（电磁场与微波技术专业论文）外腔半导体激光器伺服电路系统的改进设计与实现.pdf

中文摘要 大容量、超高速的密集型波分复用( d w d m ) 光通信技术的迅猛发展，使 得通信产业发生了从电通信到光通信质的变革。这种技术要求对通信光源发出的 光信号频率和频率间隔进行精确定位，而外腔半导体激光器能够符合这种要求， 从而成为一种极具竞争力的光源。本课题对新进才开始研究的1 5 口波段外腔 半导体激光器的饱和分子吸收稳频技术进行具体讨论，它能够获得很高的精度。 闭环伺服电路系统是稳频控制的关键环节之一。本课题着重研究了外腔半导 体激光器饱和吸收稳频的伺服电路系统的改进方案。最初的伺服电路系统存在较 多分立元件，结构比较复杂，性能也不够稳定。针对此问题，我们对外围闭环伺 服电路的各部分进行改进，尽量减少元器件，并采用数字模拟混合电路的方式， 引入单片机芯片，用于实现稳频的闭环控制功能。这样，整个系统不但体积小， 器件集中，而且可以进行智能化控制，稳定性也得到显著提高。本文中还提出一 种更为简单的数字控制电路方案，只用很少的数字电路芯片，即可完成控制功能。 高精度稳频外腔半导体激光器不仅可以在光通信中作为一种比较理想的光 源，还可以广泛应用于激光测距、医疗、军事导航、光电检测、激光传感等方面， 具有极为广阔的应用前景。 关键词；半导体激光器，外腔，伺服电路，稳频 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h et e c h n o l o g yo fm o l e c u l es a t u r a t i o na b s o r p t i o nf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n o ft h ee x t e r n a lc a v i t yl a s e rd i o d e s ( e c l d ) o n1 5 p mw h i c hi sr e c e n t l yr e s e a r c h e di s d i s c u s s e d ，a n di tc a no b t a i nh i g hr m i oo f p r e c i s i o n t h ei m p r o v e ds c h e m eo f t h es e r v o c i r c u i ts y s t e mo ft h ee c l d sm o l e c u l es a t u r a t i o na b s o r p t i o nf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o ni s i n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r t h ep e r i p h e r a ll o o ps e r v oc i r c u i ts y s t e mi st h ek e yo ft h ef r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n c o n t r 0 1 t h eo r i g i n a ls e r v os y s t e mu s e sal o to fd i s c r e t ec o m p o n e n t s i t ss t r u c t u r ei s i n t r i c a t ea n dt h ep e r f o r m a n c ei sn o ts t a b l ee n o u g h i nt h ep a p e r , e a c hp a r to f t h es e r v o s y s t e mi si m p r o v e da n dt h es o m ec o m p o n e n t sa r er e d u c e d t h ed i g i t a l a n a l o gm i x i n g c i r c u i ti su s e dh e r e ，a n ds i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri sa d h i b i t e dt or e a l i z et h ec l o s e d l o o pc o n t r o lf u n c t i o n s t h i sm o d u l ec a nr e a l i z et h ec l o s e dl o o pc o n t r o lf u n c t i o n sw h i c ha r en e c e s s a r yf o rt h e f r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n s o ，t h ew h o l es y s t e mi sn o to n l yi n t e g r a t e d a n dm i n i t y p e d ， b u ta l s oc a nb ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e