CN105186282B - 高稳频可调谐窄线宽激光器及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种高稳频可调谐窄线宽激光器，包括：依序连接的温控电路、窄线宽激光器、驱动电路，一第一光纤耦合器与窄线宽激光器的输出端连接；一可调谐微波源模块；一移频器与第一光纤耦合器连接；一第二光纤耦合器与移频器的光输出端连接；一标准具与第二光纤耦合器连接；第一、第二功率探测模块分别与第二光纤耦合器及标准具连接；第一、第二放大电路分别与第一、第二功率探测模块的输出端连接；第一、第二模数转换电路分别与第一、第二模数转换电路连接；一单片机与第一、第二模数转换电路的输出端、驱动电路连接。本发明可提高窄线宽激光器的频率稳定度，降低线宽，并实现波长连续可调谐的功能。

Description

高稳频可调谐窄线宽激光器及使用方法

技术领域

本发明涉及窄线宽激光器领域，尤其涉及高稳频并且波长可调谐的窄线宽激光器，该激光器可应用于雷达与电子对抗、相干光通信、精密干涉测量等领域。

背景技术

稳频窄线宽激光器在雷达与电子对抗、相干光通信、精密干涉测量、光学频率标准、激光陀螺等研究领域中有着广泛的应用。根据Schawlow-Tones的激光线宽理论，自发辐射引起的激光线宽极限很小，但是由于存在热扰动、电子学噪声以及机械振动等不稳定因素，实际应用中激光器的线宽远远大于理论线宽极限。如果不加调节控制，自由运转的激光器一天的频率漂移量可以达到GHz量级。另外，在实际应用中，常常要求激光器的波长可以调谐，例如相干光通信系统中，接受端采用可调谐激光器，确保本振光与信源光频率匹配；在密集波分复用(DWDM)系统中，用波长可调谐激光器代替传统固定波长激光器阵列，能有效降低系统成本与复杂度。因此，研究激光器的线宽压窄、稳频控制和波长可调谐性具有十分重要的意义。

由于半导体激光器对的输出光频率对其注入电流和工作温度的变化极其敏感，因此通过电路设计实现驱动电流和温度的反馈控制，稳定电流和温度，可以有效减小激光器的输出光线宽以及频率不稳定度。这种方法属于被动稳频、线宽压窄技术。然而，由于驱动电流和温度的控制都存在精度问题，使得单纯用被动技术压窄线宽、提高频率稳定度的能力受到限制。

目前常用的稳频、线宽压窄技术是采用伺服控制系统的主动技术，其主要原理是用一个相对稳定的频率标准与激光器的输出光频率作对比，给出误差信号，通过伺服系统反馈到激光器内部进行调节控制，经过反复地调节将激光器的频率锁定到频率标准上。主要的方法有外腔调谐稳频法、锁定到f-p标准具和锁定到原子或分子线等。外腔调谐稳频法是利用一种Littrow结构，在外腔通过衍射光栅的光学反馈来获得窄线宽的单纵模，外腔式激光器比一般激光器线宽具有明显的改善，但是很难保证长期的稳定性，对于机械变化和温度波动比较敏感；将光频率锁定到f-p腔的方法主要是基于相位调制器的位相调制光外差稳频技术，该技术具有很高的灵敏度和信噪比，而且具有大的调节范围，稳频效果好，可是调节过程复杂繁琐，并且f-p腔本身容易受到外界环境变化比如温度变化、机械振动等的影响；将光频率锁定到原子或分子吸收谱线上，可以大大提高激光器的频率锁定灵敏度和长期稳定性，然而由于吸收谱线是孤立分立的，目前常用的方法比如饱和吸收法只是简单地将光频率锁定到吸收峰上，不具有波长连续可调谐性。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的目的在于，提供一种高稳频可调谐窄线宽激光器及使用方法，其可提高窄线宽激光器的频率稳定度，降低线宽，并实现波长连续可调谐的功能。

