CN104979750B - 全光纤化半导体激光器稳频装置 - Google Patents

Abstract

一种全光纤化半导体激光器稳频装置，该装置的结构包括半导体激光器光源、半导体激光器控制器、光纤耦合器、光纤偏振分束器、光纤隔离器、鉴频单元、光纤耦合器、可调光纤衰减器、光电探测器、示波器。本发明的光反馈回路为全光纤化结构，利用半导体激光器的非相干光学反馈技术将半导体激光器的输出频率稳定在鉴频单元所产生的透射谱的斜边上。本发明可以突破电学反馈稳频的带宽限制，可以实现半导体激光器低频噪声及高频本征噪声的同时抑制，且具有光路搭建简便、结构紧凑、轻量化、稳健性好的优点。

Description

全光纤化半导体激光器稳频装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器，特别是一种全光纤化半导体激光器稳频装置，该装置可应用于激光原子冷却、激光雷达等领域。

背景技术

半导体激光器由于其体积小、效率高、波长选择灵活等优点在光频标、高分辨率光谱学、精密测量、光通信等领域具有十分广泛的应用，而在上述应用中激光的频率稳定度是一个极其重要的指标参数。对于普通的自由运转的半导体激光器，因为受到工作环境的影响，激光输出的频率长期稳定度较差，因此半导体激光稳频技术在现代科学术中发挥着越来越重要的作用。激光稳频初期主要通过恒温、防振、密封隔声、稳定电源等方法以减小外界环境的影响，但这些技术很难保证频率长期稳定性和复现性，若要达到更高要求的频率稳定度，必须依靠主动稳频技术，即当激光器的频率发生波动偏离频率标准时实时地鉴别出来，通过反馈控制的方法将激光频率恢复到原子、分子的吸收谱线或法布里-珀罗标准具的透射峰等特定的频率标准上。

在先常用的半导体激光器主动稳频技术，依靠调制光谱法、PDH法、DAVLL法、偏振光谱法、Sagnac干涉探测法等在频率标准处获得所需的反馈误差电学信号，并利用电学闭环控制环路进行反馈稳频，该技术等需要复杂的处理电路及各种调制元件，装置复杂且成本较高，并且反馈由电学信号完成，响应带宽受到一定程度的限制，限制了频率稳定度的进一步提高。为了克服上述技术对稳频技术带来的问题，在先技术利用非相干光学反馈对半导体激光器进行稳频(参见应康，陈迪俊，蔡海文，瞿荣辉，半导体激光器稳步装置及其调整方法，申请号201210060979.2；Yangguang Sun,Fang Wei,Zuoren Dong,Dijun Chen,Haiwen Cai,Ronghui Qu,All-optical frequency stabilization and linewidthreduction of distributed feedback diode lasers by polarization rotatedoptical feedback[J],Optics Expree,2014,22(13):15757-15762)。该技术通过引入非相干光反馈，将半导体激光器的频率锁定在铯原子852nm波段的饱和吸收峰上，并将半导体激光器的频率稳定度从96MHz压缩到6.6MHz，可以突破电学反馈稳频带宽的限制，同时无需精密电子学和激光器调谐执行机构参与稳频过程，但由于该技术的光路利用体光学元件进行搭建，故具有光路调节复杂、反馈光强度不可控、体积大、稳健性差等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种全光纤化半导体激光器稳频装置。该装置将半导体激光器的频率锁定在鉴频单元的透射峰上，可有效减小系统的体积及重量，降低整个稳频系统对外界环境的敏感度，并进一步提高稳频系统的稳频精度及抗扰性。

本发明的技术解决方案

一种全光纤化半导体激光器稳频装置，特点在于其结构包括第一光纤耦合器、光纤偏振分束器、光纤隔离器、鉴频单元、第二光纤耦合器、可调光纤衰减器、光电探测器、示波器，上述元部件通过保偏连接光纤连接如下：

所述的第一光纤耦合器具有一个输入端和两个输出端，第一输出端用于稳频激光的输出，第二输出端用于非相干光反馈稳频，该光纤耦合器的第二输出端连接所述的光纤偏振分束器的①端口，且激光的偏振方向与保偏光纤的慢轴平行，并由所述的光纤偏振分束器的②端口输出，该光纤偏振分束器的②端口依次经过光纤隔离器、鉴频单元后连接到第二光纤耦合器的输入端，该光纤耦合器的一个输出端的鉴频单元透射谱由光电探测器探测并输入所述的示波器的输入端，对鉴频单元得到的误差光信号进行实时显示，而该光纤耦合器的另一个输出端经过可调光纤衰减器后连接到光纤偏振分束器的③端口，再经过所述的偏振分束器后由①端口重新输出，且激光的偏振方向与保偏光纤的快轴平行，从而得到带有鉴频信息的非相干激光反馈信号，且反馈信号的强弱可由可调光纤衰减器进行调节。

本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、与在先技术相比，本发明的全光纤化半导体激光器稳频装置，全部采用光纤化的光学元件，各元件间的对接固定简便，避免了体光学元件光路调整复杂的问题，且可以有效地减小稳频装置的体积和重量；

