（光学工程专业论文）法布里珀罗激光器的光光互作用研究.pdf

中文摘要 摘要：全光包交换技术无需光电光的转换，克服了电子速率瓶颈，能够极大地提 高网络交换和路由分配的灵活性、增加用户的数量、实现网络节点的自动识别与 即插即用功能，因此光包交换将是全光网的下一个战略目标。法布里珀罗半导体 激光器的光光互作用在全光网及光逻辑中有广泛的应用，如全光开关，全光波长 转换，全光波形整形，全光触发器，全光逻辑器件等等。 本文对法布里珀罗激光器的光光互作用做了大量的理论分析，并对其在全光 网中的应用做了研究和总结，得出了激光器输出功率和波长的稳定对其应用影响 极大。根据对法布里珀罗激光器的要求，设计并制作了激光器的驱动和温控部分， 达到了功率和波长稳定可调的要求，并添加了激光器工作温度显示功能。之后设 立实验，对法布里珀罗激光器的光光互作用进行研究，观测到了由光光互作用引 起的注入锁定现象和双稳态现象，并对结果做了分析。 最后提出了一种基于法布里一珀罗激光器的全光逻辑非门系统，实现了对 2 5 g b s 的信号的逻辑非运算，消光比达到8 d b 。该全光逻辑非门系统的结构简洁， 易于集成，提出的模型对于以后全光逻辑运算的研究有重要的指导意义和参考价 值。 关键词：法布里珀罗激光器；光光互作用；全光逻辑运算；注入锁定 j 竖塞銮塑太堂亟堂位途塞旦s 至b g ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：a l l o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y w h i c hn e e d n tu s e p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n o fl i g h to v e r c o m et h ee l e c t r o n i cs p e e db o t t l e n e c k t h i s t e c h n o l o g yc a l lg r e a t l yi m p r o v e st h ef l e x i b i l i t yo fn e t w o r ks w i t c h i n ga n dr o u t i n g d i s t r i b u t i o n ，i n c r e a s e st h en u m b e ro fu s e r s ，a c h i e v en e t w o r kn o d e st ot h ea u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n ，s oo p t i c a lp a c k e t s w i t c h e dw i l lb et h en e x ts t r a t e g i co b j e c t i v e so f a l l - o p t i c a ln e t w o r k t h ei n t e r a c t i o no ft w ol i g h tb e a m si nf a b r y p e r o ts e m i c o n d u c t o r l a s e rd i o d eh a v eal a r g er a n g eo fa p p l i c a t i o n si na l l o p t i c a ln e t w o r k sa n do p t i c a ll o g i c ， s u c ha sa l l o p t i c a lo n o f fs w i t c h ，a l l - o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n , a l l - o p t i c a l w a v e f o r ms h a p i n g ，a l l - o p t i c a lf l i p - f l o p ，a l l - o p t i c a ll o g i cd e v i c ea n ds oo n i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo ft h ei n t e r a c t i o no ft w ol i g h tb e a m si nf a b r y - p e r o tl a s e r d i o d eh a sb e e na n a l y z e d ，a n dt h eu s a g eo ft h el a s e rd i o d ei na l l - o p t i c a ln e t w o r kh a sb e e n s t u d i e d t h eo u t p u tp o w e ra n dw a v e l e n g t hs t a b i l i t yi sf i n e do u tt oh a v eg r e a ti m p a c ti n i t sa p p l i c a t i o n