（光学工程专业论文）基于窄带滤光片的fp半导体激光器波长锁定的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 密集波分复用技术利用一根单模光纤同时传输多路波长载波，是光纤通信系统向 大容量、高速率发展的有效途径。随着该技术的不断发展，在一根光纤上所传输的光 波长数剧增，直接导致信道间的间隔越来越小，因此半导体激光器波长锁定作为密集 波分复用系统中的一个关键的技术已经越来越引起关注。本文主要研究基于f p 窄带 滤光片的波长锁定技术。主要内容有： ( 1 ) 在查阅国内外文献的基础上，论述了波长锁定技术在密集波分复用系统中 的作用；阐述了目前几种热门的波长锁定技术的工作原理和优缺点。 ( 2 ) 研究了半导体激光器中引起波长漂移的主要因素。在此基础上，根据实验 室的具体情况，提出了基于f p 窄带滤光片的波长锁定方案，并对方案中涉及到的理 论进行了介绍。 ( 3 ) 用m a t l a b 对锁定方案中所涉及到的光路进行仿真计算。计算出波长的 最佳锁定点，界定了波长漂移检测的灵敏区域和不灵敏区域，在工程上通过捕捉区域 的选定计算出该方案中所需要的f - p 窄带滤光片的参数。进而讨论了目标波长与两片 窄带滤光片的透射谱中心波长之间的相对位置关系，最后讨论了波长漂移最小灵敏度 的计算，给出了光电探测器的具体参数。 ( 4 ) 对实验平台中涉及到的光路和电路进行设计和调试。包括2 套基于f p 窄 带滤光片的鉴频光路的设计和调节，半导体激光器驱动电路( 含自动功率控制) 的设 计和调试，探测器后面的前置放大和信号处理电路的设计和调试，基于a d n 8 8 3 0 的 温控电路的设计和调试( 包括静态控制和动态控制) 以及最后对该方案的光电联调。 ( 5 ) 对半导体激光器波长锁定的现象进行了实验研究，当驱动电流在大范围内 变化时，通过比较激光器只加驱动、加上静态温度控制、加上波长锁定反馈控制时的 三种波长漂移现象，得出了结论；并对波长锁定系统的实验现象进行了分析。 关键词：波长锁定f p 窄带滤光片波长漂移 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g y , w h i c h u t i l i z e s s i n g l em o d e f i b e r st ot r a n s p o r ts e v e r a lw a v e l e n g t hc a r r i e rw a v e sn o w a d a y s ，b e c o m e s a ne f f e c t i v ea p p r o a c ht h a tc a nl e a dt oah i g h c a p a c i t ya n dh i g h s p e e do p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n r e c e n ta d v a n c e si nd w d m s y s t e md e s i g n sh a v el e dt oas i g n i f i c a n t i n c r e a s ei nt h en u m b e ro fw a v e l e n g t h so nas i n g l ef i b e r t h ec h a n g e sc a nr e s u l ti n w a v e l e n g t h c h a n n e l s p a c i n gb e c o m i n g n a r r o w e ra n dn a r r o w e r s ol a s e rd i o d e w a v e l e n g t hl o c k ，w h i c hi sak e yt e c h n o l o g yu s e di nd w d ms y s t e m ，w i l la t t r a c tm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n si nt h ew o r l d t h ep a p e rf o c u s e so nt h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ef p - - l dw a v e l e n g t hl o c k sb a s e do nf - - pt h i nf i l mo p t i c a l f i l t e r s t h em a i np a r t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ew i d e l yl e a r n i n go fr e f e r e n c e s ，t h ef u n c t i o n so fl dw a v e l e n 【g t h l o c k e r si nd w d m s y s t e m sa r ed i s c u s s e d