CN111628408A - 一种半导体激光器的稳频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种稳定半导体激光器频率的方法。本方案主要利用受激布里渊散射的泵浦光频率与布里渊频移量的对应关系构建鉴频曲线从而进行激光器的主动稳频与频率调谐。稳频方案由半导体激光器、环形器、耦合器、掺铒光纤放大器、光电探测器、伺服控制器构成。泵浦光经过掺铒光纤放大器进行功率放大，然后通过环形器输出，通过耦合器上下两路经过两段光纤进行受激布里渊散射，两路后向散射光合束后通过环形器到达光电探测器拍频能够产生一个低频的电信号，根据所获取的电信号与泵浦光对应的关系来获得泵浦光频率，利用伺服控制器反馈控制激光器从而达到稳频控频的目的。本方案基于受激布里渊散射的特性，能够将泵浦光频率线性映射到低频电信号上，系统简单，成本低廉，在稳频控频方面具有较好的应用价值。

Description

一种半导体激光器的稳频系统
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及为一种半导体激光器的稳频系统。
背景技术
激光器是光学系统中不可或缺的基本元器件，半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、价格低廉、易于调制等优点，在光纤通信系统中得到广泛的应用。随着光通信的不断发展，对半导体激光器的频率稳定性要求越来越高，但是半导体激光器自由运转时其输出很不稳定，输出频率会随时间有较大的波动，频率稳定性差，因此采用主动稳频的方式对半导体激光器的频率进行稳定具有很重要的意义。
通常，激光器的主动稳频技术有兰姆凹陷法，原子分子饱和吸收谱稳频法，基于光学谐振腔共振PDH(Pound-Drever-Hall)稳频法等。兰姆凹陷稳频法是利用非均匀加宽线性增益曲线的烧孔效应，以增益曲线的中心频率作为参考频率，但是其有一个范围，不能将激光器频率稳定在一个点上，同时易受到放电条件影响，并且复现性较差。饱和吸收谱稳频法由于原子分子的跃迁谱线一般是固定的，所以只能针对某些特定波长的激光才能够进行稳频，应用受限。PDH法需要额外的参考信号，同时需要调制器，混频器等器件，且对于不同频率的信号，需要调整谐振腔，结构复杂，成本高。目前，需要发展一种能够满足任意频率稳定的方案，同时降低整个系统的复杂度。为了解决以上问题，本发明利用受激布里渊频移与泵浦光频率的线性关系，通过使得泵浦光在两种传输介质中发生受激布里渊散射，后向散射所产生两路频率不同的斯托克斯光进行拍频，利用拍频得到的电信号与泵浦光的频率的对应关系作为鉴频曲线进行稳频，具有可对任意频率进行稳定的优势，并且结构简单，成本低，便于集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够对激光器输出的激光频率进行稳定控制的系统和方法，所述系统包括：半导体激光器(1)，掺铒光纤放大器(2)，光纤环形器(3)，光纤耦合器(4)，散射介质光纤(5)，散射介质光纤(6)，光电探测器(7)，伺服控制器(8)。激光器发出的泵浦光经过掺铒光纤放大器进行功率放大以便达到受激布里渊散射的所需的功率阈值，放大后的泵浦光经过环形器到达耦合器分为上下两路，上下两路分别连接两路光纤作为受激布里渊散射的散射介质。两路光纤的非线性特性存在微小差异，泵浦光在两路光纤中发生受激布里渊散射产生频率不同的两路斯托克斯散射光，两路散射光通过耦合器合成一路，经过光纤环形器出射到达光电探测器进行拍频，伺服控制器采集探测器的拍频信号，获得电信号的频率信息，计算机根据鉴频曲线计算出所对应的激光器频率，当泵浦光的频率发生漂移时，拍频信号的频率也发生改变从而偏离参考信号，伺服控制器得到一个误差参考信号，通过反馈控制激光器使得到的电信号锁定在鉴频曲线所对应的频点上，完成激光器的稳频。