b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so ff a b r y p e r o tl a s e rd i o d e ，t h ep a r to fl a s e r d i o d e - d r i v e na n dt e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dh a sb e e nd e s i g n t h ef u n c t i o no ft e m p e r a t u r e d i s p l a yi sf i r s t l yu s e di nt h em a k i n go fl a s e rd i o d e a n dt h e ns o m ee x p e r i m e n t sb a s e d o n f pl a s e rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y , s u c h a s t h e i n j e c t i o n l o c k e da n do p t i c a lb i s t a b i l i t yh a v e b e e nf i n e do u t f i n a l l y , an o ng a t ew h i c hi sb a s e do nf a b r y - p e r o tl a s e rd i o d ei sp r o p o s e d ，w h i c hc a nb e u s et oa2 5 g b sd a t es i g n a l ，a n dt h ee x t i n c t i o nr a t i oi s8 d b t h ea d v a n t a g eo ft h i s s y s t e mi ss i m p l es t r u c t u r ea n dc a nb ei n t e g r a t e de a s i l y t h i sm o d e lh a si m p o r t a n t g u i d a n c em e a n i n ga n dr e f e r e n c ev a l u et ot h ef u t u r er e s e a r c ho fa l l - o p t i c a lf l i p f l o p k e y w o r d s ：f a b r y - p e r o tl a s e rd i o d e ；t h ei n t e r a c t i o no ft w ol i g h tb e a m s ； a l l - o p t i c a ll o g i co p e r a t i o n ；i n j e c t i o n l o c k e d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢察叶 签字日期：加口7 年多月歹9 日 导师签名：够粝 期：1 年多吩同 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特另t 1 ) j h 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 致谢 本论文的工作是在我的导师王智教授和吴重庆教授的悉心指导下完成的，两 位教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，我心存感恩。 在此衷心感谢两年来王智教授和吴重庆教授老师对我的关心和指导。 王智教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向王智老师表示衷心的谢意。 吴重庆教授、盛新志教授以及王健副教授等对于我的科研工作和论文都提出 了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，赵爽、高凯强、王亚平、杨双收、余贶碌、 尚超等博士对我论文中和研究工作给予了热情帮助，他们对待科研的认真态度和 孜孜不倦的求是精神深深感染了我，这将有益于我今后的学习和工作，在此向他 们表达我的感激之情。 感谢我的同窗王俏、疏达、哈谦等，他们不仅对我的论文和研究工作给与了 热情的帮助，同时兄弟姐妹间亲人般的情谊一直是我前进的动力，在此向他们表 达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，感谢所有曾经关心和帮助过我的朋友们! 1 1 课题研究背景 1 引言 全光包交换技术无需光电光的转换，克服了电子速率瓶颈，能够极大地提高 网络交换和路由分配的灵活性、增加用户的数量、实现网络节点的自动识别与即 插即用功能，因此全光包交换将是全光网的下一个战略目标【l 】。 全光包交换涉及到很多基础性的技术问题，如数据包结构、节点结构、接口 问题、路由问题、光包的同步和冲突问题等，其中用于取代电逻辑器件的全光逻 辑器件也是一个重要问题。法布里一珀罗半导体激光器( 简称f p 腔激光器) ，其输 出的光谱特性受到注入光的影响，这种光光互作用会导致波长锁定，双稳态光学 现象。