d ，a n dt h es t a b i l i z a t i o ni sg r e a t l yi n c r e a s e d t h e f r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o ne c l dw i t hh i g hd e g r e eo fa c c u r a c yn o to n l yi s as u i t a b l e p h o t os o u r c ef o rt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，b u ta l s oi tc a nb eu s e dw i d e l yi nm a n y f i e l d s ， s u c ha sm e d i c a l t r e a t m e n t ，m i l i t a r yn a v i g a t i o n ，l a s e rt e l e m e t e r , p h o t o - e l e c t r i c i t yd e t e c t i o n ，l a s e rt r a n s d u c e ra n de t c k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r , e x t e r n a lc a v i t y , s e r v os y s t e m ，f r e q u e n c y s t a b i l i z a t i o n c l o s e dl o o p 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，除了文中特别加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，也不包含为获得墨生盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：可弓l 送签字日期：a 叼r 年，月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂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，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) 学位论文作者签名：孑如是 签字日期：o ) 。订年f 月f 7 日 导师签名：二f 左 签字日期：幽。r 年月l7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 外腔稳频激光器应用简介 可调谐的激光器是许多应用领域迫切需要的光源。外腔可调谐半导体激光器 具有光谱特性好、波长调谐范围宽、结构紧凑、效率商、成本低、寿命长等优点。 除了在高速光纤通信系统、光波元件测试等方面有重要应用外，还可望在某些应 用领域取代染料和掺钛蓝宝石激光器，并完成许多先前无法实现的应用要求，因 此受到广泛重视，成为8 0 年代以来光电子学领域中活跃的研究课题之，并正 在迅速走向实用化。 在过去的十年中，可调谐外腔半导体激光器得到飞速的发展，从单纯的设备 研究扩展到有着广泛市场的商业应用，其中在光纤通信和光谱学领域中的应用最 为显著l 。下面进行简单的介绍。 1 光纤通信中的光源 目前的通信技术中，波分复用技术( w d m ) 以其优良的性能受到广泛的关 注，将成为未来通信的主流。波分复用技术充分利用了光纤的通信带宽，采用多 通道方式，实现宽带、大容量传输，即在不改变原有光缆和信道带宽的基础上， 用多路信号覆盖光纤的通信带宽，使光纤的宽带特性得到充分的利用，提高单根 光纤的总传输容量1 2 j 。 在波分复用系统中，以不同波长工作的激光同时沿着一根光纤发送彼此分开 的数据，在接收端用光学方法将不同的波长分开，分别进行检测。要保证系统正 常、稳定、高效率地工作，光源起核心作用。光纤放大器存在一定的增益带宽， 要在这一带宽中尽可能多地容纳信道，并保持一定的间隔，这就要求各信道载波 的线宽要窄。国际通信联合会制定了3 2 路波分复用的标准，规定信道间隔为 1 0 0 g h z ( o 8 n m ) 1 3 。而且，在长途高速传输系统中，如果激光器输出光谱宽度 较宽，光纤色散会使脉冲展宽，引起码间串扰。普通半导体激光器的输出光谱宽 度一般为几个纳米，而且是多模振荡，主模与边模的增益差小，边模幅度大，容 易发生“模竞争”现象，在高速检测系统中会造成误码，远远无法满足系统的要 求。采用电子伺服系统、实现闭环控制的窄线宽可调谐半导体激光器可获得波长 稳定的激光输出，线宽小于0 1 纳米，波长在一定范国内可调谐，而且由于伺服 电路的存在，可以将激光中心谱线稳定在某个很小的吸收峰上，这样在多路光通 信系统中就可以将得到的各个波长的输出分别分配给每一信道【4 l 。据相关文献报 道，这种激光器很容易将线宽压窄到1 g h z ，用于上述0 8 纳米信道间隔的系统 第一章绪论 中，可在1 5 3 0 15 6 0 纳米掺铒光纤放大器( e d f a ，e r b i u md o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 窗口内实现多于3 2 路的信道传输，这样，随着激光器对波长控制精度的进一步 提高，光通信技术向密集型波分复用( d w d m ) 发展1 5 j 。 