 kHz

A_FM = 5 kHz

o

mixerout K

FMAFMfjFV

__2_

7500

20020005.0

SIMULINK TRANSITORIO DI AGGANCIO

Tensione

Tempo

SOLUZIONI CIRCUITALI STUDIO

FILTRO D’ANELLO

SOLUZIONI CIRCUITALI STUDIO

mVVkHz

kHzAV omixerout 67.26

750

20_

Condizione vincolante:

Necessità di assicurare la stabilità d’anello:

115002

11

)()03(75021

)03(30)(

s

sRes

esGloop

SOLUZIONI CIRCUITALI REALIZZAZIONE

Guadagno d’anello:

1034802

1

148252

1

41

15002

11

0375021

)03(30)(

s

e

s

se

sesGloop

SOLUZIONI CIRCUITALI REALIZZAZIONE

Schema elettrico della rete realizzata su basetta:

1034802

1

1482521

)(

se

ssR

SOLUZIONI CIRCUITALI SPERIMENTAZIONE

• L’introduzione pratica non conduce ai risultati desiderati

• Le forme d’onda si sovrappongono per istanti non periodici

• Il movimento del carrello del piezo si accompagna a un forte disturbo sonoro

• Aumentare il guadagno d’anello peggiora il funzionamento della cavità laser

SIMULAZIONE SITUAZIONE SPERIMENTALE

Tentativo di ricostruire in simulazione la forma d’onda ottenuta durante le prove pratiche di aggancio

A_FM=180 kHz

f_FM=20 kHz

Eliminando la periodicità con una variazione casuale

CONCLUSIONE RISULTATI SPERIMENTALI

1.L’anello realizzato non presenta le potenzialità per inseguire la FM presente sulla cavità.

2.Il carrello piezoelettrico non risponde bene a un guadagno eccessivo.

CONCLUSIONE PROPOSTA DI SPECIFICHE

Ponendo i limiti di guadagno:

omixerout K

FMAV

__

A_FM 2 kHz (20 kHz)

f_FM < 1 kHz