这些现象在全光网及光逻辑中有广泛的应用，如全光开关，全光波长转换， 全光波形整形，全光触发器，光逻辑器件等等。 1 1 1f p 腔激光器在全光波形整形中应用 全光信号的再放大，定时提取，识别再生技术( 3 r 技术) 在光传输中扮演着 很重要的角色，以避免噪声的叠加和信号失真1 2 1 0 近年来基于注入锁定激光器的 全光波形整形技术倍受关注。【3 1 w e i c h 等人h 1 提出了一种通过f p 腔激光器的波长 转换而对1 0 g b s 的归零信号整形的方法。在此基础上l i x i nx u 巧1 等人又研究出了 使用双模式注入锁定的f p 腔激光器对失真的1 0 g b s 的n r z 伪随机比特信号进行 全光的整形的方法。这个方法主要是基于f p 腔激光器光光相互作用而产生的注入 锁定的现象6 ，当一个频率在f p 腔激光器的自由光谱范围之内的外部光信号注入 到f p 腔激光器之后，f p 腔激光器将处于两种状态。当注入的信号的光功率高于 某个阈值功率最时，f p 腔激光器只输出与注入光频率相同的纵模，其他各纵模受 到抑制截止，注入信号光经f p 腔激光器后仍然存在。当注入的信号的光功率低于 于某个阈值功率只时，不会对f p 腔激光器的输出产生影响，注入的信号将被湮没 在f p 腔激光器中。 基于这个原理可以实现对输入波形的整形，当一个失真的光脉冲被注入到一 个f p 腔激光器中，只有功率高于阈值功率的部分，可以得到保留，低于阈值功率 的部分将会消失，当噪声功率导致0 1 信号失真时，f p 腔激光器可以使得低于阈值 的带有噪声的信号全部变为0 ，高于阈值的带有噪声的信号全部变为1 ，从而实现 些夏奎盟厶望亟主芏焦监童l l直 了对输入波形的整形。为了提高系统的消光比，在注入失真的光脉冲同时，可向 f p 腔激光器注入一个波长连续的光脉冲。它的作用是当光脉冲中低于闽值功率的 部分注入到f p 腔激光器的时候，在波长连续光脉冲的作用下，f p 腔激光器的各 纵模可以更快的从之前的状态恢复到正常。由于f p 腔激光器是多纵模激光器，所 以利用这个方法还可以用一台f p 腔激光器同时对多个不同波长的光脉冲进行整形 1 7 1 图1 - 1 系统结构图 f i g 1 - lt h es l r a c l u r e f i g u r e o f s y s t 唧 图i - 1 为l i x i n x u ”1 等人提出的系统的结构罔，可调谐激光器t l l 和t l 2 都 为信号发生装置，当进行单一波形整形实验中只需用到一个，因此将t l 2 关闭。 使用一个电脉冲发生器对可调谐激光器tl l 进行控制，使其输出一个2 2 3 字节长 度的速率为1 0 g b s 的1 5 5 03 2 5 n m 光信号。光信号经过长为5 0 k i n 的两端正规单模 光纤传输，3 个掺铒光纤放大器( e d f a l e d f a 2 和e d f a 3 ) 被用于对光信号进行 放大，补偿传输中的衰减，3 个可调衰减器( a 1 t 1 a t t 2 和a t t 3 ) 用于对e d f a 输出功率进行控制。最后通过光耦合器( c o u p l e r ) 和由可调谐激光器t l 3 发出的 波长连续的光脉冲一起，经光环行嚣( c i r c u l a t o r ) 注入到f p 腔激光器中，之后再 经光环行器输入到示波器( t f ) 上检测。幽1 2 为实验中测得的使用f p 腔激光器 前后得到的光脉冲的眼图，图a 为使用前图b 为使用后。 紫燃 图i - 2 实验结果圈 f i g1 2 t h er e s u l t s o f e x p e r i m n e t 从眼图中可以清晰地看出利用f p 腔激光器进行波形的整形是非常成功的 1 1 2f p 腔激光器在全光触发器中应用 全光触发器( o f f ，a 1 1 o p t i c a lf l i p f l o p ) 是具有记忆功能的光时序逻辑器件，通 过它们的组合可以实现高速光信号处理的各种功能，如时钟恢复、再生、帧头分 离、帧头识别、数据恢复等。因此光触发器的性能，如响应速度、体积、输出状 态对比度等都直接影响到节点以至于整个光网络的性能。 该触发器是以波长作为触发信号和输出信号的全光触发器，依然利用f p 腔激 光器的光光相互作用，原理硌1 如图1 3 。 r e s e t p u l s ea t ks e t p u l s ea t k 扣n l o c km a s t e rf p - l d )i u n l o c ks l a v ef p - l o i 图1 3 基于f p 腔激光器的全光触发器 f i g 1 3t h ef i g u r eo f t h ee x p e r i m e n tm o d e l 气是从s l a v e 激光器自锁定的输出波长，乃是m a s t e r 激光器的自锁定波长， 当m a s t e r 激光器输出的功率p ，乃在一定范围内时，s l a v e 的输出受其控制，输出 露击p)i由；口l 一暑出p)，i 盖p)i耋主 e已kk台tp-“ 铆 彻 绀 油 瓜，九两种波长的光，这是触发器的初始状态，如图a 。