2 波分复用光通信系统中的绝对波长参考源 波分复用技术是光纤通信的核心技术，而光源是其关键所在，快速发展的波 分复用技术要求激光源的输出可靠地锁定在某一个固定的波长上，其精度要求很 高。为了防止波分复用时各信道之间的串扰，要求所有有源和无源的器件工作在 为其设定的光谱窗口内，没有漂移和啁啾。在制造、安装和服务过程中，这一要 求需要对主要元件如激光源、滤波器和光纤光栅等进行波长特性检测。目前，用 波长计、光谱计或光谱分析仪可以满足现有要求，但随着3 2 路信道波分复用系 统向6 4 路密集型波分复用系统发展，信道间隔由原来的1 0 0 g h z ( o ，8 m n ) 变成 5 0 g h z ( 0 ，4 r i m ) ，需要有更精确的波长标准【6 j 。 将激光器输出锁定在原子或分子吸收光谱线上，应用这个方法可得到绝对波 长标准。研究人员使用乙炔和氰化氢作为吸收物质，因为它们的振动谐波吸收谱 线覆盖整个1 5 5 0 n m 掺饵光纤的增益区，而1 5 5 0 n m 正好是光纤通信的窗口之一。 东京技术研究所提供的乙炔吸收谱线图，其绝对精度达到1 5 0 k h z ，这种波长标 准的光源部分就是采用稳频外腔半导体激光器。这种外腔激光器的原理结构如图 1 1 所示。 图1 1w d m 波长参照源结构 下图1 - 1 中，激发源部分是一个激光二极管，在前端镀上了高增透膜，采用 l i t t m a n 或l i t t r o w 外腔结构，调节外腔镜的位置可以调节波长。输出光经过准直 后，耦合到一个f c a p c ( f i b e rc o n n e c t o r a n g l e dp h y s i c a lc o n n e c t o r ) 光纤耦合器 中，在耦合器前端放一个分光器，分出大约5 的光再经过一个分光器分出一束 光射入吸收池的气体中，透射光由一光电检测器接收，另一路直接由光电检测器 第一章绪论 接收。 由于多普勒展宽，乙炔和氰化氢的光谱都有量级为1 g h z 的线宽。为了精确 锁住中心波长，采用三次微分锁模的方法。用1 m h z 的高频振荡器控制压电陶瓷 片，移动外腔激光器的调谐镜；再用1 k h z 的正弦信号调制激光器的偏置电流， 使其光强有一个正弦的扰动；探测电路在频域内对接收到的光信号进行处理，通 过一个反馈回路调整外腔镜的位置和激光器直流电流源的偏置电流，使光源的稳 定度达到1 m h z 。 3 高分辨率光谱分析( 拉曼谱仪的光源) 1 9 2 8 年，印度物理学家c vr a m a n 发现光通过透明溶液时，有一部分光被 散射，其频率与入射光不同，其频率位移与发生散射的分子结构有关。这种散射 称为拉曼散射，频率位移称为拉曼位移。由红外光谱及拉曼光谱可以获得分子结 构的直接信息，仪器分辨率高。采用显微测定等手段可以进行非破坏、原位测定 以及时间分辨测定等。用通常的拉曼光谱可以进行半导体、陶瓷等无机材料的分 析，如剩余应力分析、晶体结构解析等。拉曼光谱还是合成高分子、生物大分子 分析的重要手段，如分子取向、蛋白质的巯基、卟琳环等的分析。此外，拉曼光 谱在燃烧物分析、大气污染物分析等方面有重要应用【7 】【”。 但是拉曼散射是一种低概率事件，信号水平很低，尤其是当探测低浓度化学 成分时，拉曼散射可能相当弱，这样，提高拉曼散射信号的信噪比，从而提高拉 曼谱线的灵敏度，是制约拉曼技术发展和应用的关键技术环节。在环境控制和过 程控制中，样品中往往含有某种物质，在可见光的激发下会发射荧光。这种荧光 可能比拉曼散射强1 0 8 倍，即使是荧光残留也会形成显著的背景光，降低系统的 信噪比，使拉曼谱仪不能进行正常精确的定量分析，严重时拉曼信号甚至会完全 被背景光所淹没。为了解决这一问题，可使用近红外激光光源来减小样品的荧光， 因为长波长光不会激发太多分子到能发射荧光的高能态。若用输出波长为 1 0 4 6 n m 的n d ：y a g 激光器作为光源，其激发的拉曼信号偏离c c d 像素的检测 范围；掺钛蓝宝石激光器可以提供7 5 0 8 0 0 n m 的波长，但是结构复杂、体积大， 不利于集成化。相比之下，该波段的半导体激光器具有较大的优势。其结构紧凑， 也易于集成到旋钳式拉曼分光计中。因为拉曼散射的峰值并不出现在固定的波长 上，而是相对于激发光源波长有一定的偏移，所以拉曼谱仪对激光的线宽、波长 稳定性和可调谐性有着较为严格的要求。使用带有伺服回路的外腔半导体激光器 可以实现窄线宽的输出，而且能够满足定量拉曼测量所需的波长稳定性和横模特 性，是拉曼谱仪的合适光源之一。 除了以上的应用外，在可见光波段，如6 5 0 - 6 9 0 n m 的红光波段的激光，被广 泛的应用于条形码扫描、检测、光存储、激光打印机等领域，性能更好的激光光 第一章绪论 源无疑会大大提高这些产品的品质和功能，如降低差错率、增大存储容量等。越 来越广泛的应用不断推动着可调谐外腔半导体激光器的发展，其研究非常活跃， 而且将产生新的商业发展1 0 儿】。 1 ，2 稳频技术介绍 激光的许多应用( 如光通信、光计量学和光谱技术等) 都要求激光器具有接 近于通用射频振荡器那样的绝对频率稳定度和振荡谱线宽度i l “。