2、与在先技术相比，本发明的全光纤化半导体激光器稳频装置，全部光学元件的输入输出端均为保偏光纤，可以极大的消除空气流动、机械振动等环境扰动对反馈光路的影响，具有稳健性好的优点。

3、与在先技术相比，本发明的全光纤化半导体激光器稳频装置，非相干反馈光的强度调节更为灵活，且可以适用于各种保偏光纤输入/输出的透射型鉴频单元。

附图说明

图1是本发明全光纤化半导体激光器稳频装置的结构框图。

图2是半导体激光器非相干光注入功率对激光器输出频率的影响。

图3是本发明非相干光反馈进行稳频的原理示意图。

图4是本发明实施例1的系统结构示意图。

图5是本发明实施例2的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，根据本发明的思想，可以采用若干实施方法，如下几种方案仅作为该发明思想的解释说明，具体方案不局限于此。

先请参阅图1，由图可见，本发明全光纤化的半导体激光器稳频装置，构成包括半导体激光器光源1、半导体激光器控制器2、光纤耦合器3、光纤偏振分束器4、光纤隔离器5、鉴频单元6、光纤耦合器7、可调光纤衰减器8、光电探测器9、示波器10，所述的光源控制器2为半导体激光器光源1提供可调的驱动电流和温度控制，在所述的半导体激光器光源1的出光方向连接所述的第一光纤耦合器3的输入端，该光纤耦合器3的一个输出端连接光纤偏振分束器4的①端口，该光纤偏振分束器4的②端口依次连接光纤隔离器5、鉴频单元6、第二光纤耦合器7的输入端，该光纤耦合器(7)的一个输出端连接光电探测器9的输入端，该光电探测器9的输出端接示波器10的输入端，对鉴频单元得到的误差光信号进行实时显示，而该光纤耦合器7的另一个输出端依次连接可调光纤衰减器8及光纤偏振分束器4的③端口。光纤偏振分束器4可将鉴频单元6得到的透射谱信号转换为与半导体激光器光源1出射激光偏振方向垂直的反馈光重新注入到半导体激光器光源1中，并且反馈光的强度可以通过可调光纤衰减器8进行调节。

本发明的具体原理如下：

本发明全光纤化半导体激光器稳频装置基于非相干光反馈的原理，当光频率对稳频点发生偏移时，注入到半导体激光器的反馈光强度经鉴频单元后会发生改变，引起半导体激光器的频率的改变，从而将半导体激光器的频率稳定在稳频点上。请参阅图1，半导体激光器的非相干光反馈是通过光纤偏振分束器4实现的，光源1输出的激光的偏振方向与保偏光纤的慢轴平行，用于稳频的激光通过光纤偏振分束器4的①端口后由光纤偏振分束器4的②端口输出，偏振方向保持不变，接着经过光纤隔离器5进入到鉴频单元6中得到带有鉴频信息的、偏振方向与慢轴平行的激光输出，并由光纤偏振分束器4的③端口输入后经光纤偏振分束器4的①端口输出偏振方向与保偏光纤慢轴垂直的激光，形成对半导体激光器光源的1的非相干光反馈。请参阅图2，半导体激光器在工作时对于非相干反馈光很敏感，非相干反馈光的注入会引起半导体激光器输出频率的改变，图2为半导体激光器的输出频率随非相干注入光功率变化的曲线，激光器输出频率随着注入光功率的增大而减小。请参阅图3，图3为非相干光反馈进行稳频的原理示意图，其中所绘的曲线为激光经过鉴频单元后的透射谱，激光器的稳频点位于透射谱的正斜率(透射光随波长增大而减小)的斜边上，当激光器工作波长正向偏离稳频点处时(即激光器频率较稳频点处频率减小)，则经过鉴频单元后的反馈光信号强度减小，由图2可知，激光器的输出频率随之增大，令激光器的工作频率重新工作在稳频点处，反之当激光器工作波长反向偏离稳频点处时(即激光器频率较稳频点处频率增大)，则经过鉴频单元后的反馈光信号强度增大，激光器的输出频率随之增小，令激光器的工作频率重新工作在稳频点处，从而建立起闭环相干光反馈回路。

实施例1

请参阅图4，该实施例中所述的鉴频单元6为由保偏光纤光栅61、保偏光纤62和保偏光纤光栅63依次连接所构成的光纤光栅法布里-珀罗干涉仪，所述光纤元件的输入输出端均为保偏光纤。具体操作步骤如下：

1.将半导体激光器控制器2的输出端与半导体激光器光源1的输入端相连，调整半导体激光器控制器的电流，使半导体激光器光源1输出功率满足要求，并依次连接第一光纤耦合器3、光纤偏振分束器4、光纤隔离器5、保偏光纤光栅61、保偏光纤65、保偏光纤光栅63、第二光纤耦合器7、可调光纤衰减器8、光电探测器9、示波器10。

