Design and Implementation of an optical phase locked loop using interband cascade lasers

Abstract

Durch Überlagerung der Lichtfelder zweier unkorrelierter single-mode Laser, die bei leicht unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, erhält man Frequenzterme die bei der Summen und Differnzfrequenz der beiden Laserfrequenzen oszillieren. Wird der Frequenzunterschied klein genug gewählt liegt die Differenzfrequenz, welche bei dieser Schwebung erzeugt wird, im leichter zugänglichen HF-Bereich. Dies macht die Auswertung von Informationen aus dem optischen Bereich mit HF-Laborequipment möglich. Die Linienbreite eines solchen Schwebungssignals, auch Beatnote genannt, liegt im Gegensatz zur schmaleren Linienbreite der einzelnen Laser oft im Bereich mehrerer MHz. Diese Verbreiterung kommt einerseits durch intrinsiches Phasenrauschen beider unkorrelierter Laser, als auch Phasenrauschen der Lasertreiber und Instablitäten der Temperaturstabilisierung zustande. Für hochauflösende spektroskopische Anwendungen sind allerdings möglichst schmale Linienbreiten essentiell. Um eine fixe Phasenrelation zwischen den beiden Lasern einzustellen, kann eine Phasenregelschleife, oder in diesem Fall eine optische Phasenregelschleife implementiert werden. Innerhalb der Bandbreite einer solchen Rückkoppelungsschleife wird Phasenrauschen größtenteils unterdrückt. Dies ermöglicht das Erreichen von extrem schmalen Linienbreiten der beobachteten Beatnote im sub-Hertz Bereich. Eine herkömmliche Phasenregelschleife kann verwendet werden, um einen phasengekoppelten Zustand zwischen einem Spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und einem stabilen Referenzsignal zu erzeugen. Dies wird erreicht, in dem die Phasen beider Signale mithilfe eines Phasendetektors verglichen werden. Dieser erzeugt ein der Phasendifferenz proportionales Fehlersignal am Ausgang. Mit einem Schleifenfilter wird das Fehlersignal optimiert, und das so erzeugte Kontrollsignal wird wiederum in den VCO eingespeist. Der Schleifenfilter bestimmt zusätzlich wichtige Eigenschaften der Regelschleife wie Bandbreite, Stablität und Geschwindigkeit. Das kontinuierlich angepasste Rückkoppelungssignal minimiert die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen bis zu dem Punkt an dem eine stablie Phasenkopplung erreicht wird. Eine optische Phasenregelschleife verwendet das selbe Prinzip wie eine herkömmliche Phasenregelschleife um eine stabile Phasenkopplung zwischen zwei anfänglich unnkorrelierten Lasern einzustellen. In der hier vorgestellten Arbeit wird der Designprozess und die experimentelle Umsetzung einer optischen Phasenregelschleife unter Verwendung zweier Interbandkaskadenlaser (ICL) die bei einer Wellen- länge von 4587 nm betrieben werden behandelt. Dazu wird ein optisches Setup zur Erzeugung einer Beatnote mit rauscharmen Lasertreibern und hochstabilen Temperaturcontrollern implementiert. Dieses optische Setup wird als VCO der optischen Phasenregelschleife behandelt. Die Frequenzmodulationscharakteristik (FM-Charkteristik) des Modulationseingangs eines Lasertreibers wird experimentell bestimmt. Die experimentellen Daten für die FM-Charakteristik werden mithilfe eines analytischen Modells validiert. Die Phase des Beatnote Signals wird mittels eines Phasen-Frequenzdetektors (PFD) mit einem stabilen Refernzoszillator verglichen. Die Übertragungsfunktion des PFD und das analytische Modell der FM-Charakteristik des VCO werden zur Übertrangungsfunktion des offenen Regelkreises kombiniert. Es wird ein Filterpfad für niedrige Frequenzen entworfen, um einen Frequenzlock zu erreichen und die beiden Signale in den Phasenerfassungsbereich des PFD zu bringen. Zusätzlich wird ein zweiter, hochfrequenter Filterpfad entworfen um eine stabile Phasenkopplung zu erreichen. Das analytische Modell der Übertrangunsfunktion des Regelkreises wird im Filterentwurf angewandt um einen anfänglichen Parameterbereich für die beiden Filterpfade festzulegen. Mit Hilfe dieser Vorgehensweise wurde ein phasengekoppelter Zustand mit einer Schleifenbandbreite von 1.35 MHz und extrem schmaler Linienbreite erreicht. Eine stablie Phasenrelation kann bei variation des Referenzsignal in einem Frequenzbereich von über 70 MHz beibehalten werden. Die durch diese Arbeit erhaltenen Resultate und Methoden sollen eine fundierte Grundlage für zukünftigte Projekte im Bereich der Stabilisierung von Frequenzkämmen im mittleren Infrarotbereich und on-chip Integration der OPLL Hardware schaffen.

The light field, which is obtained by combining the light emitted by two uncorrelated single-mode lasers operating at slightly different frequencies, contains terms, which oscillate at the sum and the difference frequency. When the frequency offset is chosen to be small enough, the difference term of this beating can be observed with RF-equipment. This makes it possible to assess and evaluate information from the optical domain in a convenient way. The linewidth of such a beatnote is often found to be several MHz. This broadening originates from intrinsic phase noise of both uncorrelated lasers and phase noise caused by driver current and temperature stablization instabilities. For high resolution spectroscopic applications narrow linewidths are crucial. A phase locked loop (PLL), in this case an optical phase locked Loop (OPLL) can thus be used to establish a fixed phase relation between the two laser sources. Inside the bandwidth of the OPLL feedback loop, phase noise is highly supressed. Thus an OPLL can provide beatnote linewidths in the range of a few Hz. A conventional PLL provides a phase lock between the signal of a voltage controlled oscillator (VCO) and a stable reference signal. This is achieved by comparing the phases of both signals using a phase detector, which produces an error signal proportional to the phase difference at its output. A loop filter can subsequently be used to optimize the error signal and loop characteristics roviding a control signal which is fed back into the VCO. The constantly adapted feedback minimizes the phase difference between the two signals to the point where a stable phase relation is achieved. An OPLL uses the same principle of operation as a PLL. This thesis provides a framework for the design process by experimental implementation of an OPLL using two interband cascade lasers (ICLs) operating at 4587 nm as VCO. An optical beatnote setup using low noise laser current drivers and highly stable temperature controllers is implemented. The frequency modulation- (FM-) response of one current driver with modulation input is characterized experimentally. The experimental data is then used to validate an analytical model, which was applied for the design of the OPLL parameters. The phase of the beatnote signal at 100 MHz is compared to a reference signal provided by a stable signal generator using a phase frequency detector (PFD). Both the transfer function of the PFD and the analytical model for the FM-response of the VCO are combined to obtain an open-loop transfer function, which is used to design two loop filter pathes combining theoretical modelling and experimental testing. A low frequency filter path is designed to achieve a frequency lock, forcing the two signals into phase detection range of the PFD. Additionally a high frequency path is designed to achieve a stable phase lock. The approximative theoretical model provides a framework to determine inital parameters for both filter paths. By application of these techniques, a phase locked system with a bandwidth of 1.35 MHz and extremely narrow linewidth in the Hz range was achieved with a stable tuning range of several tens of MHz. The insights and results obtained in the course of this work provide a theoretical framework for future applications including phase locking of mid-IR frequency combs and on-chip OPLL integration.