但是由于各种 因素的影响，激光器共振腔长和腔内介质的折射率会发生变化，导致输出光频率 漂移。归结起来影响频率稳定的外界因素有以下几个方面。 1 温度变化的影响：由于环境温度的起伏或者激光器工作时发热，都会使 腔材料随着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移。 2 大气变化的影响：实验证明，外腔激光器由于通风引起的空气扰动能在 几秒钟内产生几兆赫的快速脉动，所以要求尽可能减少外腔激光器裸露在大气中 的部分，并且必须屏蔽直接通风。 3 机械振动的影响：外界的机械振动，如建筑物的振动、车辆的通行、声 响等都会引起激光器的振动，改变腔的光学长度，导致频率的漂移。 4 磁场的影响：为了减小温度影响，激光器谐振腔间隔器多采用殷钢材料， 但殷钢材料的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，因而地磁场效应和周围电子仪 器产生的杂散磁场对高稳定激光器或由磁场效应稳频的激光器的影向必须加以 考虑。 综e ，需要对激光器采取某些技术措施，以确保激光器输出的光频率稳定在 某个极窄的范围内。大多数稳定激光器输出频率的方案都使用反馈技术。在各类 方案中，若振荡频率相对于基准频率发生偏离，就会产生一个误差信号，此信号 反过来控制激光器的某个参量( 一般是激光器的腔长、激光器的驱动电流或温 度) ，使振荡频率回到基准频率。在这个控制过程中，必须有一种鉴别方法，以 确保振荡频率相对于基准频率的偏离量和偏离方向，给出一个误差信号。各种稳 频方案的差别在于：( a ) 产生鉴别的方式；( b ) 确定基准频率的过程。 1 3 外腔激光器的外围伺服电路 通过电路对外腔激光器进行控制，可以极大地改进激光器的输出特性，实现 频率的稳定、线宽的压窄和自动补偿等 j 。激光器闭环伺服电路有很长的研究 4 第一章绪论 历史，某些方面已经比较成熟，但是目前的稳频伺服电路大部分都是由分屯器件 组成，系统的稳定性不够，体积较大，而且容易受外界环境的影响，所以把伺服 电路系统整合到小型模块里并将其中某些功能用数字电路实现，将很好地解决以 上的问题。论文中提出了一套模数混合的闭环伺服系统，用于激光输出的稳频 与锁模。 这种闭环电路不但可以应用于外腔半导体激光器，还可以修改后用于其它类 型的激光器，都可以起到很好的稳频效果。 在文中，还提到了今后伺服系统改进的方向，提出了一种基于a r m 的嵌入 式系统的改进电路结构。把伺服电路系统整合到小型的嵌入式模块里不但将更好 地解决前面的不够稳定、体积大等问题，而且控制能力也将得以大大扩展。 本课题选自课题小组承担的天津市自然科学基金重点项目和天津市国际合 作项e t ，是其中部分研究内容。 第二章外腔激光器与稳频技术介纠 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 2 1 外腔半导体激光器介绍 所谓外腔就是在激光器输出端面的一定距离处放置一个外腔反射镜，在输出 解理面与外腔反射镜之间形成一个激光器外部的谐振腔，用于选频、压窄线宽之 用。而光栅外腔半导体激光器就是利用光栅作为窄带滤波片和外腔反射镜将部分 散射光反馈回激光二极管的有源区”“，通过反馈光与激光二极管中本征模的相 互作用，可以降低激光器的输出噪声、压窄激光线宽并增大波长调谐范围【】”。 常用的光栅外腔半导体激光器有两种：光纤光栅外腔半导体激光器和闪耀光 栅外腔半导体激光器。 光纤光栅外腔激光器采用封闭外腔，它是利用耦合在外腔里的一段光纤光栅 作为外腔反射镜，通过改变光纤光栅的b r a g g 波长达到调谐激光输出波长的目 的。对于光纤光栅b r a g g 波长的调节可以通过机械方式和温控方式来实现，其中 机械方式就是将带有光纡光栅固定到一段伸缩棒上，通过改变伸缩棒的长度来带 动光纤光栅发生变化，使得光纤光栅产生轴向应变，进而达到波长调谐的目的。 温控方式是通过改变温度来改变光纤光栅的b r a g g 波长。由于普通光纤光栅的热 稳定性很好，其温度变化率大约为0 0 1 n r n 。c | 1 “，因此采用温控方式调节比前面 的机械方式调节要精确得多。 由于光纤光栅外腔半导体激光器采用封闭式外腔，其抗外界干扰的能力较 好，输出激光线宽很窄、体积小、易于集成，但波长连续调谐的范围较窄，而且 造价较高，适用于对精度要求较高的领域。 闪耀光栅外腔半导体激光器与光纤光栅外腔激光器不同，采用的是开放式外 腔，利用闪耀光栅作为外腔反射装置，由于其反馈具有色散特性，即闪耀光栅的 反射率与波长相关，由此可引入模式竞争机制，通过本征腔与外腔中光波的相干 作用实现线宽 图2 - 1l i t t r o w 结构示意图 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 根据闪耀光栅外腔半导体激光器结构的不同，可分为l i t t r o w 和l i t t m a n 两 种结构。前者是将普通激光器发射出的激光经透镜准直后入射到一工作于垂直入 射状态下的闪耀光栅上，形成衍射，转动光栅和使光栅平动实现调谐，l i t t r o w 结构如图2 1 所示，其中0 既是入射角又是1 级衍射光的衍射角。 激光震荡的相位条件为： 聊a = 2 n l ( 2 1 1 ) 其中r r l 为下整数，是模式的级数； 为自由空间波长；n 为有效折射率，由 波导结构和激光模场结构决定；l 是激光器腔体的几何长度。