CN101308995B - 半导体激光器频率调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种半导体激光器的频率调制方法，属于光电工程技术领域。本调制方法是，当其温度一定时，利用波长对电流变化饱和区域相对于功率对电流变化饱和区域的相对滞后，在功率饱和波长变化区域内对半导体激光器的频率进行调制。本发明改进了半导体激光器频率调制的方法，可以有效地抑制由于频率调制而伴随产生的功率的变化，实现频率调制而输出光功率相对稳定不变的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器频率调制方法，属于光电工程技术领域。
背景技术
半导体激光器是指以半导体材料作为工作物质的激光器，与其他类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、发光效率高、可在常温条件下连续发光等特点，并且容易通过驱动电源来调制它的光输出。因此，半导体激光器在光纤通讯、激光测距，光学检测、医疗等领域都得到了十分广泛的应用。
半导体激光器产生激光所需最小电流叫阈值电流，正常工作时泵浦电流值应高于阈值电流。半导体激光器输出光功率与泵浦电流的关系如图1上部所示，图中横轴i代表半导体激光器的泵浦电流，纵轴代表激光器的输出功率。当泵浦电流高于阈值，随着泵浦电流的增加输出功率也增加，在其中的某一段其关系近似于线性关系。
图1中部所表示的是当半导体激光器的温度一定、泵浦电流变化时输出光波长的变化。图中横轴i代表半导体激光器的泵浦电流，纵轴代表激光器的输出光波长。当泵浦电流高于阈值，随着泵浦电流的增加时激光波长也随其增加，在其中的某一段其关系也近似于线性关系。因此，当泵浦电流变化时波长与功率同时变化。
在某些以半导体激光器为光源的应用中，只需要对激光器的输出光频率进行调制，同时要尽量避免激光器的输出光功率的变化。如图1下部所示，如果按一般的调制方法在泵浦电流中叠加调制信号进行调制，显然难以满足这样的要求，因此，要达到这一目的，就必须在调制方法上下功夫，图中ith为半导体激光器的阈值电流，i0为调制电流信号的平均值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体激光器频率调制方法，可以有效地抑制由于频率调制而伴随产生的功率的变化，实现频率调制而输出光功率相对稳定不变的目的。
解决本发明的技术问题所采用的方案是：
①将半导体激光器温度控制为一定常值，从阈值电流以下开始扫引泵浦电流，同时测定半导体激光器输出光的波长和功率；
②根据功率和波长随泵浦电流的变化，划分出半导体激光器的三个特性区域，即半导体激光器的功率和波长均在变化的PVWV区、功率饱和而波长在变化的PSWV区、功率和波长均达到饱和的PSWS区；
③依照所划定的区域，使半导体激光器在PSWV区内工作，从而进行单纯的频率调制。
对PSWV区的范围按如下方法确定：测得半导体激光器的功率变化率绝对值为零处对应波长用λ0来表示，从λ0点开始测到最小波长变化率所对应的拐点波长λ1，以λ0和λ1间的波长间隔用Δλ表示，则通过调制半导体激光器的泵浦电流实现对其频率进行单纯调制方法中的PSWV区为λ0±Δλ。
上述本发明划定功率饱和波长变化的PSWV区域采用的装置及方法是：采用温度控制器将半导体激光器的工作温度控制在常值；采用激光器电源调整半导体激光器的泵浦电流；采用分束比为1∶1的分束透镜将半导体激光器的激光束一分为二，其中一束进入激光功率计，用来测定激光功率；另一束光进入波长检测器测定激光波长。根据测定的结果可以得出波长和功率、及其随电流的变化率。
本发明的有益效果是：本发明改进了半导体激光器频率调制的方法，可以有效地抑制由于频率调制而伴随产生的功率的变化，实现频率调制而输出光功率相对稳定不变的目的。
附图说明
图1表示半导体激光器的特性示意图，
图2为本发明中测定半导体激光器特性的装置构成示意图，
图3表示波长饱和区域和功率饱和区域划分示意图，
图4表示波长、功率及其变化率示意图，
图5为本发明应用例装置构成示意图，
图6为本发明应用例测定结果示意图。
图1中：i0：t0时刻的泵浦电流；ith：阈值电流；λ0：与i0相对应的波长；P0：与i0相对应的功率；