当s l a v e 激光器收到触发 信号丑时，由于功率过高，五的光被抑制，如图b 。当触发信号消失时，由于乃的 存在，五仍然被限制，如图c 。当m a s t e r 激光器收到r e s e t 信号丑时，乃被限制， 功率变小，对矗的限制也变小，使得矗可以恢复，如图d 。当乃消失时，回到初 始状态，如e 。以上便是触发器的基本原理。 可见，触发信号输入前后，s l a v e 激光器接收到的m a s t e r 激光器输出的功率只 一样，但是s l a v e 激光器的输出状态确实a 和c 两种不同的情况，这便成为f p 腔 激光器的双稳念特性。 1 1 3f p 腔激光器在全光波长转换中应用 全光波长转换器是未来光通信和宽带网络的关键器件之一，尤其是对于波分复 用网络更为重要，它对提高波分复用系统的灵活性、增加波长再利用、避免交叉 连接中波长信号之间的竞争和阻塞等具有重要作用。目前，实现全光波长转换的 主要技术有很多，比如四波混频、电吸收调制、交叉增益调制和交叉相位调制。 安义等人利用f p 腔激光器的光光互作用，实现了基于f p 腔激光器的全光波长转 换9 1 。 隅瘸瓣馏擞捧锄器鞴禽籍鲜形瓣 鬻n l 工 一b 骖搿党缗 放大器 燃蜮圈 毙谤绂 党匏攘蕤器 掺锈汔绎 放大缀 燮归 垂翌( 固1 整鲨 群形貉 图1 4 实验系统图 f i g 1 - 4t h es 咖c t u r ef i g u r eo fs y s t e m 图1 4 为实验系统图，两路光经过耦合器、环形器共同注入到f p 腔激光器发 生交叉增益调制，f p 腔激光器的输出经过可调谐滤波器提取后，分别用光谱仪和取 样示波器观测转换波长和波形。信号光和探测光由分布反馈式半导体激光器 f d f b l d ) 产生，d f b l d l 产生中心波长为1 5 5 2 1 6 2n m 的连续光，经一个调制 器产生重复速率可调的光脉冲。探测光来自d f b l d 2 ，波长为1 5 4 8 1 2 3n m ，隔离 器控制光单向传输，偏振控制器用来控制注入光的偏振态和耦合效率。 4 兰 实验经过调节信号光的平均注入功率、探测光的注入功率以及探测光与f p 腔 激光器之间的关系等因素，观测波长转换的效果。 图1 5 实验结果图 f i g 1 - 5t h er e s u l t so fe x p e r i n m e t 图1 5 为得到的实验结果9 1 ，可以看出信号光的光功率转变为了探测光的光功 率，实现了波长转换。 1 1 4f p 腔激光器在全光开关中应用 全光包交换技术中。逻辑功能的实现必须使用光开关，比如使用超高速的非 线性干涉仪t l o 以及基于波长转换的光开关等1 1 1 | 1 1 2 1 。w h c h u n g 等人利用多波 长相互注入光锁定的f p 腔激光器的全光开关1 1 3 1 无需进行波长转换，可以用于 速率高达1 0 g b s 的数字信号，用光谱仪观察消光比达到1 6 d b 。 图1 - 6 系统结构图 f i g 1 - 6t h es t r u c t u r ef i g u r eo fs y s t e m 当f p 腔激光器的控制信号为o f f 的时候，激光器相当于光开关的导通状态， 将输入的光信号输出出去；当f p 腔激光器的控制信号为o n 的时候，激光器相当 于关闭状态，抑制输入的数字信号的输出。这个光开关的插入损耗为0 4 d b ，开关的 速率可到达6 0 p s 。图1 6 为该系统的结构图，可调谐激光器t l l 发出一个 1 5 4 5 9 n m 的光，经过外部调制器( m o d ) 调制产生一个速率为1 0 g b s 的信号光，经 外部放大器和调制器( m o d ) 控制的分布反馈激光器d f b 发出1 5 5 1 8 n m 控制信号 光，可调谐激光器t l 2 发出一个1 5 5 3 9 n m 的辅助光，通过光耦合器( c o u p ) 和 光环行器( c 艰) 后注入到f p 腔激光器中，再输出到示波器( b p f ) 中被检测， 途中经一个掺饵光纤放大器( e d f a ) 放大。 ( c ) 图l - 7 实验结果图 f i g 1 - 7t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t 图1 7 为测得的实验结果1 1 3 1 9 图a 为信号光，图b 为控制光，图c 为经光开 关后示波器测得的结果，可以清楚地看出利用多波长相互注入锁定的f p 腔激光器 的全光开关效果十分理想。 1 2f p 腔半导体激光器简介 法布罩一珀罗激光器( f p 腔激光器) 是最常见、最普通的半导体激光器，由 外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。 通常为双异质结( d h ) l d 。半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激 光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化 镓( g a a s ) 、硫化镉( c d s ) 、磷化铟( i n p ) 、硫化锌( z n s ) 等。