t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e s ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so f s e v e r a lt y p e so fp o p u l a rl d w a v e l e n g t hl o c k e r sa r ea l s oi n t r o d u c e d ( 2 ) b a s e do nt h es t u d y i n go f t h em a i nc a u s e so nl dw a v e l e n g t he x c u r s i o na n dt h e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n si nl a b o r a t o r y , t h es c h e m eo fl dw a v e l e n g t hl o c k e rb a s e do n f pt h i nf i l mo p t i c a lf i l t e r si s p r o p o s e d t h er e l a t e dt h e o r i e so nt h es c h e m ea r ea l s o d e m o n s t r a t e d ( 3 ) t h eo p t i c a lp a t h so ft h es c h e m eo fl dw a v e l e n g t hl o c ka r es i m u l a t e d a f t e r c a l c u l a t i n g t h eb e s tw a v e l e n g t hl o c kp o i n t s ，t h eb o r d e r l i n eb e t w e e nt h es e n s i t i v e r e g i o n sa n d i n s e n s i t i v er e g i o n sc a nb ed e f i n e d t h ep a r a m e t e r so ft h et h i nf i l mo p t i c a l f i l t e r su s e di nt h es c h e m eh a v eb e e no b t a i n e db yc o n f i r m i n gt h ec a t c hr e g i o n s t h e n t h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h el o c k e dw a v e l e n g t ha n dt h ec e n t e rw a v e l e n g t h so ft h et w o f i l t e r st r a n s m i s s i o nc u r v e si sd i s c u s s e d t h e nl a s tt h e p a r a m e t e r s o ft h et w o p h o t o e l e c t r i c d e t e c t o r sa r ec o n f i r m e da f t e rc a l c u l a t i n gt h em i n i m u ms e n s i t i v i t yo f w a v e l e n g t he x c u r s i o n ( 4 ) t h eo p t i c a lp a t h sa n d t h ec i r c u i t so ft h ee x p e r i m e n t s y s t e m ，i n c l u d i n gt w o s e t s o fo p t i c a lp a t h so ff i l t e rf r e q u e n c yd i s c r i m i n a t i o n , l dd r i v e rc i r c u i t ( i n c l u d i n ga u t o i i 华中科技大学硕士学位论文 p o w e rc o n t r 0 1 ) ，p r e a m p l i f i e r c i r c u i ta n d s i g n a lp r o c e s s e dc i r c u i t ，t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dc i r c u i tb a s e do na d n 8 8 3 0 ( i n c l u d i n gs t a t i cc o n t r o la n dd y n a m i cc o n t r 0 1 ) a r ed e s i g n e da n d d e b u g g e d f i n a l l y , t h ep h o t o e l e c t r i cd