本发明提供一种高稳频可调谐窄线宽激光器，包括：

一窄线宽激光器；

一温控电路，该温控电路与窄线宽激光器的温控接口连接；

一驱动电路，该驱动电路与窄线宽激光器驱动接口连接；

一第一光纤耦合器，该第一光纤耦合器的输入端与窄线宽激光器的输出端连接，该第一光纤耦合器的输出端口1直接输出激光；

一可调谐微波源模块；

一移频器，该移频器的光输入端与第一光纤耦合器的输出端口2连接，微波输入端与可调谐微波源模块的输出端连接；

一第二光纤耦合器，该第二光纤耦合器的输入端与移频器的光输出端连接；

一标准具，该标准具的输入端与第二光纤耦合器的输出端口2连接；

第一、第二功率探测模块，该第一功率探测模块的输入端与第二光纤耦合器的输出端口1连接，该第二功率探测模块的输入端与标准具的输出端连接；

第一、第二放大电路，该第一放大电路的输入端与第一功率探测模块的输出端连接，该第二放大电路的输入端与第二功率探测模块的输出端连接；

第一、第二模数转换电路，该第一模数转换电路的输入端与第一放大电路的输出端连接，该第二模数转换电路的输入端与第二放大电路的输出端连接；

一单片机，部分IO口分别与第一、第二模数转换电路的输出端、驱动电路的数字输入端连接。

本发明还提供一种高稳频可调谐窄线宽激光器的使用方法，其是根据前述的高稳频可调谐窄线宽激光器，实现过程包括如下步骤：

步骤1：设定驱动电路和温控电路到需用的驱动电流和温度，使窄线宽激光器输出需要的功率大小，波长在标准具的吸收峰附近；

步骤2：窄线宽激光器输出的光，通过第一光纤耦合器分出部分用于波长探测，作为反馈光，剩余的光作为输出；反馈光先经过移频器进行移频，再通过第二光纤耦合器等分成两路；

步骤3：该两路反馈光，一路经过标准具之后通过第二功率探测模块，将光功率转换为电压值，作为测量电平；另一路直接通过第一功率探测模块，将光功率转换为电压值，作为参考电平；

步骤4：将参考电平经过第一放大电路放大后，由第一模数转换电路转换为数字信号，输入单片机；将测量电平经过第二放大电路放大后，由第二模数转换电路转换为数字信号，输入单片机；

步骤5：单片机每隔一段时间检测接受到的两个电平的数字信号，然后执行如下算法：首先将参考电平数值除以测试电平数值，得到的商即为功率衰减值；对窄线宽激光器电流作一个微小的减小，再测试衰减值，如果电流减小后的衰减值比原来大，说明此时移频后的反馈光频率小于吸收峰频率，则控制减小窄线宽激光器电流；如果电流减小后的衰减值比原来小，说明此时移频后的反馈光频率大于吸收峰频率，则控制增大窄线宽激光器电流；如果电流减小后的衰减值没有明显变化，说明此时移频后的反馈光频率已经锁定在吸收峰上，不需要对窄线宽激光器电流作出调节；单片机周期性地执行以上过程，到最后功率衰减值保持在一个极值附近，此时经过移频后的反馈光频率等于标准具的一个吸收峰频率，完成光频率的锁定；

步骤6：频率锁定后窄线宽激光器的输出波长等于标准具吸收峰频率减去移频值，通过改变可调谐微波源的输出频率或调节移频器改变移频值，实现输出光频率的调谐。

本发明相比于现有的半导体激光器稳频技术，具有以下优点与积极效果：

被动稳频和主动稳频技术的结合。温控电路和驱动电路为激光器提供一个稳定的工作环境，减小输出光频率的抖动；基于标准具的反馈控制进一步削弱频率抖动，实现输出光频率高稳定。

将稳频与可调谐结合，既确保窄线宽激光器输出频率的高稳定度，又能对频率进行调谐。

将光频率转换为数字信号，利用算法控制对频率进行调节，相比于传统的模拟调节更精细准确，操作更灵活。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明作详细说明如后，其中：