激励方式有电注入、 电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双 异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质 结激光器室温时可实现连续工作1 4 1 0 6 f p 腔激光器的发光机理 是：在形成了p n 结的半导体材料上加上正向偏压， p 区接正极，n 区接负极。正向电压的电场与p - n 结的自建电场方向相反，它削弱 了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n 区中的自由电子在正向电压 的作用下，又源源不断地通过p n 结向p 区扩散，在扩散区形成粒子数反转，在结 区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合， 当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。辐射出的光 的中心频率与半导体材料导带和价带能量差决定，辐射出光的光谱范围大约有 5 8 n m 。发射出来的光在由半导体材料的两个解理面构成谐振腔中进行选频，最终 形成激光。 2 d n = m 2 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 为法布里一珀罗腔的基本方程式 1 6 1 也是f p 腔激光器的输出波长的 相位条件，它决定了p f 干涉条纹的位置，d 为激光器半导体两解理面间隔，刀为 半导体材料折射率，m 为任意正整数，兄为激光器可能输出的光波长。满足相位 条件的频率有无限多个，只有那些在谱线中心附近的频率才能满足振荡条件，所 以激光器的振荡频率只能取有限个分立值。当注入电流较小时，有源区里不能实 现粒子数反转，自发辐射占主导地位，l d 发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状 态类似于一般的发光二极管。随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转， 受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还 不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，l d 发射的仅仅是较强的荧 光，称为“超辐射”状态。只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、 模式明确的激光，光谱突然变窄并出现多峰。 _ 一孓8n m w ；一t hn fr a i nq n ，t ni m 图1 8f p 腔激光器光谱曲线和纵模分布图 f i g 1 8t h ef i g u r eo f l a s e rs p e c t r a ld i s t r i b u t i o nc u i v a n dt h el o n g i t u d i n a lm o d e 图1 8 左侧为f p 腔激光器的低于阈值时的辐射光谱曲线图，光谱范围一般为 5 8 纳米，右侧为激光器高于阈值时输出的光谱特性。在发射光谱中，连接5 0 最 大幅度值线段的中点所对应的波长称为中心波长。包含所有振荡模式在内的发射 谱总的宽度称为激光器的谱宽。某一单独模式的宽度称为线宽。 f p 腔激光器对温度很敏感，温度的变化主要影响激光器的输出光功率、阈值 电流和输出光的波长。半导体激光器的阈值电流密度随工作温度t 升高而明显增 大： 们m e 冲( 等 2 ， 式( 1 2 ) 中，五为室温；厶( 互) 为室温下阈值电流密度，是一个常数，不同的激 光器具有不同的值；不为特征温度，表示阈值电流对温度的敏感程度。当温度上 升时，由于增益系数、漏电流、自由载流子吸收损耗、散射损耗及耦合损耗等均 会发生变化，进而影响阈值电流密度的大小，而阈值电流的变化将直接引起输出 光功率变化，使激光器光功率下降。 温度的升高也会使激光器的输出光波长向长波长方向漂移。漂移量旯为： m = 2 1 0 - j 三- a tn 舢 、工u ， 式( 1 3 ) 中l 为腔长，丁为温度变化量。可见随着温正度的升高，f p 腔激光器 输出的各纵模波长不断的向长波长方向漂移。 1 3 课题研究的意义与目的 从1 1 节的介绍中可以看出法布里珀罗激光器的光光互作用在全光网及光逻 辑中有广泛的应用。由于f p 腔激光器价格低廉，国内价格一般在2 0 0 元左右，所 以f p 腔激光器的应用可以大大降低全光网的成本，对f p 腔激光器光光互作用的 研究是非常有意义的。 因为光光互作用和注入光以及f p 腔激光器自身的纵模分布都有密切的关系， 1 2 节中也提到在f p 腔激光器使用过程中，温度的微小波动都能导致波长的漂移， 从而极大地限制了f p 腔激光器的应用。中国市面上出售的f p 腔激光器均没有温 度控制模块，而国外的带有温度控制模块的f p 腔激光器的价格昂贵，近万元。所 以为了降低成本，必须对购买国内的f p 腔同轴激光器设计温度控制模块，以满足 需要。预期达到的目标为波长变化在0 0 1 n m 以下。 