Influência da Estabilidade RF sobre o Laser

Como observado na secção anterior, a injeção do sinal de RF no laser faz com que este fique sincronizado com a fonte de RF. Existindo a questão de saber como é que a estabilidade da fonte de RF influencia a estabilidade da frequência do trem de impulsos do laser, ou melhor, como é que o ruído da fonte de referência é transmitido para o laser. Nesta secção apresenta-se a avaliação experimental da influência da estabilidade das fontes de referência na estabilidade do próprio laser.

Em laboratório existem presentemente diversas fontes com diferentes estabilidades. As fontes são comparadas com uma fonte de Rubídio relativamente ao sinal de 10 MHz de referência. O oscilador de Rubídio é fabricado pela Datum, modelo LPRO, e apresenta uma estabilidade relativa de 4,04 x10-11 (σy=1 s).

O instrumento de análise de estabilidade (‘Allan Deviation’) é fabricado pela Timing Solution™, modelo TSC 5110A. Este instrumento é capaz de avaliar níveis de estabilidade entre duas frequências até aos 20 MHz. Para frequências mais elevadas, foi desenvolvido um programa que, com o auxílio do frequencímetro de precisão, permite ultrapassar aquele limite. Em virtude do frequencímetro só permitir analisar frequências até 20 GHz, este é o limite da instrumentação de análise. O algoritmo do programa foi descrito anteriormente na secção ‘Influência da Corrente sobre a Estabilidade do Laser’, na página 118.

Os osciladores utilizados neste estudo são: um oscilador controlado por tensão (VCO); um cristal de quartzo simples do frequencímetro da Fluke™ (XOXII); um oscilador controlado por tensão (VCXO) do gerador de RF da Anritsu™ e por fim, um oscilador com temperatura estabilizada (OCXO) do frequencímetro da Agilent™. As suas principais caraterísticas são:

• O frequencímetro modelo 53230 fabricado pela Agilent™ é o único que possui um oscilador interno de elevada precisão. O seu oscilador interno é do tipo OCXO cuja estabilidade em termos de ‘Allan Deviation’ é de 10-11 (τ=1s);

• O gerador de RF possui um oscilador interno do tipo VCXO, do inglês ‘Voltage

Controlled Crystal Oscillator’. De acordo com a sua folha técnica, os valores são dados em

função do ruído de fase (‘single sideband phase noise’ em inglês). O ruído de fase e ‘Allan

Deviation’ são medidas de estabilidade do oscilador mas um é adquirido no domínio das frequências e o outro no domínio do tempo, respetivamente. Convertendo a curva de ruído de fase para a curva de ‘Allan Deviation’ obtemos a curva de estabilidade do oscilador do gerador de RF, e que para um tempo de integração de 1 s (τ = 1s) é de 3,10x10-9;

• O oscilador controlado por tensão (VCO) modelo ZX95-5400+ fabricado pela Mini-Circuits™, permite variar a sua frequência de oscilação entre 4,3 GHz e 5,4 GHz, contudo, por se tratar de um oscilador de baixo custo, não possui nenhuma saída de referência. Assim, não é possível recorrer ao instrumento da Timing Solution™ para o estudo de estabilidade do laser.

O procedimento para a aquisição dos dados de estabilidade foi dividido em duas etapas, pois não existe a possibilidade de analisar os osciladores e o laser no mesmo equipamento. Assim, a primeira parte refere-se à obtenção de curvas de estabilidade dos relógios de referência de 10 MHz. A segunda etapa visa a obtenção de curvas de estabilidade do laser em modo híbrido com a fonte de RF com os diversos relógios de referência de 10 MHz, sendo isso possível porque quando a fonte de RF deteta um sinal de relógio na sua entrada de referência, automaticamente usa esse sinal como referência interna do oscilador.

Na Figura 90 é apresentado o gráfico com todos os dados compilados, para as mesmas condições de temperatura e corrente. Na análise da estabilidade dos osciladores de 10 MHz, as curvas iniciam-se em 10-2 s, o mínimo que o aparelho permite, e vão até 103 s. Por outro lado, o tempo de integração mínimo que o frequencímetro permite é de 1 µs, o que define o limite mínimo em termos de análise da estabilidade temporal. A desvantagem do uso do frequencímetro é o facto de o programa adquirir 1000 amostras para calcular o valor da estabilidade, o que torna moroso obter valores para tempos de integração maiores. Assim, por questões práticas, a curva de estabilidade termina quando o tempo de integração é de 1 s.

Figura 90 – Compilação de todos os dados de estabilidade do laser com diversos relógios. O gráfico em destaque é a ampliação das curvas de estabilidade entre 10-2 _{e 10}0_.

Como se observa pelo gráfico, a curva azul refere-se ao laser em modo passivo. A estabilidade do laser em modo passivo é de ≈10-6. A fonte de RF testada é o VCO de baixo custo. Como se pode observar, existem melhorias, mas não significativas, quando comparado com as outras fontes.

O resultado deste estudo é apresentado na Figura 91, onde são apresentadas as curvas de estabilidade dos osciladores e da frequência do trem de impulsos do laser, e nas quais o intervalo de integração é igual para ambas. Para melhor comparação, a área entre a curva do oscilador e da frequência é preenchida (colorida) com o objetivo de realçar a diferença entre as duas curvas de estabilidade. Por exemplo, a curva a vermelho refere-se à estabilidade do laser quando a fonte de RF se encontra referenciada ao oscilador OCXO. A curva de estabilidade do OCXO possui a cor verde-azeitona. A diferença entre ambas as curvas possui a cor magenta.

Figura 91 – Comparação das curvas de estabilidade entre o laser e os osciladores de referência. As áreas preenchidas correspondem às diferenças entre as duas.

Os 10 MHz de referência são injetados no gerador de sinal, onde são multiplicados. O sinal de RF de saída passa pela sonda de RF e modula o laser, que é posteriormente analisado pelo frequencímetro de precisão. Embora todas estas etapas entre os 10 MHz de referência e o trem de impulsos do laser introduzam ruído, as duas curvas possuem valores muito semelhantes, como se pode observar. Pode então afirmar-se que a estabilidade do laser se encontra diretamente relacionada com a estabilidade da fonte de referência. Conclusões idênticas podem ser obtidas da análise das curvas para os outros osciladores.

Desta forma provou-se que o laser, quando em modo híbrido, i.e., sincronizado com a fonte externa de RF, possui a mesma estabilidade da fonte de RF. Trata-se de um resultado muito importante porque o laser depende apenas da estabilidade da fonte de RF. Esta conclusão foi publicada na revista ‘Laser Physics Letter’ em 2015 [54].