2.打开光电探测器9及示波器10，观测所得到的鉴频信号，粗略调节半导体激光器控制器2的温度，使半导体激光器光源1的波长粗略调至所述的光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的一个透射峰处。

3.调节半导体激光器控制器2的输出电流成三角波扫描，使半导体激光器光源1的频率在小范围内变化，调节半导体激光器控制器2的输出电流的直流偏置使光电探测器9接收到的信号在示波器10中波形呈现出完整的干涉仪反射峰。

4.调节半导体激光器控制器2的输出电流，减小三角波电流扫描的幅度同时改变直流偏置量，在示波器10上观察到激光频率在透射峰的正斜率斜边上扫描，将三角波扫描的幅度减小到0。

5.观测示波器10测得的鉴频信号，调节可调光纤衰减器8的衰减系数使鉴频信号的振荡幅度最小，将半导体激光器1的频率锁定在光纤光栅法布里-珀罗干涉仪透射峰的斜边上。

实施例2

请参阅图5，该实施例中所述的鉴频单元6为由光子晶体光纤气体吸收池64、偏振控制器65、起偏器66依次连接构成的，所采用的光子晶体光纤气体吸收池参见(Couny F,Benabid F,Light P S.Reduction of Fresnel Back-Reflection at Splice InterfaceBetween Hollow Core PCF and Single-Mode Fiber[J].IEEE Phtonics TechnologyLetters,2007,19(13):1020-1022)。具体操作步骤如下：

1.将半导体激光器控制器2的输出端与半导体激光器光源1的输入端相连，调整半导体激光器控制器的电流，使半导体激光器光源1的输出功率满足要求，并依次连接第一光纤耦合器3、光纤偏振分束器4、光纤隔离器5、光子晶体光纤气体吸收池64、偏振控制器65、起偏器66。

2.监测起偏器66后的光强，调整偏振控制器65的角度，使起偏器66后的光强最大，将起偏器66的输出端依次连接第二光纤耦合器7、可调光纤衰减器8、光电探测器9、示波器10。

3.打开光电探测器9及示波器10，观测所得到的鉴频信号，粗略调节半导体激光器控制器2的温度，使半导体激光器光源1的波长粗略调至所述的光子晶体光纤气体吸收池的吸收峰处。

4.调节半导体激光器控制器2的输出电流成三角波扫描，使半导体激光器光源1的频率在小范围内变化，调节半导体激光器控制器2的输出电流的直流偏置使光电探测器9接收到的信号在示波器10中波形呈现出完整的气体吸收谱。

5.调节半导体激光器控制器2的输出电流，减小三角波电流扫描的幅度同时改变直流偏置量，在示波器10上观察到激光频率在吸收峰的正斜率斜边上扫描，将三角波扫描的幅度减小到0。

6.观测示波器10测得的鉴频信号，调节可调光纤衰减器8的衰减系数使鉴频信号的振荡幅度最小，将半导体激光器1的频率锁定在气体吸收峰的斜边上。

虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全光纤化半导体激光器稳频装置，特征在于其结构包括第一光纤耦合器(3)、光纤偏振分束器(4)、光纤隔离器(5)、鉴频单元(6)、第二光纤耦合器(7)、可调光纤衰减器(8)、光电探测器(9)、示波器(10)，上述元部件通过保偏连接光纤连接如下：

所述的第一光纤耦合器(3)具有一个输入端和两个输出端，第一输出端用于稳频激光的输出，第二输出端用于非相干光反馈稳频，该光纤耦合器(3)的第二输出端连接所述的光纤偏振分束器(4)的①端口，该光纤偏振分束器(4)的②端口经所述的光纤隔离器(5)、鉴频单元(6)连接第二光纤耦合器(7)的输入端，该第二光纤耦合器(7)的一个输出端连接所述的光电探测器(9)的输入端，该光电探测器(9)的输出端接示波器(10)的输入端，第二光纤耦合器(7)的另一个输出端经所述的可调光纤衰减器(8)接所述的光纤偏振分束器(4)的③端口。

2.根据权利要求1所述的全光纤化半导体激光器稳频装置，其特征在于所述的光纤偏振分束器(4)的输入端①端口的激光的偏振方向与所述的保偏光纤的慢轴平行，由该光纤偏振分束器(4)的②端口输出，经过所述的光纤隔离器(5)、鉴频单元(6)连接第二光纤耦合器(7)后得到带有鉴频信息的激光并进入到所述的光纤偏振分束器(4)的③端口，且激光的偏振方向与所述的保偏光纤慢轴平行，经过该光纤偏振分束器(4)①端口输出偏振方向与所述的保偏光纤慢轴方向垂直的激光。

3.根据权利要求1或2所述的全光纤化半导体激光器稳频装置，其特征在于所述的鉴频单元(6)由第一保偏光纤光栅(61)、保偏光纤(62)和第二保偏光纤光栅(63)依次连接构成，或由光子晶体光纤气体吸收池(64)、偏振控制器(65)、起偏器(66)依次连接构成。