改变光栅转角，激 光中心波长移动，此时，若腔长l 不变，则由上式必为n l 变化，也就是发生了 跳模，造成不连续的波长调谐。若要实现连续调谐，则需要在改变光栅角度使反 馈中心波长改变的同时，同步改变外腔腔长，使由相位条件决定的复合腔的模谱 也随之移动，从而就可以保持激光模式不发生跳变。实现连续调谐时调谐结构满 足的条件是：外腔长l 与光栅衍射角0 的变化应保持同步，并满足下面关系式： 。0 = 。= c 。删s i n 一女n “ ( 2 1 2 ) 其中，d 是闪耀光栅常数的倒数，k 是外腔损耗引起的光衰减速率。 田一掣 l i t t m a n 结构是l i t t r o w 结构的改进。与l i t t r o w 结构的区别在于它的光栅是 同定的，并工作于掠入射状态下。在l i t t m a n 结构中增加了一块平面镜，平面镜 可转动并可由压电陶瓷( p z t ) 控制进行平动，以此选择经由闪耀光栅扩束后 的不同波长光反馈到半导体激光器中，实现调谐以及压窄线宽的作用。 l i t t m a n 结构如图2 2 所示。激光器输出光经透镜准直后入射到闪耀光栅上 发生衍射，0 级衍射光输出，1 级衍射光作为反馈调节光。调节平面镜角度使1 第二章外腔激光器与稳频技术介皇7 级衍射光垂直镜面入射，这样1 级衍射光就会经由平面镜反射，按原路反馈回激 光器的有源区。在这种情况下平动平面镜，就可以调节外腔激光器的谐振腔长。 若转动反射镜，改变反射光到光栅的入射角可实现波长调谐。满足光栅相干条件 的波长为： q 2 = d ( s i n a + s i n 卢) ( 2 1 3 ) 其中，q 为衍射级次， 为激光器的波长，d 为光栅常数，角。为入射光到 光栅的入射角，鼻为平面镜与光栅的夹角。 2 2 频率稳定技术 9 0 年代，在1 5um 的波分复用( w d m ) 和密集波分复用( d w d m ) 成为 光通信扩容的主流技术，并在短短几年时间里从实验室研究跨入大规模商业技术 应用。w d m ，特别是d w d m 的实际应用，对1 5 l j m 波长的计量溯源提出了现 实需求；同时半导体激光器和近红外分子原子光谱学的进展也为建立近红外波 长标准提供了必要的技术条件。为了使不同波长的光信号在光纤中传播，需要各 个信号分别占用不同的频带，这对光频率的稳定性有着极高的要求。频率稳定技 术就使得这种技术得以实现。 激光的特点之一是单色性好，即其线宽4 v 与频率v 的比值a v v 很小。白发 辐射噪声引起的激光线宽极限确实很小，但是由于各种不稳定因素的影响，实际 激光频率的漂移远远大于线宽极限。 当谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的纵模频率v 。为： v q2 9 丽 ( 2 2 1 ) 环境温度的起伏、激光管的发热及周围环境震动都会引起谐振腔几何长度的 改变。温度的变化、介质中反转粒子数的起伏以及大气的气压、湿度变化都会使 激光工作物质及谐振腔裸露于大气部分的折射率受到影响。咀一h 因素使腔长 及折射率”都在一定范围a l 、4 ”内变化，因此频率v 口也在a v 范围内漂移。4 v 可表示为： 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 等岍堕o l 虬1 ( 等+ 争a 玎4 、竹 工 ( 2 2 2 ) 通常定义频率稳定i 生l a v l v 来描述激光器的频率稳定特性，它表示在某一测 量时间间隔内频率的漂移量1 4 v 1 与频率的平均值v 之比。” 为了改善频率稳定性，通常采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标 准频率时，检测器给出误差信号控制腔长或其他影响激光器输出中心频率的因 素，使激光频率自动回到标准频率上。常见的主动稳频方法可以分为两类：一类 是利用激光输出功率频率曲线进行稳频，其中最常用的是兰姆凹陷稳频和塞曼 稳频；另一类是利用外界参考频率为标准进行稳频，如饱和吸收稳频和无源腔稳 频等方法，其中常用于1 5 “m 稳频的方法为饱和吸收稳频。下面分别对这几种 稳频技术进行介绍。 2 2 1 兰姆凹陷稳频 兰姆凹陷法以增益曲线中心频率为参考标准频率，电子伺服系统通过压电陶 瓷控制激光器的腔长，使频率稳定于v o 。图2 - 3 为兰姆凹陷稳频系统示意图。 压电陶瓷 激光器 图2 - 3 兰姆凹陷稳频系统示意圈 上图中的激光器为固体激光器，采用的为内腔调谐，该稳频方法适用于同 体激光器的调谐。 单纵模激光器安装在谐振腔减震器上，其中一块反射镜贴在压电陶瓷上，当 压电陶瓷外表面加正电压、内表面加负电压时压电陶瓷伸长，反之则缩短，因而 第二章外腔激光器与稳频技术介销 可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。图2 4 表示兰姆凹陷稳频的基本原理。存压 电陶瓷上加一个直流偏压和一个频率为厂的音频调制电压，前者控制激光t 作频 率v ，后者使其低频调制。如果激光频率一= 如，则调制电压时激光频率在如附近 变化，因而输出功率p 以频率2 厂作周期性变化。这使工作频率为厂的选频放大 器输出为零，没有附加的电压输送到压电陶瓷上，因而激光器继续工作于弛如 果激光频率”大于m 则激光输出功率的调制频率为厂，相位与调制电压相同。 