e b u g g i n g i sf i n i s h e d ( 5 ) t h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n ao ft h el dw a v e l e n g t hl o c ka r es t u d i e d b y c o m p a r i n gt h ew a v e l e n g t he x c u r s i o nu n d e rt h et h r e ed i f f e r e n tc a s e s ，w h e nl dd r i v e c u r r e n tv a r i e si na l a r g er a n g e ac o n c l u s i o n i s m a d e f i n a l l y ，t h e e x p e r i m e n t a l p h e n o m e n o n o f w a v e l e n g t h l o c k e rs y s t e mi sa n a l y z e d k e y w o r d s ：w a v e l e n g t hl o c k e d f - pt h i nf i l mo p t i c a lf i l t e r w a v e l e n g t he x c u r s i o n i i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 人类已进入信息社会，光纤通信的作用越来越大。光纤有着巨大的频带资源和优 异的传输性能，是实现高速率、大容量传输的最理想的物理媒质。3 0 年来光纤通信 技术在发掘、利用光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展神速。因特网业务的爆 炸式增长，导致的直接后果是“光纤耗尽”现象和对带宽的“无限渴求”现象。 在目前的光纤通信系统中，通过波分复用( w d m ) 或频分复用( f d m ) 技术使 用一条光纤传输不同波长( 频率) 的光信号，可以增加光信号传输的容量。而要达到 大数量地传输不同频率的光信号，就必须使用目前广受瞩目的密集波分复用 ( d w d m ，d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术，该技术被公认为是实现 超大容量光纤通信的最有效途径。波分复用技术利用一根光纤可以同时传输多个不同 波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分为若干个波段，每个波段用作 一个独立的通道传输一种预订波长的光信号。由于新的复合型波分结构采用了多个波 长来提高通信的容量，而这些波长有必须尽量落在光纤最低损耗，以及光纤放大器增 益的范围内，例如1 5 2 5 n m 至1 6 0 0 n m 附近，势必造成每个波长的间距变窄，使相对 密度提高，即大大提高了通信容量。d w d m 技术对网络的升级扩容、发展宽带新业 务、充分发掘和利用光纤带宽能力、特别是在现有光纤用完而铺设十分困难的情况下 实现超高速通信具有十分重要的意义。d w d m 及相关技术在2 0 世纪9 0 年代中期开 始走向成熟并进入商业化应用。 d w d m 主要有以下特点：1 1 , 2 1 ( 1 ) 有超大的容量，即一根光纤的传输容量可比单波长的传输容量增大几倍、 几十倍乃至几百倍。 ( 2 ) 对数据信号“透明”，可以传输特性完全不同的信号，如数字信号和模拟信 号等，并能对其合成和分解。 ( 3 ) 由于网络结构简单、层次分明、业务调度方便，因而组网灵活、经济和可 靠。 ( 4 ) 不需要敷设更多的光纤，也不需要使用告诉的网络部件，只需将端机进行 更换，因此是理想的扩容手段及方便地引入带宽业务( 例如c a t v ，h d t v 和b i s d n 华中科技大学硕士学位论文 等) 的手段，d w d m 利用增加的一个附加波长就可以引入任意新业务或获得所需的 容量。 ( 5 ) 在未来可望实现的全光网络中，各种信息业务的上下、交叉连接等都是通 过对光信号波长的改变和调度来实现的，而d w d m 技术正是实现全光网络的关键技 术之一。 d w d m 充分利用了光纤的频率带宽资源，从而大大提高了单路光纤的传输容量， 因而可以节约大量的线路投资。由于d w d m 的透明性，使其可直接传递语音、数据、 图像等各种光信息。随着d w d m 技术的进一步开发和发展，d w d m 信道数量还会 成倍增加，为将来的光纤到户提供了有利的支持。目前单模光纤在1 5 5 0 n m 的窗口上， 从1 4 5 0 n m - - 1 6 5 0 n m 的波长范围，有2 5 t i - - i z 的频带宽度，d w d m 依然具有巨大的 潜在带宽容量。 1 2 波长锁定技术在d w d m 系统中的作用 信息社会的发展需要采用高性能、低价格的大容量、高速率传输网络。密集波分 复用技术利用单模光纤的低损耗窗口，在一根光纤上同时传输多路波长载波，是光纤 通信系统向大容量、高速率发展的有效途径。