FPGA-based Servo Design for Ultra-stable Laser Systems

Recent technological advancements allowed digital electronics and in particular Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) to being suitable for low-latency operations that during the past two decades were reserved only to analog circuitry. Among the several different fields where these devices can find application, experimental physics and especially the field of feedback controls, where analog PIDs dominates the market, very recently have started to benefit of the incredible versatility and fast reconfigurability of such a digital device that nowadays begin to be competitive with the analog counterparts. Phase and frequency stabilization of lasers, in particular, could leverage the possibility to straightforwardly configure the servo-loop-filter depending on the actuator as well as on specific applications. The main goal of this thesis is the design, implementation, and characterization of a reconfigurable digital servo controller for phase and/or frequency laser stabilization realized on a cheap, small footprint and commercially available Red-Pitaya platform. The implemented servo controller, optimized to have the lowest possible propagation delay (namely T_{delay} approx 150 ns in the PIID configuration), demonstrated a control bandwidth in excess of 500 kHz to frequency stabilize a single mode laser to an optical cavity in a Pound- Drever-Hall scheme. To date, this is the best documented result obtained with the Red Pitaya platform. In these conditions, the stabilized laser showed a fractional frequency instability of 1.15e-15 at 1 s.

I recenti progressi tecnologici hanno consentito ai dispositivi digitali ed in particolare ai Field Programmable Gate Arrays (FPGA) di essere impiegati in sistemi a bassa latenza che negli ultimi due decenni sono stati riservate solo ai circuiti analogici. Tra i diversi campi in cui questi dispositivi possono trovare applicazione, la fisica sperimentale e in particolare i controlli a retroazione, campo in cui i PID analogici dominano il mercato, hanno iniziato a beneficiare molto recentemente della straordinaria versatilità e della rapida riconfigurabilità di tali dispositivi che, al giorno d’oggi, cominciano ad essere competitivi con i corrispettivi analogici. La stabilizzazione di fase e/o di frequenza dei laser, in particolare, può sfruttare la possibilità di configurare direttamente la funzione di trasferimento in base all'attuatore e all'applicazione specifica . L'obiettivo principale di questa tesi è la progettazione, l'implementazione e la caratterizzazione di un servocontrollore digitale riconfigurabile per la stabilizzazione della fase e/o della frequenza di una sorgente laser realizzandolo sulla piattaforma Red-Pitaya che è un'alternativa economica sul mercato ed ha dimensioni molto contenute. Il servocontrollore implementato, ottimizzato per avere il più basso ritardo di propagazione possibile (T_{delay} circa 150 ns nella configurazione PIID), ha dimostrato una banda di controllo superiore a 500 kHz nella stabilizzazione in frequencza di un laser a singolo modo rispetto ad una cavità ottica con un aggancio Pound-Drever-Hall realizzando, ad oggi, il miglior risultato documentato ottenuto con la piattaforma Red Pitaya. In queste condizioni, il laser stabilizzato ha mostrato una stabilità in frequenza frazionaria di 1.15e-15 a 1 s.