presentazione - Università di Pavia

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  seni  t  I 
Vout  VOUT  cosout  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:
dout t 
 out t 
dt
da cui:
out
out ( s) 
s
•
1
Gloops   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
1e042

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