而随着密集波分复用技术的不断发展， 在一根光纤上传输的光波长数或信道数呈现出成倍增加的趋势，这样就要求光源峰值 波长的间隔或信道间隔尽可能地小，在光纤通信设备中，1 0 0 g h z 的信道间隔已经商 用化，而5 0 g h z 和2 5 g h z 的信道间隔仍处于实验室研究阶段【3 i 。波长的间距变窄， 一方面使相对密度提高，即大大提高了通讯容量；另一方面，对光源工作波长的稳定 性也提出了更高的要求，例如当信道间隔达到2 5 g h z 时，信号光源的波长精度要控 制在0 0 2 n m 以内才能满足要求。否则不同波长信道的波长漂移将会引起相邻信道之 间的串扰，从而影响密集波分复用系统的性能，严重时甚至会导致系统瘫痪。在 d w d m 系统中，保持各信道光源波长的稳定性是系统正常工作的前提，因而波长锁 定技术是此类系统的关键技术之一【4 i 。 鉴于密集波分复用系统中信道的间隔越来越窄，保持激光器输出波长的精度在 1 g h z 以内是对传统的波长锁定方案的一种挑战。单个的具有这种波长精度的光源在 现成的生产工艺上是不可能做到的，而半导体材料的老化、生产工艺的局限以及驱动 电流的误差仅仅是造成光源波长不精确的一部分原因。因此，波长锁定技术已经越来 越引起关注。 华中科技大学硕士学位论文 在密集波分复用系统中，对各信道光源的波长进行控制并稳定到系统所容忍的范 围内是极其必要的。通常，信道波长稳定的目的可以归结为三点5 i ： ( 1 ) 减小激光器波长的随机波动； ( 2 ) 补偿激光器老化引起的波长漂移： ( 3 ) 把激光器工作的中心波长稳定到特定的波长点上； 光通信的光源可根据不同的应用场合采用法布里一珀罗激光器( f p l d ) 、分布 反馈激光器( d f b l d ) 以及其他发光器件。其中d f b l d 非常适用于长距离系统， f p l d 则主要用在中短距离的系统中。例如对于d f b l d 来说，其工作波长和激光 器的工作电流及工作温度有着密切的关系，并具有如下近似公式： r ， 7 1 = 1 0 g h z 。c ( 1 2 1 ) f ， ，= 1 g h z m a( 1 2 2 ) 其中是激光器的工作频率，丁是管芯温度，为驱动电流。由此可见，最直观 的稳定波长的方法就是提高激光器管芯温度的稳定性和驱动电流的稳定性来抑止激 光器的工作波长的漂移。 1 3 波长锁定技术的简介及研究概况 半导体激光器的波长锁定在光学测量、光通信及光谱学等许多应用中都是十分重 要的。影响半导体激光器发射波长的因素很多，如腔长、温度、能隙、增益、载流子 浓度、折射率等，而这些因素的变化最终归结到注入电流和激光器温度的影响。要将 激光器波长漂移减小到光学测量要求的1 0 m h z 以下，注入电流的波动必须小于1u a ，温度漂移必须小于0 4 m k l 6 ，”。半导体激光器的波长稳定可以通过控制工作温度和 注入电流的稳定性来实现一定程度的稳定，但要获得更高的稳定度，则要在此基础上 进一步采用l d 的锁定波长技术。 为了达到锁定波长的目的，可以有以下几类方法：光反馈法8 1 、电反馈法9 1 、分 ( 原) 子吸收法1 1 0 l 及直接电控法1 1 i 。 所谓光反馈的方法就是直接利用输出光的一部分反射进入激光器内，来增强所需 要的波长的光，并抑制其他波长的光，d b r l d 就是基于这个原理。方案的缺点是如 果反馈光不能太强，就会激发新的模式不稳定1 1 2 l 。 电反馈法就是利用输出光的一部分进入鉴频器中，将鉴频器的输出光经过光电转 华中科技大学硕士学位论文 换后形成控制信号直接控制l d 的注入电流或温度，实现激光器波长的锁定。电反馈 实际上是一个不相干负反馈过程1 9 l ，在低速电子运动下更容易实现。利用这个原理在 不考虑功率波动的情况下，实现了3 1 0 - 9 的频率稳定度1 1 1 l 。 分( 原) 子吸收法是应用最多的一类方法，即为了得到波长的长期稳定性和高的 再现性，使用分( 原) 子吸收的谐振曲线作为外部参考标准。目前已经成功地采用了 铷原子吸收”_ 1 “、铯束频标的激光锁频1 1 7 1 、乙炔分子吸收”i 、h 2 0 分子泛频锁定1 1 9 l 等方法实现了高精度的波长锁定。这类方法的特点是具有高精度、高重复性，缺点是 对于不同的光频率，吸收曲线是确定的，只能将l d 的输出光波长锁定在相应的固定 波长上。另外，这种方法体积很难减小，且结构比较复杂。 直接电控方法的思想来源于l d 的结电压与结温度的关系。实验证明：通过直接 控制l d 结压降可以得到较高稳定的输出波长。这类方法的优点是结构简单，可以大 大降低装置的体积，以适应对测量光源的要求，同时可以将l d 的输出光波长稳定在 所需的波长上。 实现半导体激光器的波长稳定，其中包括对激光器的温度和注入电流的控制。下 面对几种波长锁定的方法做简要的介绍。 1 3 1 利用原子或分子吸收谱线实现波长锁定 2 0 - 2 4 l 可以通过控制工作温度和注入电流的稳定性来实现半导体激光器一定程度的频 率稳定，但要获得更高的稳定度，则要在此基础上，进一步采用半导体激光器的锁定 稳频技术，即采用一个外部参考( 基准) 频率，使激光器的频率锁定在这个基准频率 上。