图1是本发明高稳频可调谐窄线宽激光器结构框图；

图2是本发明所用标准具吸收峰附近输出光功率随光频率的变化原理图；

图3是本发明的使用方法流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种高稳频可调谐窄线宽激光器，包括：

一窄线宽激光器2，该激光器内部包含制冷器、热敏电阻，并对外留有相应接口，该激光器包含驱动接口，用于接受外部驱动电路提供的电流。所述的制冷器用于给激光器芯片降温或升温，所述的热敏电阻用于实时探测激光器的工作温度。

一温控电路1，该温控电路1与窄线宽激光器2的温控接口连接，所述的温控接口连接窄线宽激光器2内部的制冷器和热敏电阻。该温控电路1探测窄线宽激光器2内部的热敏电阻阻值并控制窄线宽激光器2内部的制冷器工作，使激光器的工作温度保持稳定，该温控电路包含数模转换器，根据数模转换器接受到的数字信号调节温度值。

一驱动电路3，该驱动电路3与窄线宽激光器2驱动接口连接，所述的驱动电路3为激光器提供偏置电流，该驱动电路3中包含数模转换器，根据数模转换器接受到的数字信号调节输出电流。

一第一光纤耦合器4，该第一光纤耦合器4的输入端与窄线宽激光器2的输出端连接，该第一光纤耦合器4的输出端口1直接输出激光；所述的光纤耦合器4包含两个光输出端口，输出光功率成一定的比例。

一可调谐微波源模块6，该可调谐微波源模块6输出的微波信号频率可以连续调谐，并且功率大小可调。

一移频器5，该移频器5的光输入端与第一光纤耦合器4的输出端口2连接，微波输入端与可调谐微波源模块6的输出端连接，该移频器5用于将光频率移动一定的值，频率移动大小等于可调谐微波源模块6的输出微波频率，调节移频器可以实现往高频移动或往低频移动。

一第二光纤耦合器7，该第二光纤耦合器7的输入端与移频器5的光输出端连接，该光纤耦合器7包含2个光输出端口，输出光功率大小关系为1∶1。

一标准具8，该标准具8的输入端与第二光纤耦合器7的输出端口2连接，该标准具8是气体吸收池或原子吸收单元，该标准具8在光谱上有一个或多个特定频率的吸收峰，在吸收峰处，对光功率的吸收达到一个极大值。

第一、第二功率探测模块9、10，该第一功率探测模块9的输入端与第二光纤耦合器7的输出端口1连接，第二功率探测模块10的输入端与标准具8的输出端连接，该第一、第二功率探测模块9、10由光电探测器PD和互阻放大器TIA串接组成，该光电探测器PD将接受到的光转换为光电流，该互阻放大器TIA将光电流转换为电平值。

第一、第二放大电路11、12，该第一放大电路11的输入端与第一功率探测模块9的输出端连接；该第二放大电路12的输入端与第二功率探测模块10的输出端连接，该第一、第二放大电路11、12将电平信号放大一定的倍数。

第一、第二模数转换电路13、14，该第一模数转换电路13的输入端与第一放大电路11的输出端连接；该第二模数转换电路14的输入端与第二放大电路12的输出端连接，该第一、第二模数转换电路13、14将接受到的模拟电平信号转换为数字信号。

一单片机15，该单片机15部分IO口分别与第一、第二模数转换电路13、14的输出端、驱动电路3的数字输入端连接；该单片机15接受第一、第二模数转换电路13、14输出的数字信号，向驱动电路3输出用于控制驱动电流的数字信号。

