UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA
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
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
Vd Vout _ DF e Vout _ DF i out
Demodulatore di fase
RIFERIMENTO
DF
FILTRO D’ANELLO f(t)
Vi VI seni t I
Vout VOUT cosout t OUT
t
Vc Vc 0 Vd u f t u du
0
VCO
out K o Vc
PLL ANALISI LINEARE
nel dominio di Laplace:
dout t
out t
dt
da cui:
out
out ( s)
s
•
1
Gloops K o K d F s
s
•
out
K o K d F s
i
s K o K d F s
•
e
s
i s K o K d F s
PLL CAMPO DI CATTURA
Assumendo:
F (s)
A0
1 s
{
si ottiene:
Vc
aggancio
Ko
Vc Vd F ( j 2 aggancio)
1
aggancio Vd A0 K o
SISTEMA ELETTROMECCANICO
SORGENTE RF
MIXER
CAVITA’ LASER
VCO
PIEZOELETTRICO
FILTRO D’ANELLO
CONTROLLORE
DEL
PIEZOELETTRICO
CAVITÀ LASER SCHEMA DI MODULAZIONE
L
2 L 1
time
c
f
L + ΔL
f
L f
L
f
f - Δf
SISTEMA ELETTROMECCANICO
SORGENTE RF
MIXER
CAVITA’ LASER
VCO
PIEZOELETTRICO
FILTRO D’ANELLO
CONTROLLORE
DEL
PIEZOELETTRICO
CAVITÀ LASER SCHEMA
• Cavità laser
Specchio ad alta
riflettività
Mezzo attivo
drogato neodimio
Assorbitore saturabile
Fascio laser in
uscita
Specchio convergente
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. Polo dominante:
2. Slew rate
G s
1
1
s 1
2 1500
SISTEMA ELETTROMECCANICO
FILTRO D’ANELLO
FOTODIODO
IPOTESI DI AGGANCIO IDEALE
• Guadagno d’anello e stabilità
SORGENTE RF
mixer
FILTRO D’ANELLO
out
out '
CAVITA’ LASER
VCO
PIEZO ELETTRICO
CONTROLLORE
DEL
PIEZOELETTRICO
IPOTESI DI AGGANCIO IDEALE
1
Gloop( s ) Vout _ mixer K o R( s ) A0
s
AMPIEZZA
DELLA
TENSIONE IN
USCITA AL
MIXER
1
1
s 1
2 1500
CONTROLLORE
DEL PIEZO
INTEGRATORE
FILTRO D’ANELLO
GUADAGNO DEL VCO
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
A _ FM
Vout _ mixer F j 2 f _ FM
Ko
SIMULINK SUPPORTO DI SIMULAZIONE
SIMULINK CAMPO DI CATTURA
aggancio
Ko
Vout _ mixer F ( j 2 aggancio )
Simulazione in assenza di FM
aggancio 86kHz
SIMULINK FM
Vout _ mixer F j 2 f _ FM
A _ FM
Ko
0.5 2000
In presenza di FM
200
7500
f_FM = 10 kHz
A_FM = 5 kHz
Ampiezza 2
5000
7500
1
62800 1
2
1e06
1
62800 1
1e042
1
1
2
62800
1
0.105
2
2000
2 10
SIMULINK TRANSITORIO DI AGGANCIO
Tensione
Tempo
SOLUZIONI CIRCUITALI STUDIO
FILTRO D’ANELLO
SOLUZIONI CIRCUITALI STUDIO
Condizione vincolante:
Vout _ mixer Ao
20kHz
V 26.67 mV
750kHz
Necessità di assicurare la stabilità
d’anello:
1
Gloop( s) 30e(03) 2 750e(03) R( s)
s
1
1
s 1
2 1500
SOLUZIONI CIRCUITALI REALIZZAZIONE
Guadagno d’anello:
1
s 1
1
1
Gloop( s) 30e(03) 2 750e03
4 2 4825
1
1
s
s 1
s 1
2 1500
2 480e03
SOLUZIONI CIRCUITALI REALIZZAZIONE
Schema elettrico della rete realizzata su basetta:
1
s 1
R( s ) 2 4825
1
s 1
2 480e03
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:
A_FM 2 kHz (20 kHz)
Vout _ mixer
A _ FM
Ko
f_FM < 1 kHz