通常找一个合适的原子或者分子的吸收谱线作为参考频率来实现锁频。 该方案的实验装置如图1 3 1 图1 3 1 锁定于原子谱线的实验装置图 首先使半导体激光器的工作温度和注入电流经精密控制后，在使其注入电流有一 华中科技大学硕士学位论文 个小的调幅，从而半导体激光器的频率有一个小的调频。为了消除l d 的输出功率随 温度的变化造成的影响，将l d 输出的激光分成两束，一束直接输入到光电探测器 p - 上并转为相应的电信号作为参考背景：另一束则通过原子泡后再输入到光电探测器 p 2 上，分别由p 、p ：接收的两组光电信号经过差分放大输入到锁相放大器上，并以 该放大器的输入作为误差信号加到l d 的注入电流驱动器，控制注入电流的大小，从 而实现波长的锁定。 实验发现，利用原子或分子吸收谱线做波长锁定的方案，锁定后在1 0 s 平均采样 的时间范围内，l d 频率稳定度可以达到1 0 一。该方案的优点是波长的稳定度和复现 性较高。但是，实验装置中，元素置于恒温的真空泡内。真空泡的温度高低对于信号 大小的影响较大，温度太低，原子蒸汽密度小，信号较弱；温度太高，原子与器壁及 原子问的碰撞增加，加强了豫驰作用，使原子极化减小。因此，必须选择一个最佳温 度，在此温度下信号最强。这无疑增加了实验的难度、成本和实验设备的体积。 1 3 2 外腔反馈稳定波长 外腔反馈稳定波长使利用光栅等的光反馈来控制半导体激光器的频率特性。光栅 将要锁定的波长的一级衍射光返回腔内形成振荡，零级衍射光作为激光输出。外注入 锁定波长利用反射光栅引入反馈将增强受激辐射并抑止自发辐射，使反射光满足振荡 条件，这样起到锁定作用，同时光栅反射镜与半导体激光器端面形成外腔结构，相当 于增加腔长，压窄了激光器线宽。在外注入锁定的调整过程中，激光束的准直和反馈 光的准直调节是极为重要的。 利用光栅进行外腔反馈稳定波长可进行多路稳定。如图1 3 2 所示，光栅采用一 级自准直光栅结构，则光栅方程为：五。= 2 d 。s i n 0 。不同的光栅周期和入射角度对应 折不同的波长，光栅将锁定波长的一级衍射光返回各自的激光器腔内形成振荡，零级 衍射光作为激光输出。 这种方式进行波长锁定的精度高，d b r 激光器就是基于这个原理。在用作波长 锁定的系统中，对于一定光栅，必须使光栅的位置和角度保持不变。由于光栅对温度 的变化很灵敏，因此要对该系统进行可靠的温度稳定控制。 1 3 3 内腔稳定波长2 8 i 内腔稳定波长用于多级半导体激光器，多级半导体激光器具有平坦的频率调谐特 华中科技大学硕士学位论文 性和波长稳定特性。多级半导体激光器包括有增益区也) 、相位控制区0 。) 、布喇格 光栅反馈区( ，。) 。如图所示，可以通过控制三个区的电流，实现波长调谐，也可通过 稳定三区的电流，实现波长稳定。电流( ，。) 主要控制d f b 激光器的输出功率，电流 0 。，。) 控制d f b 激光器的输出波长。控制增益区的电流使半导体激光器的输出功率 图1 3 2 外腔反馈稳定波长装置图 保持恒定，控制位相区和布喇格反馈区的电流使腔摸( 特定序数) 和布喇格波长九同 步变化，使输出波长唯一，实现波长稳定。布喇格波长九由光栅周期( 即折射率变 化的周期) a 决定： 2 肚= 2 删， a = m 6 _ ( 1 3 3 ) 2 。 式中，成为波的传播常数，二。为波导的等效折射率：m 为光栅的级次。 由于该方案是根据稳定相位控制区和布喇格反馈区的电流使得输出波长稳定，其 优点是控制精度高，并且可以同时稳定光波长和光功率，通过调节驱动电流可以获得 需要的波长。但是控制电路需要有较高的电流稳定度( 要达到1 0 _ 5 ) 。电路比较复杂。 1 3 4 直接电控稳频法【2 8 l 直接电控稳频法的思想来源于l d 结电压与结温度的关系。实验证明：通过直接 6 华中科技大学硕士学位论文 控制l d 的结压降可以得到较高稳定度的输出波长。其优点是结构简单，大大降低了 装置的体积，完全适应对测量光源的要求，同时可以将l d 的输出光频稳定在所需的 频率上。 一 圈1 3 3 内腔稳定波长的示意图 基本原理是：由于l d 的输出光频率主要由于工作温度和注入电流决定，要达到 稳频的目的就必须控制这两个参数。但要想直接用温度传感器来测量l d 的结温度是 不可能的，因此通过测量温度进而控制温度变化的方法不可能得到很高的精度。换言 之，两个参数分别加以高精度控制是不现实的。结电阻与温度呈线性关系。因此，当 注入电流保持恒定时，结压降就可以很好地反映l d 的温度。也就是说，在保持结电 压和注入电流恒定的条件下，l d 的温度就被保持恒定，l d 输出光频就可以保持恒 定这一重要的结论就奠定了直接电控l d 稳频方法的基础。 如图所示，一个高精度的稳定电流源作为注入电流源，激光器的结压降采样后， 与参考电压比较。参考电压由一个高精度的电压源提供。激光器的结压降通过一个差 动放大器与这个参考电压相比较，输出电压作为误差信号经a d 转换器转换为数字 量，进入到计算机中，被数字p i d 算法处理后由d a 转换器转换成模拟量，经功率 放大后控制铂尔帖元件来调节l d 的温度。当l d 的温度变化在一个很小的范围内时， 结电阻可以近似为常数，保证l d 的输出光频稳定。 方案采用电子学的方法，应用数字p i d 算法直接控制l d 的结压降，可以得到较 高的波长精度。