于是光电接收器输出一频率为厂的信号，经选频放大器放大后送入相敏检波器。 相敏检波器输出一个负的直流电压，经放大后加在压电陶瓷外表面，它使压电陶 瓷缩短，腔长伸长，于是激光频率v 被拉回到v o 。如果激光频率- 小于m 则输 出功率的相位与调制相位相差n ，相敏检波器输出一个j 下的直流电压，它使压 电陶瓷伸长，使激光频率v 增加直至回到v o 。 图2 - 4兰姆凹骼稳频原理示意闰 为了改善频率稳定性，希望微弱的频率漂移就能产生足以将频率拉回”的 误差信号，这就要求兰姆凹陷窄而深。要使频率稳定性优于4 1 0 一，凹陷深度 应达1 8 。由激光器的半经典理论可知，兰姆凹陷的深度和激光参量舶，i 6 成f 比，所以使激光器工作于最佳电流并降低损耗可以增加凹陷深度。凹陷宽度6 则正比于v l ，因而正比于气压，故降低气压可是凹陷变窄，但气压过低会使激 光器功率降低，甚至使激光无法产生。 2 2 2 塞曼稳频 利用塞曼效应稳频的方法是在激光器腔内( 或腔外) 的吸收池上加轴向磁场， 使激光增益曲线或吸收谱线产生塞曼分裂，沿磁场方向观察到右旋圆偏振光和左 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 旋圆偏振光。若激光震荡频率与谱线中心频率重合，则这两种圆偏振分量的光强 相等；如果振荡频率偏离谱线中心频率，它们的强度不相等，于是便可以获得误 差信号，用它来反馈控制激光器腔长最后使得激光器振荡波长稳定在谱线中心 频率v o 上。 另种做法是直接在激光器工作物质上加交变轴向磁场。在这个磁场的作用 下，激光谱线分裂成两个圆偏振分量。 4 波片和检偏器使探测器只接收一种圆 偏振分量的辐射。如果激光器振荡频率v 与谱线中心频率 v 0 不重合，那么，当交 替的改变磁场方向时，接收器接收到的右旋和左旋圆偏振光的强度便不相等，形 成误差信号，利用它反馈控制腔长，也能够把激光振荡频率稳定在谱线中心频率 u o 上。 2 2 3 无源腔稳频 外界无源腔的特征频率也可用于稳频的参考频率，如果想短期内稳定度好而 又获得高输出功率，可采用这种稳频方式。图2 - 5 是利用f - p 干涉仪稳定半导体 激光器运行频率的示意图。激光频率的变化将引起透过f - p 干涉仪光功率的变 化。利用与兰姆凹陷稳频类似的鉴频方法得到的误差信号控制激光二极管的温 度、激励电流或外腔激光器的腔长可使激光频率稳定于f p 干涉仪的最佳透过峰 频率上。将多个激光器稳定于不同级次的透过峰频率上，可得到频率间隔固定的 多路激光，它可用作频分复用光通信的发射光源。 f p 千* 档 2 3 关于饱和分子吸收 图2 - 5 无源腔稳频示意图 现在主流的稳频方法是饱和吸收稳频【1 9 这种稳频方法是在谐振腔中放入充 有低压气体原子( 或分子) 的非线性吸收管，它有和激光频率配合很好的吸收峰， 而且由于l 吸收池气压很低( 只有l 1 0 p a ) ，吸收峰的压力展宽和吸收中心频率的 压力位移都很小，所以在吸收峰中心处形成的凹陷很窄且很稳定，以此作为稳频 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 的参考点，比其它的稳频方法( 如兰姆凹陷稳频和塞曼稳频：以增益曲线中心频 率为参考频率) 频率复现性和稳定性高很多。研究表明，在1 5 5 肚m 波段，利 用乙炔( c 2 h 2 ) 作为吸收池内的填充气体能够取得很好的效果。 圈2 6 外腔半导体激光器稳频的原理框图 影响半导体激光器稳定度的因素主要是工作温度的漂移和驱动电流的变化。 随着半导体激光器温度的升高，激光波长向长波长方向移动，而驱动电流增加， 波长则向短波长方向移动。稳频的关键技术是检测出频率变化量并将其转化为电 压量，再反馈回去控制激光器的温度和驱动电流，使输出的光频率基本保持不变。 激光中心频率发生偏移时，通常采用改变偏置电流的方法，使输出激光频率稳定 地逐次接近中心频率u “，如图2 - 6 示。 稳频的过程如下：在激光器上提供两个工作电流，一个是激光器驱动电流源 提供的选择工作点的直流电流，另一个是一个户i k h z 正弦信号，以对激光器输 出进行调制，使激光输出功率在吸收中心频率上以厂为频率变化，如图2 7 示。 图2 - 7 吸收池检测频率与1 乜流的关系 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 如果激光器的输出频率恰好在吸收频率v o 上，该点为曲线的极点，制率为0 ， 输出光电流中可得到频率为2 厂的信号。该信号不能通过滤波放大器，因此搽相 器没有信号输出。当输出激光频率小于吸收频率v o 时，光电流信号与振荡器输 出信号同频反相，鉴相器输出负电压，控制激光器驱动电流源减小，激光输出频 率增大，向v o 方向移动。反之，则控制激光器驱动电流源增大，使激光器输出 频率减小，最后使其稳定在v o 上【2 ”。由此可见，这是一个闭环工作过程。 2 4 传统外腔半导体激光器伺服电路介绍 传统的外腔激光器电子伺服电路系统主要是通过压电陶瓷片( p z t ) 控制外 腔激光器的腔长，以调节激光器输出的中心频率。图2 - 8 是一个传统的双频稳频 激光器的电路方框图，它包括有1 k h z 低频振荡器、选频放大器、相敏检波器、 直流放大器和直流调制升压等部分，现分别介绍如下。 