请参阅图3、图2并结合参阅图1，本发明提供一种高稳频可调谐窄线宽激光器的使用方法，实现过程包括如下步骤：

步骤1：通过设定驱动电路3和温控电路1到需用的驱动电流和温度，使窄线宽激光器2输出需要的功率大小，波长在标准具8的吸收峰附近，该标准具8是气体吸收池或原子吸收单元，该标准具8在光谱上有一个或多个特定频率的吸收峰，在吸收峰处，对光功率的吸收达到一个极大值，输出光功率达到极小值。在调节开始前，先完成对标准具的光谱测试，记录各个吸收峰的波长。启动激光器的时候，将温度稳定在25℃，逐渐增大电流，使激光器输出需要的功率大小，然后调节温度，对波长进行粗调，最后再通过小幅度调节电流，对波长进行微调，使波长尽量接近标准具8的一个吸收峰。

步骤2：窄线宽激光器2输出的光，通过第一光纤耦合器4分出部分用于波长探测，作为反馈光，剩下的光作为输出光。反馈光先经过移频器5进行移频，再通过第二光纤耦合器7等分成两路。

步骤3：该两路反馈光，一路经过标准具8之后通过第二功率探测模块10，将光功率转换为电压值，作为测量电平；另一路直接通过第一功率探测模块9，将光功率转换为电压值，作为参考电平。

步骤4：将参考电平经过第一放大电路11放大后，由第一模数转换电路13转换为数字信号，输入单片机15；将测量电平经过第二放大电路12放大后，由第二模数转换电路14转换为数字信号，输入单片机15。

步骤5：单片机15每隔一段时间检测接受到的两个电平的数字信号，然后执行如下算法：首先将参考电平数值除以测试电平数值，得到的商即为功率衰减；对窄线宽激光器2电流作一个微小的减小Δi1，再测试衰减值，如果电流减小后的衰减值比原来大，说明此时移频后的反馈光频率小于吸收峰频率，如附图2中f1所在位置，则控制减小窄线宽激光器2电流Δi2；如果电流减小后的衰减值比原来小，说明此时移频后的反馈光频率大于吸收峰频率，如附图2中f3所在位置，则控制增大窄线宽激光器2电流Δi2；如果电流减小后的衰减值没有明显变化，说明此时移频后的反馈光频率已经锁定在吸收峰上，如附图2中f2所在位置，不需要对窄线宽激光器2电流作出调节。单片机15周期性地执行以上过程，到最后功率衰减值保持在一个极值附近，此时经过移频后的反馈光频率等于标准具8的一个吸收峰频率，完成光频率的锁定。激光器输出光波长随着电流的增大而增大，对应的频率就减小，即激光器的频率随电流的减小而增大。在上述过程中，减小电流Δi1用于鉴定输出功率与频率对应关系曲线的导数值的正负，增大或减小电流Δi2是对激光器波长的精细调节，Δi1的值远小于Δi2，Δi2的值远小于激光器的偏置电流。

步骤6：频率锁定后窄线宽激光器2的输出波长等于标准具8吸收峰频率减去移频值，移频值的大小等于可调谐微波源6输出的微波信号的频率，频率移动的方向为往低频方向或者高频方向，通过连续改变可调谐微波源6的输出频率或调节移频器5改变移频大小或方向，实现输出光频率的连续调谐。

本发明提出了一种利用标准具的功率吸收特性，通过功率探测与对比，将光频率转换为数字信号，进而基于数字算法控制，在电域实现稳频调节的方法。该激光器具有结构紧凑，性能稳定，不需要复杂的调节，对不同波长激光器具有通用性。激光器装置内含一个移频器，可以通过外加微波信号对激光器的波长进行调谐，使得输出波长能够适应不同的应用需求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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 (6)