图2、图5中：1.半导体激光器，2.准直透镜，3.分束透镜，4.功率计，5.波长计，6.温度控制器，7.激光器驱动电源，8.函数发生器，9.锁相放大器，10.光检测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1.测定例：
测定装置的构成如图2所示。图2中1为半导体激光器，使用InGaAsP材料的DFB(分布反馈)型可调谐激光二极管；所发出的激光经准直透镜2后变为平行光束；图中3为分束比为1∶1的分束镜，将激光束一分为二：其中一束进入激光功率计4，用来测定激光功率；另一束光进入波长计5测定激光波长。
图4.表示的是半导体激光器功率和波长的测定结果。上面两个图分别为激光功率(已按分束比修正)及激光功率随泵浦电流的变化率；从这两个图可以看出激光功率从阈值电流(17mA附近)开始呈增加趋势，在至150mA处达到最大值，而后维持在这一水平并呈微减趋势。功率的变化率则一路下跌，在158mA处达到零变化率，之后维持在零变化率附近。这一结果说明在一定电流范围内存在着激光功率不随泵浦电流变化的区域。
图4下面两个图表示激光波长及其随泵浦电流的变化率。如图所示激光波长随泵浦电流的增加而波长一路增大，而波长变化率则在158mA处达到最大，在这附近刚好与功率的零变化率相吻合。由这一结果可以看出波长的饱和点较功率的饱和点滞后，如果将激光器的工作点选在功率饱和点附近就可以实现功率的变化率最小而波长的变化率最大，实现功率无变化的频率调制。
实施例2.本发明应用例
以半导体激光器为测定光源的微量气体检测中，为了提高检测灵敏度，需要对半导体激光光源进行直接频率调制，即利用函数发生器8与激光器驱动电源7相组合，在泵浦电流中加入调制信号造成频率的变化。而根据半导体激光器的特性，如果将工作点选在前述PVWV区(功率变化，波长变化)内，则必然导致激光器的功率也发生相应的变化。而在实际的检测实验中，这种伴随发生的功率变化起着降低检测灵敏度的副作用，通常被称作残余振幅调制噪声。其数值越大负面影响也越大。因此，为了降低残余振幅调制噪声就需要采用本发明所示的频率调制方法。
图5所表示的是本发明应用例的装置构成。图5中1为前述半导体激光器，使用InGaAsP材料的DFB(分布反馈)型可调谐激光二极管；所发出的激光经准直透镜2后变为平行光束；图中3为分束比为1∶1的分束镜，将激光束一分为二：其中一束进入功率计4，用来测定激光功率；另一束光进入光检测器10，光电变换后由函数发生器8与锁相增幅器9相组合测定残余振幅调制噪声信号。
图6为残余振幅调制噪声的测定结果。图中的各线表示不同的频率调制幅度时的残余振幅调制噪声的水平，观察调制幅度为4mA的测定数据，并结合图4的结果可以发现，功率变化率较小处残余振幅调制噪声水平较低，其中150mA至160mA处为最低，噪声水平可减至最大出的八分之一以下，可以证明本发明在降低残余振幅调制噪声水平的实际作用。
Claims (2)
1.一种半导体激光器的频率调制方法，其特征是：
①将半导体激光器温度控制为一定常值，从阈值电流以下开始扫引泵浦电流，同时测定半导体激光器输出光的波长和功率；
②根据功率和波长随泵浦电流的变化，划分出半导体激光器的三个特性区域，即半导体激光器的功率和波长均在变化的PVWV区、功率饱和而波长在变化的PSWV区、功率和波长均达到饱和的PSWS区；采用以下装置来划定PSWV区域，即采用温度控制器将半导体激光器的工作温度控制在常值，采用激光器电源调整半导体激光器的泵浦电流，采用分束比为1∶1的分束透镜将半导体激光器的激光束一分为二：其中一束进入激光功率计，用来测定激光功率，另一束光进入波长检测器测定激光波长；
③依照所划定的区域，使半导体激光器在PSWV区内工作，从而进行单纯的频率调制。
2.按权利要求1所述的半导体激光器的频率调制方法，其特征是对PSWV区的范围按如下方法确定：测得半导体激光器的功率变化率绝对值为零处对应波长用λ0来表示，从λ0点开始测到最小波长变化率所对应的拐点波长λ1，以λ0和λ1间的波长间隔用Δλ表示，则通过调制半导体激光器的泵浦电流实现对其频率的直接调制方法中的波长PSWV区为λ0±Δλ。
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