这种方法的优点是装置体积小，重量轻，控制环得以简化，具有很高 的重复性，波长锁定精度高，数字p i d 算法大大简化了控制参数的整定过程，这是 模拟算法难以实现的。当结电压的变化小于4 0 u v 时，波长的变化小于o 2 n m 。而驱 动电源的设计上，目前可以通过多钟办法可以将其波动降低到几个微伏，并期望通过 进一步的努力达到小于一个微伏的水平，是的结电压的波动相对降低；在控制算法上， 7 华中科技大学硕士学位论文 需要更合理地整定参数来提高波长控制的精度；在参考电压的控制方面，系统采用 l m 3 9 9 精密电压基准，仍然有继续提高精度的可能。 图1 3 4 直接电控稳频法的结构框图 1 3 5 基于相位光栅和f p 窄带滤光片的紧凑的波长锁定结构1 3 0 i 这是一种结构比较紧凑的波长锁定器，用于锁定窄带光源的波长。包括了一个可 以进行波长选择的f p 结构的窄带滤光片，一个相位光栅，两个准直器和两个光电探 测器及一套反馈系统。方案的原理如图1 3 5 ： 图1 3 5 基于相位光栅和窄带滤光片的波睦锁定方案图 图中，激光器的出射光被准直后入射到相位光栅，不同波长的光按照不同的角度 发生衍射。衍射光通过窄带滤光片滤波，不同波长的光入射角度不同，被滤光片后的 光电探测器p 1 和p 2 接收，两个光电探测器的位置是固定的。显然照到两个光电探 测器上的光谱是不同的。产生的光电流送入反馈控制系统中，两光电探测器的光电流 电流的比值对应着一定的波长。当激光器的波长发生漂移时，该比值发生变化。由控 制器产生控制信号对激光器进行控制，使得波长稳定。达到波长锁定的目的。该方案 的优点在于结构简单、紧凑。缺点在于因为使用了相位光栅，考虑到光栅对温度的敏 华中科技大学硕士学位论文 感性，必须对光栅使用的环境温度加以控制，另外窄带滤光片放置角度选择、光路的 调节以及光电探测器位置的精确定位都涉及到较复杂的工艺问题。 1 3 6 基于气体调谐的波长锁定器1 3 1 l 该波长锁定器的原理是：如果光在某一介质中传播的速率是稳定的，那么光的波 长( 频率) 也是稳定的。锁定波长主要是用一个有空腔的f p 标准具，在腔内注入氮 和氦的混合气体，直到腔内的介质折射率到需要的值，用密封胶密封，保持腔内折射 率的值不变。该标准具的结构示意如图1 3 6 ： 图1 3 6 带充气腔的f - p 标准具 基于该标准具的波长锁定原理如图1 3 7 ： 图1 3 7 基于充气f p 标准具的波长锁定原理图 方案的优点在于，使用带充气腔的f - p 标准具相对于固体标准具而言，制作的精 度没有后者要求那么严格，从而大大降低了制作标准具的成本。但是该方案对f p 9 舞一 华中科技大学硕士学位论文 标准具的密封技术要求很高，从而也带来了封装的难度。 1 3 7 用光纤光栅来稳定波长的方案1 3 2 0 3 i 这种方案是利用光纤光栅来稳定波长，光栅必须使用一种很高的热稳定性的封装 形式。特别是光栅在参考波长的范国内没有反射率的大的变化，这种方案使用有探测 功能的光纤光栅，因此不需要很复杂的电路。还提供了波长信号报警的功能，用于指 示波长相对于参考波长是红移还是蓝移。图1 3 8 显示了这种波长锁定的方案。 图1 3 8 基于光纤光栅的波长稳定器 激光器的输出光通过光隔离器以后，通过1 0 d b 的耦合器，1 0 的输出光进入光 纤光栅。传输和被反射的光各占一半，两路光分别被各自的光电探测器给接收到，转 换成电信号以后被放大，并被送入差分放大器。需要特别指出的是：两路放大器的放 大倍数是分别设定的，使得差分放大器的输出信号吃。，= ，+ g ，一，。+ g 。在所需要稳 定到的波长时等于零。通常为了补偿耦合器的损耗，g 。略大于g ，。当输入的光波长 长于参考波长时，差分信号k 为正，于是控制电路动作来减少l d 制冷器的工作电 流，反之亦然。该方案的优点是结构简单、控制精度高。缺点是，光栅随温度变化比 较敏感，因此必须控制光栅的环境温度。增加了封装的难度。 1 3 8 基于步进标准具的激光器波长锁定器3 4 l 基于步进标准具的波长锁定器的关键器件在于步进标准具，将一个标准具按照4 个象限来划分，每两个象限之间的厚度相差，结构如图1 3 9 。 ，u 入射光从标准具的平端面的中心入射，由于4 个象限的标准具厚度不同，因此 各部分光相当于通过不同厚度的标准具，标准具的厚度相差，对于同样的一束光， l o 华中科技大学硕士学位论文 图1 3 9 步进标准具的结构图 各标准具的自由光谱范围和透射谱线不一样，四个象限探测器探测到的出射光能量不 一样。波长锁定的控制见图1 3 1 0 ： 四象限探测器 输入光 输出信 图1 3 1 0 基于步进标准具的波长锁定控制框图 图中步进标准具的四个象限出来的光分别被四象限探测器接收，变成光电流，经 过放大、电流电压变化和a d 转换后，送入计算机控制器中。如果需要稳定到某一 个波长，其四个象限探测到的光电流所对应的电压值都已经设定好。将实际探测到的 值，于目标波长下的值相比较，当出现偏差时，计算机输出控制信号来调整激光器的 驱动电流和激光器的温度。达到锁定波长的目的。该方案的优点在于标准具设计的构 思巧妙，控制精度高。缺点在于步进标准具的制作工艺复杂，成本高。