1.一种高稳频可调谐窄线宽激光器，包括：

一窄线宽激光器；

一温控电路，该温控电路与窄线宽激光器的温控接口连接；

一驱动电路，该驱动电路与窄线宽激光器驱动接口连接；

一第一光纤耦合器，该第一光纤耦合器的输入端与窄线宽激光器的输出端连接，该第一光纤耦合器的第一输出端口直接输出激光；

一可调谐微波源模块；

一移频器，该移频器的光输入端与第一光纤耦合器的第二输出端口连接，微波输入端与可调谐微波源模块的输出端连接；

一第二光纤耦合器，该第二光纤耦合器的输入端与移频器的光输出端连接；

一标准具，该标准具的输入端与第二光纤耦合器的第二输出端口连接；

第一、第二功率探测模块，该第一功率探测模块的输入端与第二光纤耦合器的第一输出端口连接，该第二功率探测模块的输入端与标准具的输出端连接；

第一、第二放大电路，该第一放大电路的输入端与第一功率探测模块的输出端连接，该第二放大电路的输入端与第二功率探测模块的输出端连接；

第一、第二模数转换电路，该第一模数转换电路的输入端与第一放大电路的输出端连接，该第二模数转换电路的输入端与第二放大电路的输出端连接；

一单片机，部分输入/输出口分别与第一、第二模数转换电路的输出端、驱动电路的数字输入端连接。

2.根据权利要求1所述的高稳频可调谐窄线宽激光器，其中所用的温控电路探测窄线宽激光器内部的热敏电阻阻值并控制窄线宽激光器内部的制冷器工作，使激光器的工作温度保持稳定，该温控电路包含数模转换器，根据数模转换器接受到的数字信号调节温度值。

3.根据权利要求1所述的高稳频可调谐窄线宽激光器，其中所用的驱动电路为激光器提供偏置电流，该驱动电路中包含数模转换器，根据数模转换器接受到的数字信号调节输出电流。

4.根据权利要求1所述的高稳频可调谐窄线宽激光器，其中所用的标准具是气体吸收池或原子吸收单元，该标准具在光谱上有一个或多个特定频率的吸收峰，在吸收峰处，对光功率的吸收达到一个极大值。

5.根据权利要求1所述的高稳频可调谐窄线宽激光器，其中所用的第一、第二功率探测模块由光电探测器和互阻放大器串接组成。

6.一种高稳频可调谐窄线宽激光器的使用方法，其是根据权利要求1所述的高稳频可调谐窄线宽激光器，实现过程包括如下步骤：

步骤1：设定驱动电路和温控电路到需用的驱动电流和温度，使窄线宽激光器输出需要的功率大小，波长在标准具的吸收峰附近；

步骤2：窄线宽激光器输出的光，通过第一光纤耦合器分出部分用于波长探测，作为反馈光，剩余的光作为输出；反馈光先经过移频器进行移频，再通过第二光纤耦合器等分成两路；

步骤3：该两路反馈光，一路经过标准具之后通过第二功率探测模块，将光功率转换为电压值，作为测量电平；另一路直接通过第一功率探测模块，将光功率转换为电压值，作为参考电平；

步骤4：将参考电平经过第一放大电路放大后，由第一模数转换电路转换为数字信号，输入单片机；将测量电平经过第二放大电路放大后，由第二模数转换电路转换为数字信号，输入单片机；

步骤5：单片机每隔一段时间检测接受到的两个电平的数字信号，然后执行如下算法：首先将参考电平数值除以测试电平数值，得到的商即为功率衰减值；对窄线宽激光器电流作一个微小的减小，再测试衰减值，如果电流减小后的衰减值比原来大，说明此时移频后的反馈光频率小于吸收峰频率，则控制减小窄线宽激光器电流；如果电流减小后的衰减值比原来小，说明此时移频后的反馈光频率大于吸收峰频率，则控制增大窄线宽激光器电流；如果电流减小后的衰减值没有明显变化，说明此时移频后的反馈光频率已经锁定在吸收峰上，不需要对窄线宽激光器电流作出调节；单片机周期性地执行以上过程，到最后功率衰减值保持在一个极值附近，此时经过移频后的反馈光频率等于标准具的一个吸收峰频率，完成光频率的锁定；

步骤6：频率锁定后窄线宽激光器的输出波长等于标准具吸收峰频率减去移频值，通过改变可调谐微波源的输出频率或调节移频器改变移频值，实现输出光频率的调谐。