此外，激光器输出功率对它的应用也有很大影响，因此需要制作f p 腔激光器 的直流驱动电路，且满足缓上电，防过冲，纹波小，光功率自动控制等要求。 1 4 本人的主要工作 攻读硕士学位期间，本人研究了f p 腔激光器的光光互作用及其在全光网和光 逻辑中的应用，并进行了光光互作用的理论仿真。设计并制作了f p 腔激光器，并 做了几个关于光光相互作用应用的实验。具体工作如下： ( 1 ) 通过阅读大量文献，了解了f p 激光器在光网络及光逻辑中的应用前景。 ( 2 ) 设计并制作f p 腔激光器的直流驱动部分，达到缓上电，防过冲，纹波 小，光功率自动控制等要求。 ( 3 ) 设计并制作f p 腔激光器的温度控制部分，实现对温度的精确控制，进 而控制和稳定激光器的输出波长，用光谱仪观察温控后激光器的输出光谱，各纵 模的波长抖动在0 0 1 n m 以下。 ( 4 ) 设计并制作f p 腔激光器的温度显示部分，可以直接通过电压表表头显 示激光器的工作温度。并将激光器，电源，驱动电路，温控部分统一装箱。 ( 5 ) 理论分析了f p 腔激光器的光光互作用现象。 ( 6 ) 利用制作的f p 腔激光器进行光学双稳态实验。 ( 7 ) 利用制作的f p 腔激光器实现了速率为2 5 g b s 信号的逻辑非功能，信号 输出消光比为8 d b 。 1 5 本章小结 本章简要介绍了法布里珀罗激光器的光光互作用在全光网及光逻辑中的应 用，课题研究的意义和目的，以及本论文的主要工作。 9 2f p 腔激光器的驱动电路和温控部分设计 2 1 直流驱动部分电路设计 2 1 1 直流驱动电路原理图 图2 1f p 激光器直流驱动电路原理图 f i g 2 - 1d c d r i v es c h e m a t i cd i a g r a mo f f pl a s e r 根据电子电路设计基本知识n ，用p r o t e l 2 0 0 6 绘制“盯n 9 1 的f p 腔激光器的 电路原理图2 1 ，直流驱动电路主要由电源滤波部分，直流驱动部分，自动功率控 制部分，显示部分和过冲保护部分构成。主要功能为光功率可调，并实现光功率 的自动控制。下面将就原理图的各部分做详细的说明。 2 1 2 电路各部分功能及调试 ( 1 ) 激光器连接部分 图2 2 为激光器的连接部分，实验中使用的是四川九州光电子公司生产的，型 号为j z l l 5 p 的同轴激光器。该激光器有4 个管腿，l d + 和l d 为激光器的供电端 口，预置电流为l o 毫安左右，最大电流为4 0 毫安左右，每台激光器略有不同。 l o p d + 和p d 为激光器的光电流输出端口，激光器内部带有一个光电二极管，可以用 来检测激光器输出光功率的大小，我们就是通过这个光电流来实现光功率可调和 自动光功率控制的。 图2 2 激光器管脚图 f i g 2 2t h es t r u c t u r ef i g u r eo fl a s e rp i n ( 2 ) 给激光器中的发光二极管供电，并对光电流进行提取，转化成电压输出 图2 - 3 光电流提取模块电路图 f i g 2 - 3t h ef i g u r eo fp h o t o c u r r e n te x t r a c t i o n 图2 3 为光电流的提取部分，是图2 1 中的右下部分，左边两个端口分别与激 光器的p d + 和p d 相连。l m 4 0 4 0 2 5 是m i c r e l 公司生产的新型微功耗高精度电 压参考芯片。它可为电池供电系统、数据采集系统、测量仪器仪表、过程控制、 电源管理、产品检测、汽车电子以及高精度音频设备提供高精度的低功耗参考电 压。采用表面贴装式小型s o t - 2 3 封装形式。其大小仅3 1 3 m m 。它为激光器的光 电二极管提供稳定的2 5 v 电压。在这个驱动电压作用下，光电二极管会根据激光 器输出光功率的大小，提供一个光电流，m 。是经过滤波后的5 v 电压。设集成 运算放大器眨0 1 的5 ，6 ，7 端口的电压分别为以，玑，则由集成运算放大器特 性可得到： 乏监：如 ( 2 1 ) p 4 ， 其中氓为2 5 v 由l m 4 0 4 0 2 5 提供，则只与墨。和k 有关，r 。可根据激 光器光电二级管特性计算得出。光电二极管特性，即在2 5 v 驱动电压作用下，激 光器输出的光电流和激光器光功率的对应关系，成线性关系。一般光功率从0 到 4 0 毫安变化时，光电流从0 到7 0 0 d a 变化。适当调整墨。大小，可使在2 5 v 到 5 v 间变化，与下面介绍的光功率控制部分模块对应，以实现光功率控制和自动功 率控制功能。 ( 3 ) 激光器光功率控制和自动功率控制部分 图2 4 光功率控制模块电路图 f i g 2 - 3t h ef i g u r eo fo p t i c a lp o w e rc o n t r o l 图2 4 为激光器光功率控制部分，是图2 1 右上的部分。足是一个可调1 0 k 电位器，通过调节足的大小，使a 点电压，即激光器的控制电压u 。在1 2 5 v 到 2 5 v 之间变化，激光器的光功率从0 到4 0 m a 变化，实现对激光器光功率控制。 当电位器a 端位于最上面时a 端电压为2 5 v 激光器光功率为最大的4 0 m a ：当电 位器a 端位于最下面时a 端电压为1 2 5 v ，激光器光功率为零。