而且锁定器中 使用了四象限探测器，每个探测器都必须有自己的前置放大电路，电路比较复杂。另 外必须在计算机中编写较大的数据库，提高了制作的难度。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 9 通过测量反射率来锁定波长m 1 t ，致 一婴嬲2 一 五) 时的导带，温 度升高时，会使带宽收缩，禁带宽度由乓减小为色。，能隙变化引起波长变化： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 旯：羔 ( 2 2 1 ) 肛硼 m 1 jl l f ( 。一 、 。一 一 j ：e 9 1 一 图2 2 1 温度变化时能隙的变化e k 图 当温度升高时，激光器波长红移。 对于不同的半导体材料，禁带宽度随温度变化的规律是不同的，例如1 3 8 对于g a a s ： 对于g a p 对于z n p deg-39510-4dt p k d e ， 2 d r ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 鲁= - 2 9 1 0 - 4 b z 川 通常由以下经验公式估算鲫i ： e g p ) = e g ( 0 ) 一爿r 2 ( 丁+ b ) ( 2 2 5 ) 式中，e 。( o ) 为绝对零度时的能隙，a 和b 为经验参量。 改变有源区的温度，可以改变半导体激光器有源区的能隙，使激光器的波长发生 变化。当温度升高时，禁带宽度变小，激光器的波长发生红移，反之亦然。其漂移量 约为o 2 0 3 n m o c 。 另外，根据激光器的振荡条件： 2 月l = m 2 ( 2 2 6 ) 激光器温度升高时，由于热胀冷缩效应，l 增大，当级次不变时，五变大，激光器的 华中科技大学硕士学位论文 波长红移。 2 2 2 注入电流对激光器波长的影响 注入电流在半导体激光器内部引起的物理过程可以用详细的多模速率方程表示： i d n 一_ - jf n e d 一导等岛s 。 ( 2 2 7 ) 击 f 一一i ”9 鲁2 詈+ q b ， z 固 式中，为注入的载流子浓度； ，为注入电流密度；g 。为g 阶模增益；氐为q 阶模 的光子密度：a 。为腔损耗；三为介质中的光速：f 。为载流子的自发发射寿命：y 为 自发发射因子。可见，载流子的浓度随注入电流的变化而变化1 4 0 - 4 2 1 。 当注入电流增加时，载流子浓度增加，e - k 空间能带变化如图2 2 2 所示： 图2 2 2 电流增加时，e k 空间能带的变化 随着注入电流增大，导带和价带的载流子浓度增加，在导带和价带上产生载流子堆积 现象。稳态时，导致导带的准费米能级上升，价带的准费米能级下降，使得激光器的 波长发生蓝移。 只要有载流子堆积现象，就会产生带隙收缩。其带隙收缩如式2 2 9 表示f 3 8j ： ! 丝g2 一c n 3 ( 2 2 9 ) 式中，c 为常数，取决于半导体材料，n 为激光器内载流子浓度。激光器内部的载 流子浓度越大，带隙收缩效应越明显。带隙收缩现象使半导体激光器的波长发生红移。 华中科技大学硕士学位论文 从热能转换的角度分析，注入电流有一部分要转化为热能，激光器的结温升高， 激光器波长发生红移。 从振荡条件方面分析，注入电流的变化引起载流子浓度变化，由于等离子效应， 导致折射率发生改变，用式2 2 1 0 表示： 咖口2 d 2 8 0 r ( 0 2 m f 2 2 1 0 ) n 为折射率，为载流子浓度，晶为自由空间的介电常数，肌为有效质量，卯为发 射频率。注入电流增大时，会导致增益介质的折射率降低。根据振荡条件公式2 2 6 ， 光程差减小，当级次不变时，a 变小，激光器的波长发生蓝移。 综上所述，当激光器的注入电流发生变化时，激光器的波长变化的研究是一个很 复杂的问题。综合激光器内部能级的变化和振荡条件的变化分析，有的因素使激光器 的波长红移，有的因素使激光器的波长蓝移，实验中要综合考虑。 另一方面，利用改变半导体激光器注入电流也可改变波长。实现电流对波长的调 制，电流对波长的调制可以达到很高的速度，但波长被调制的同时。光功率也被调制。 对于一般的l d 其典型的波长一电流调制率为0 0 1 n m m a ，而光功率一电流调制率为 0 3 m w m a ，改变电流对光强的影响较大。 2 3 设计方案的提出 前面一节已经详细地讨论了影响半导体激光器波长的几个因素，考虑到半导体激 光器的老化因素在短期内可以忽略不计，最终归结到温度和电流的变化可以使得半导 体激光器的波长发生改变，而在短时间内忽略半导体激光器老化对波长的影响。 由此得到设计思想，当激光器的驱动电流发生变化会引起波长发生变化时，上一 节分析可知，这个过程比较复杂，激光器的不同，由于电流变化而引起的各种因素对 波长变化不同，分析时候要综合考虑。电流变化可能引起波长的红移或蓝移，此时如 果温度会根据波长的变化实时地发生改变：当电流改变引起激光器波长发生红移时， 激光器内部会自动降温，波长发生蓝移；而当电流改变引起激光器波长发生蓝移时， 激光器内部会自动升温，波长发生红移。即当电流变化时，激光器的温度也发生变化， 使得温度变化引起的波长漂移与电流变化引起波长漂移方向相反，从而实现激光器波 长锁定。 