幽2 ，8 双频稳频激光器电路方框图 1 1 k h z 低频振荡器 采用了双t 电桥反馈产生1 k h z 左右的正弦波，一方面提供给相敏检波器作 为参考信号电压，另一方面经放大后供给电光晶体对光进行调制，获得误差信号。 其具体电路如图2 - 9 所示。 在图2 - 9 中，双t 网络是由两个t 型电路并联丽成。其中一个是由两个电阻 r 和一个电容2 c ( r 、2 c 、r ) 组成；另个则是由两个电容c 和电阻r 2 ( c 、 r 2 、c ) 组成。双t 网络的谐振频率为f n 。 2 选频放大器 选频放大器的作用主要是利用双t 网络把光电接收器接收到的信号进行 1 k h z 的选频与放大。其具体电路如图2 1 0 所示。由t 。、t 2 组成工作点稳定的 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 双管直接耦合电路。t 3 接成射级输出器；选频作用是出双t 选频网络和由t 2 、 t 3 组成的反相放大器共同完成。 一 t l 妊? r 奇 u c 一吕i 1 c矗 世且h 卜 i t rr 释。 t | i 0 r 。 1 卅 一 r 扭 r 卜 6 r r 7t 。 1 rk 图2 - 91 k h z 低频振荡器 应予指出：选频放大器和低频振荡器虽都采用了r c 双t 选频网络，但两者 任务不同，前者是有选择性的放大某一特定频率的输入信号；而后者是产生某一 特定频率的正弦信号。所以当组成的电路满足振荡条件时就成为振荡器，否则就 为选频放大器。 3 相敏检波器 相敏检波器的作用是将1 k h z 振荡器送来的参考信号与选频放大后的误差 信号进行相位比较，当它们有相差时，相敏检波器就有直流输出；当两者同相时， 相敏检波器输出的直流电压为正，反相时输出直流电压为负；当选频信号为零时， 则相敏检波器输出为零。 相敏检波器的具体电路如图2 - 1 1 所示。相敏检波器由四个半导体二极管d l 、 d 2 、d 3 、d 4 以同一方向串连成一个闭合环路，四个连接点分别接到输入误差信 号变压器和参考信号变压次级绕组的两端；两个次级绕组的中心抽头则与负载电 阻r l 相联，参考信号v c 与误差信号v s 频率相同，但v c 的幅值比v s 的幅值大 一倍以上。环路中的r 为平衡电阻。 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 r k 图2 1 0 选频放大器 电压v c 起开关的作用，决定二极管的导通和关断。当输入误差信号电压 v s = o 时，由图可以看出，v c 在正半周( c 正a 负) 时，d 1 、d 4 导通，d 2 、d 3 不 通，这时环路中电流的回路是c d a g c 。此时d 和g 点等电位；反之，当v c 在负 半周( a j 下c 负) 时，d 2 、d 3 导通，而d l 、d 4 不通，电流回路是a b c g a ，b 和 g 点等电位。故负载电阻r l 上无电流流过，所以输出为零。 参考信号 误 差 信 号 图2 - 1 1 相敏检波器 1 宁 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 兰j 有误差信号v s 输入时情况就不同了。( i ) 当v s 与v c 同相位时，在v ， 为正半周时，g 和d 等电位，这时v s 的极性就是e ed 负，v s 引起的电流回路 是e 蟾a d 和e r g c d ，这时r l 上的电流方向是从e 到f ，输出端得到一个e 正f 负的 电压。在v c 为负半周，g 和b 点等电位，这时v s 的极性也恰好反向，即e 正b 负，则v s 引起的电流回路是e 蟾c b 和e q a b ，输出端同样得到一个e 正f 负的电 压。下个周期又重复上述过程，所以在r l 上将输出个单向电压，经过滤波 后即可得到一直流电压，其值f 比于v s 的幅值。( i i ) 当v s 与v c 反相位时，则 在负载电阻r l 上将得到个极性相反( f j 下e 负) 的直流电压。由此可见，输出 电压的极性与输入误差信号的相位有关，因此输出电压的极性可反映相位，因而 具有相敏的特性。 4 ，直流放大器 直流放大器的具体电路图如图2 - 1 2 所示，共分成四级，第一级由t 1 、t 2 按 对称差动电路组成，输入级采用恒流源，由晶体管t 3 、稳压管d 和电阻r 6 、r i 组成；第二级由t 4 、t 6 管组成，也是差动连接。第三级是t 6 单管放大，第四级 由t 7 、t 8 复合组成的末级功率放大器。 图2 - 1 2 直流放火器 5 直流调制升压 直流调制升压的具体电路如图2 - 1 3 所示。其作用是将直流放大后的信号电 压再调制升高到足够大的幅值而加压到压电陶瓷片( p z t ) 上。 第二章外腔激光器与稳频技术介绍 图2 1 3 直流调制升压 1 7 第三章外腔半导体激光器伺服电路的设计与实现 第三章外腔半导体激光器伺服电路的设计与实现 3 1 伺服电路的基本组成 与传统的模拟伺服电路相比，本设计中采用模拟数字混合的方式，将模拟 信号数字化后，利用单片机对数字信号进行数字处理，可以更加准确的控制激光 器驱动电流源的输出，从而达到提高输出光精度和稳定输出光频率的目的。 激光器驱动 电流源模拟 部分 激光器驱动 电流源数字 数字电 位器 嫠专曼l + 广面面 体激光器l i 二：二 l 笔警p 驾e 雯l 波发生源l 登 1 0 k h z 作为单l 片机的外时钟1 照 片 串并 转换 光电 检测 圈3 - 1 外腔半导体激光器的伺服电路的组成框图 ： f o a 。