电容c i ，是起到滤 波的作用。具体原理如下： 图2 5 a 、2 5 b 是激光器光功率控制和自动功率控制部分，为图2 1 的右边两 部分。图2 5 a 的功能是将图2 3 中的以减半，使其在1 2 5 v 到2 5 v 之间变化，与 激光器的控制电压u 。相对应。 1 2 图2 5 a 激光器光功率控制部分图2 5 b 激光器自动功率控制部分 f i g 2 5 at h ef i g u r eo fo p t i c a lp o w e rc o n t r o lf i g 2 5 bt h ef i g u r eo f a u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l 提取出的电压2 和控制电压u 。与图2 5 b 的集成运算放大器2 ，3 端1 2 1 连接， 图2 5 b 的电路，是一个简单积分电路，将2 ，3 端的电压进行比较，如果3 端电压 高于2 端，即控制电压高于提取电压的一半，则l 端电压则会逐渐增大，增大速 率和g ，有关 2 0 1 一般取c l ，为1 f 。当1 端电压增大时，根据后面电路，给激光 器的供电电流就随之增大，以致激光器功率增加，光电流变大，2 端电压也会随之 变大。当2 端电压大于3 端电压时，增1 端电压开始逐渐减小，给激光器的供电 电流就随之减小，这样激光器功率降低，光电流变小，2 端电压也会随之变小，通 过这样往复变化，越来越接近中心值，l 端电压就会慢慢稳定下来，这时光功率也 就稳定下来。如果突然出现扰动的话，则又会出现往复变化直至稳定下来。上述 为激光器自动功率控制功能，激光器最后输出的功率只与控制电压u 。有关，直接 通过调节电位器控制，且光功率十分稳定。 ( 4 ) 经三极管放大，为激光器供电，并实现过流保护。 图2 6 为对图2 5 中1 端口电流进行放大的部分，放大后给激光器供电。由于 集成运算放大器可以允许流过的电流很小，所以和运放相连的电阻墨，需要很大， 这里初设为4 7 七q ，后可根据实际电路测试情况做调整。为保证使激光器的驱动电 流可在0 到4 0 m a 之间变化，则需要采用三极管进行放大。三极管2 们是一种控制 元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例( 信号从基极输入，从集 电极输出，发射极接地) ，当基极电压圪有一个微小的变化时，基极电流，b 也会随 之有- - d , 的变化，受基极电流，。的控制，集电极电流厶会有一个很大的变化，基 极电流，。越大，集电极电流厶也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小， 即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大 得多，这就是三极管的放大作用。l 的变化量与j 。变化量之比叫做三极管的放大 倍数( = 罅。) ，三极管的放大倍数一般在几十到几百倍。 图2 6 激光器供电部分 f i g 2 - 6t h ef i g u r eo fl a s e rp o w e rs u p p l y 这里采用的三极管型号是2 s c 3 4 2 2 ，压降为o 7 v ，放大倍数7 0 左右，偏差很 大，需要根据不用的三极管调整r ，马 t = ( 1 + ) 厶 ( 2 2 ) 尺，厶+ 0 7 + r t = u l ( 2 3 ) l 为经过三级管q 2 放大后的电流，也就是直接接入激光器的供电电流。厶为 输入q 2 的基电流。r 为q 2 发射极后的总电阻。 r = 马+ 咫+ r d ( 2 4 ) 足为显示电阻，定为1 q 。为激光器内电阻，每台激光器略有不同，在8 欧姆左右。可见足和足均可以进行调整，通过计算得到一个理论值，再用一个8 q 的电阻代替激光器内电阻，进行模拟测试和调整，最后使得激光器输入电流可在0 到4 0 m a 之间变化。 三极管q 是起到过流保护作用的，当激光器驱动电流l 较大时，r 两端压降 乩= i r 6 ，就会变大，取马为1 7 5 q ，则当驱动电流l 大于4 0 m a 时，氓大于0 7 v ， 则三极管q 导通，经过运放后的电流会从图2 - 6 的2 号路线被分流，则l 号线路 也就是? 。电流会减小，则t 也会随之减小，起到了过流保护作用。 ( 5 ) 电源滤波部分 图2 7 是电源的滤波部分 2 1 1 y 这里使用l m 7 8 0 5 电源稳定芯片，并根据芯片 提供的资料利用电容，电感滤波，通过外部9 v 线性电源( 纹波5 0 m v ) ，得到5 v 的纹波1 5 m v 的电压输出，为电路中集成运算放大器及l m 4 0 4 0 等元器件供电。 1 4 ( 6 ) 显示部分 图2 7 电源滤波部分 f i g 2 - 7t h ef i g u r eo fp o w e rf i l t e r 图2 - 8 显不部分 f i g 2 - 8t h ef i g u r eo fc u r r e n td i s p l a y 为了不让显示表头影响激光器，要使用数字电压表表头来显示激光器的驱动 电流，所以要让输入电压表的电压在数值上与激光器的驱动电流相等。