方案中首要的问题就是对半导体激光器的波长漂移进行检测，波长漂移检测就是 华中科技大学硕士学位论文 利用干涉滤光片、光栅、f - p 标准具等器件作为波长漂移监测器。这里使用2 片f p 窄带滤光片差分探测的方法来检测激光器的波长漂移，方案的原理如图2 3 1 ： 图2 3 1 基于f p 窄带滤光片的波长漂移检测的锁定方案框图 半导体激光器的波长稳定参考点是干涉滤光片长波和短波透射谱线的交点( 两曲 线在斜率最陡处相交，以此作为稳频参考点可以得到灵敏的鉴频精度) ，如图2 3 2 所示： kx 图2 3 2 参考波长与窄带滤光片中心波长的相对关系图 如果激光器的输出波长丑= 兄。，由图可以看出两干涉滤光片输出的光强相等，此 时光电探测器接收的信号相等差分为零( 五= , z o ，( f ：) = k ( f 。) ) ，电子伺服系统无信 号输出，故半导体激光器的输出波长保持不变：如果外界扰动使激光器的输出波长发 生漂移( 五 以) ，则干涉滤光片2 输出的光强大于干涉滤光片i 输出的光强，波长 向长波长方向漂移，此时光电探测器接受的电信号差分输出的光强小于干涉滤光片i 输出的光强，波长向段波方向漂移，此时光电探测器接收的信号差分为负( 厶， ( f ：) k ( 柏) 。这样电子伺服系统就会输出误差信号，以控制半导体激光器的温度 ( 或电流) ，使激光器的输出波长回到两干涉滤光片透过曲线的交点，实现当波长随 华中科技大学硕士学位论文 着电流有较大范围的变化而改变时，调整激光器温度，引起波长往相反方向变化，达 到波长锁定的目的。 此方案的选择是基于以下几点： ( 1 ) 根据本实验室现有的条件和技术优势，在f - p 标准具和窄带滤光片的设计、 加工和镀膜方面有一整套工艺、设备，而且技术相当成熟。实验中需要的窄带滤光片 可以自行设计、制作，成本低，而且一旦方案成熟，产品中的关键器件可以自行生产， 也大大降低了产品的成本。 ( 2 ) 使用窄带滤光片作为波长偏移的检测元件，跟光栅相比窄带滤光片具有更 好的热稳定性，对工作条件( 温度、湿度) 的要求不会太高，在无恒温条件下也能长 时间稳定连续工作，这在实际应用中特别有利。 ( 3 ) 根据图2 3 1 ，在波长漂移探测的手段上，采用双光路差分探测的方法，参 考中心波长和两窄带滤光片的透射中心波长的相对关系见图2 3 2 两窄带滤光片透 射谱线的中心波长分别位于目标中心波长的两侧( 具体的位置计算将在以后的章节中 详细地介绍) ，当波长漂移时，透过一个滤光片的光功率增大，而透过另外一个滤光 片的光功率减小，该探测波长漂移的方法的灵敏度比单窄带滤光片探测的灵敏度要高 出一倍。另外由于是两路光信号的差分检测，当激光器有光能量波动或其他噪声时， 由于两路信号相减，最终可以将噪声去掉，得到反映波长漂移的信号，因此该方案相 比于其他的波长锁定方案具有较强的抗干扰能力。 ( 4 ) 从控制手段上看，该方案采用实时调整温度的方法来抵消掉电流改变而引 起的波长漂移，实现波长锁定。控制系统的核心芯片采用a d n 8 8 3 0 ，误差信号来源 于信号处理模块中的比例积分环节，该控制手段全部采用模拟电路实现，相对于其他 方案中计算机控制来说，在控制手段上省去了计算、编写、输入大量的数据库和设计 并实现p i d 算法等复杂的过程，设计思路、方法和结构都比较简单。 方案主要涉及到以下几个方面的理论知识： ( 1 ) 影响半导体激光器波长的因素； ( 2 ) 窄带滤光片及相关知识： ( 3 ) 半导体激光器致冷器相关知识； 由于影响半导体激光器波长的因素在本章第一节中已经详细地介绍过，下面分别 对窄带滤光片及半导体致冷器的相关知识进行介绍。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 窄带滤光片 窄带滤光片就是一种窄带通的滤光片，目前最常用的也是最简单的窄带滤光片是 f a b r y p e r o t 滤光片，是基于f a b r y p e r o t 干涉原理设计而成的薄膜器件。f - p 窄带滤 光片是在介质薄板的两个平行的表面上镀反射膜构成的，当介质薄板的两表面反射率 r 很低时，只考虑头两束光的干涉；而当f p 腔表面的反射率r 很高时，就必须考 虑多光束干涉的情况了，如图2 4 1 所示： h 图2 4 1f - p 窄带滤光片的多光束干涉图 2 4 1 窄带滤光片的理论分析1 4 3 i 假设一束单色光由空气中以入射角i 入射到滤光片的第一个平面上，其透射光以 的角度入射到第二个平面上，并且在滤光片的表面不断分解为反射光和透射光，最 终以巨、e ：、e 、e 。透射过窄带滤光片。相邻光束的光程差为： a = 2 n h c o s i l( 2 4 1 ) 式中，h 为腔体的折射率，h 为间隔层厚度，i 。为多次反射的角度。 由多光束干涉理论可以知道，当光程差a = k a 时，透射光有极大光强值，k = o 、 1 、2 、，五为透射光波长。影响干涉光强度变化的根本原因是相位差占，而 j = 2 砖2 ，求导可得： d 6 = - 2 石会视( 2 4 2 ) 式中的负号表示在光程差为常量时，波长增加则相位差减小。 对于某一固定的滤光片，当白光以某一入射角i 入射，则