l i f_ 弋广 g e 讯 虬n dx - i 。 “ 酬0 o 。雩缈一 1 。“ 翟5 0v + v 。 也 “1 蚶蔓* k i f l牲71 ，磊 一。1 1 也 i s sl 1 二j 1 二壬霉 “1 b - 们 c 0 r 电压变 换模块 鉴相器 亚 与门 图3 - 2 电压变换电路 外围伺服电路主要由以下的几部分组成：激光器驱动电流源数字部分、数字 电位器、激光器驱动电流源模拟部分、频率1 k h z 方波发生源、三阶滤波器、鉴 第三章 外腔半导体激光器伺服电路的设计与实现 相器、处理数字信号的单片机、串并转换芯片、为各芯片提供标准电压的电压源 芯片和分别对基准频率源与外界光电检测输出信号进行电压变换的部分。组成框 图如图3 - 1 所示。 由于电路中有些芯片需要+ - 15 v 供电，而外部只提供+ s v 电压，要实现芯 片的正常工作，电压变换是必不可少的。为各芯片提供标准电压的电压源芯片电 路图如图3 - 2 所示。 3 2 伺服电路各部分的功能介绍与实现方法 一、电源部分 大多数激光器是用电能泵浦的。电源作为一种主要的泵浦装置，是激光器最 重要的组成部分之一，其特性主要由激光器的类型及它的使用条件来确定”。 当激光二极管在脉冲状态下工作时，泵浦脉冲的前沿宽度越短越好，因为二极管 的发热主要是在前沿工作的时间内产生的，而发热最终会使激光辐射遭到破坏。 半导体激光器的参数与温度有着密切的关系，随着迁移温度的升高，闽值电流将 增大，输出的功率要下降，因此在激光器电源的设计中必须考虑激光器的温度补 偿。 半导体激光器的辐射功率与泵浦电流之间的关系如下图3 - 3 所示。其特征是， 无论在脉冲状态下，还是在连续状态下，都有很大的一段近似直线部分。这是半 导体激光器的一个很重要的优点，这使得我们能够通过调节泵浦电流的大小，来 调制激光输出，而畸变很小。正是利用这个优点，我们可以对半导体激光器的输 出光进行调幅，然后得到相位的同步信息；再利用由同步信息中提取出的误差信 号，改变驱动电流的大小，调节激发激光的频率。 p 一、 | f 图3 - 3 半导体激光器的功率特性 对于激光器来说，电源应满足以下的一些基本要求。 电源的外特性( 即输出电压与负载电流之间的关系) 必须与负载( 半导体激 光二极管) 的伏安特性相匹配。同时，获得高的动力指标和运动指标以及所需 要的电泵浦参数，也是这种匹配的重要内容之一。 第三章外腔半导体激光器伺服电路的设计与实现 对电源的一些主要参数，应该既能手动控制，又能自动控制。这样，就可以 规定或者说在给定的范围内改变辐射能量或功率；保证激光器输出的辐射参数， 在外界的环境和机械因素的影响下，不随时间而改变。 在许多情况下，电源主要参数泵浦电流和电压，也就是泵浦功率的 稳定性，是很重要的。这些参数稳定，就有可能用比较简单的方法，来获得近于 理想的辐射功率或能量；在泵浦能力波动的情况下，单位体积中的功率达到不允 许的数值时，激光二极管就要被破坏，而这些参数稳定，有时又是防止这种破坏 的可行的电保护手段。 由于激光器的效率不高，因此，必须尽量使得电源具有最小的重量尺度和最 好的动力效果。对于定型的器件，电力的结果应该统一。这样，就为各种技术领 域所研制的电源的参数和结构进行标准化设定，从而其元件和部件也能有互换 性。本设计中的电源就可以应用于其他类型的激光器作为稳压稳流源。 此外，激光器电源应能满足运行、结构以及其他方面所提出的一些要求：电 源应有故障保护；应能在一定的外界环境和机械条件下工作：使用方便，可以修 理；研制时，应能充分利用可从工业部门买来的标准产品：保证结构上的工艺性 好，即独立控制的部件要能互换等等。 本设计中激光器的泵浦源由两个分离的电流源组成：一个是数字电流源部 分，另一一个是模拟电流源部分。两个电流源同时为激光二极管供电。 如下式所示： ( 2 2 1 ) 其中i d 为数字电流源所提供的电流大小，i a 为模拟电流源所提供的电流大 j 、。 数字电流源部分i d 用于提供激光器的直流偏置，作为激光器的主要供电源； 而模拟电流源部分电流i a 则是为了给激光器的输出提供一个正弦的扰动，以作 后面的饱和吸收判别之用。 1 数字电流源部分 数字电流源部分主要由m a x 3 2 6 3 芯片及外围电路组成，与数字电位器配合 使用来调节偏置电流。其原理图如下图3 4 所示。 m a x 3 2 6 3 是一个可编程、单5 v 供电的1 5 5 m 激光二极管驱动器，激光器 可以直接耦合到驱动器上，减少外部元件的数量。m a x 3 2 6 3 的具体特性如下： 上升时间小于1 l n l 微分p e c l 输入( p e c l ：正射极耦合逻辑，是成帧器高速i o 的标准逻 第三章外腔半导体激光器伺服电路的设计与实现 辑电平，这种输出方式耗电较大，为降低功耗需采用一些间接的解决方 案) 单+ 5 v 电源供电 自动功率控制( a p c ) 片内温度补偿 使能控制输入 我们可以通过i b i a s s e t 引脚上电阻值的设定来改变激光二极管偏置电流。 在m a x 3 2 6 3 内与该引脚相连的是一个电流控制电流源，通过改变r i 叭s s e t 的大 小，改变该引脚上电流，然后回馈到电流控制电流源上，对输出偏置电流进行控 制( 大约4 0 倍的比例