图2 8 为典 型的集成运算放大器的差分应用1 2 0 1 为图2 1 的左上部分，右边两端分别与显示 电阻r 两端相连。根据差分公式 d = 孚( 一u 。) 蚂4 ( 2 5 ) 其中砜，q 。分别为集成运放8 ，9 ，1 0 端电压。这里我们取电阻均为1 0 千欧，则就为显示电阻r 两端电压，又因为忍阻值为1 q ，则以在数值上和激 光器的驱动电流相等。 2 1 3 小结 本节为激光器直流驱动部分的电路介绍。在焊接调试过程中，通过对电阻咫， 1 5 马，r i 。的调整，最终完成了整块电路。装上激光器进行测试，激光器功率可调， 且非常稳定，用光功率计观察不出功率的波动。用光谱仪进行测试，测得波长不 稳定，每个纵模同时波动。 4 0 0 2 0 0 1 0 0 0 28 0 0 e 静8 0 0 挥 欺o o 2 0 0 0 ，1 u 13 z o z 0j u 驱动电流( m a ) 图2 - 9 ：激光器驱动和功率关系 f i g 2 - 9t h er e l a t i o n sf i g u r eo fl a s e r - d r i v e na n dp o w e r 图2 9 为用一个激光器实际测试的驱动电流和光功率关系，可见激光器的驱动 部分工作正常。 表2 - 1 波k 稳定性测量 t a b 2 1t h em e a s u r e m e n to fw a v e l e n g t hs t a b i l i 够 时间波长时间波长 4 ：0 315 3 7 9 0 84 ：3 8l5 4 4 9 1 2 4 ：0 61 5 3 7 9 1 24 ：4 2 1 5 4 5 9 1 2 4 ：0 91 5 3 8 9 1 64 ：4 615 4 6 9 1 6 4 ：1 11 5 3 9 9 1 64 ：5 11 5 4 7 9 2 4 ：1 51 5 4 0 9 24 ：5 615 4 8 9 2 4 4 ：2 01 5 4 1 9 1 25 ：0 215 4 9 9 2 4 4 ：2 61 5 4 2 9 1 65 ：0 6 15 5 0 9 2 4 4 ：3 0 1 5 4 3 9 1 25 ：1 11 5 5 1 9 2 4 表2 1 是采用3 0 m a 电流作为驱动电流时，测量f p 腔激光器中心波长的变化 情况，可以看出随着时间变化波长变化十分明显，这主要是室温的影响。因为f p 腔的光光互作用对f p 腔的波长稳定性有严格的要求，并且此激光器的波长在短时 间内也存在波动现象，范围是0 0 1 6 n m 。可见对激光器的温度控制是非常必要的。 1 6 2 2 温度控制部分设计 2 2 1 温度控制部分预期目标 ( 1 ) 能稳定激光器的工作温度，从而稳定激光器输出的各纵模波长，希望其 波动在0 0 l n m 以下，且不随时间变化。 ( 2 ) 能实现对激光器的制冷和加热的操作，以控制激光器的工作温度，进 而使激光器波长可以认为自由调整。 ( 3 ) 可以显示激光器的工作温度，便于调整。 2 22f p 腔激光器的温度控制系统 热电阻 图2 - 1 1 系统结构图 f i g z 1 1 t h es l r u g i l t r e6 9 m o f s y s t e m 图2 1 l 为设计的激光器温度控制系统，系统主要由一块基于温控芯片的温度 控制电路板、帕尔贴憎、铝块、热电阻、9 v 直流电源构成。 制作一个长方体铝块，打5 个通孔，一个不打空。整个系统的工作原理是： 将激光器和k 型热电阻都放置于制作好的铝块中，尽量与铝块完全接触，以便准 确测量快速传输热量。热电阻将探测到的热电势传输给温度控制电路板。温度电 路板根据设置的温度和实际温度的差别，输出一个电流与温度控制系统图中a 和8 两点相连，为温控用帕尔贴供电。帕尔贴用导热硅胶粘贴在铝块的一侧，通过控 制帕尔贴电流的太小和方向对铝块的工作温度进行自整定。 图2 一1 2 是用p r o t e l 2 0 0 6 设计的温度控制电路原理图，由一个电压比较电路 和温控芯片的外围电路构成，其中热敏电阻p , x 不在电路板上，而是雹于铝块之中， 用来检测激光器工作温度，用热敏电阻t t 带的跳线与电路板相连。 。- 每；j 。剞。 图2 1 2 温度控制电路原理图 f i g 2 - 12t h es c h e m a t i cf i g u r eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l 温控电路实现的功能是：根据热敏电阻麟探测到的温度和我们设置的温度差 别，为制冷和加热的帕尔帖提供驱动电流，以控制和稳定激光器的工作温度。具 体原理如下： ( 1 ) 温度控制与稳定部分 d 叮 图2 1 3 温度稳定和控制电路 f i g 2 - 13t h es c h e m a t i cf i g u r eo ft e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dc o n t r o l 图2 1 3 为一个电压比较电路，原理其实和激光器驱动电路中光功率控制和自 动功率控制部分完全一样，足，是一个阻值为2 0 后q 的电位器，通过其对激光器的 工作温度进行控制( b 端越靠左，b 点电