一种半导体激光器的稳频系统，具体的实施过程主要包括以下几个步骤：
一、首先激光器发出的泵浦光经过掺铒光纤放大器进行功率放大从而达到发生受激布里渊散射的功率阈值，放大后的激光通过环形器到达耦合器分为上下两路，上下两路连接两路光纤作为散射介质，泵浦光入射到两路光纤中发生受激布里渊散射；
二、泵浦光在在散射介质中产生受激布里渊散射，所述的两个散射介质的非线性系数存在微小差异，受激布里渊效应产生散射光的频率也存在微小差异，两路散射光经过耦合器合成一路到达光电探测器进行拍频，得到两路散射光频率差频的低频信号，这一信号输入到伺服控制器中进行检测；
三、所述受激布里渊散射过程是一个与泵浦激光频率有关的过程，改变泵浦光的频率，所得到的拍频信号的频率也随之改变，记录泵浦光的频率与拍频信号的频率，可以得到一组与泵浦激光频率相对应的低频频率关系，这一关系曲线可以用于激光频率鉴频；
四、根据此鉴频曲线就可以知道激光的频率，当散射介质确定时，此鉴频曲线也是固定的。根据鉴频曲线可以控制激光频率，当激光器的频率发生偏移时，拍频信号的频率偏离原参考频点，伺服控制器获知这一变化并通过反馈控制激光器的电流等参数对其频率进行相应的调整，使拍频信号的频率重新恢复到参考点，从而达到稳频的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明不需要使用额外的信号源进行稳频，也不需要使用频谱仪等较为昂贵的器件，具有结构简单、成本低廉的优点；
(2)本发明通过光电反馈的方式能够将激光器稳定在任意频率，不受特定波长的限制；
(3)本发明利用泵浦光与所得电信号的线性映射关系，能够作为波长计，同时通过改变设定点，能够随时调控激光器的频率并进行稳定。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明实例中得到的鉴频曲线。
其中附图1标记：1-半导体激光器、2-掺铒光纤放大器、3-光纤环形器、4-光纤耦合器、5-散射介质光纤、6-散射介质光纤、7-光电探测器、8-伺服控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明。
本发明一种半导体激光器的稳频系统如图1所示，半导体激光器(1)发出的激光经过掺铒光纤放大器(2)进行放大从而使其达到受激布里渊散射的功率阈值。放大后的光波通过环形器的一端口(3a)进入到环形器(3)中，由环形器的二端口(3b)出射到达耦合器(4)分为上下两支路(4a)和(4b)，耦合器(4)的上下两路(4a)和(4b)分别连接光纤(5)和光纤(6)作为散射介质，泵浦光入射到两路光纤中发生受激布里渊散射，产生两路频率不同的后向斯托克斯散射光，两路散射光再次通过耦合器(4)进行合束，由环形器二端口(3b)输入到环形器，再由三端口(3c)出射到达光电探测器(7)进行拍频，光电探测器(7)与伺服控制器(8)相连接，拍频信号输入到伺服控制器中进行监测，当激光器的频率发生漂移时，拍频信号的频率也随之发生改变，伺服控制器对比所得到的拍频信号频率和参考频率，获得一个误差参考信号，从而利用其对激光器的频率进行反馈控制，达到稳定激光器频率的目的。
为了进一步了解本发明方案，对本发明的原理进行阐述：
光在光纤中传播时，当功率到达一定的阈值能够产生受激布里渊散射，布里渊频移量为：
Figure BDA0002497948390000031
其中E,k,ρ是有关声速的参数，只与光纤有关，在温度和应变不变的情况下，布里渊频移量与波长成反比，与频率成正比。
激光器发出频率为f0的激光，经过掺铒光纤放大器进行功率放大，经过环形器出射后被耦合器分为功率相等的两束光，上下两臂连接两路光纤，泵浦光进入到光纤中发生受激布里渊散射，产生的斯托克斯光频率分别为：
f1＝f0-vB1＝f0-k1f0
f2＝f0-vB2＝f0-k2f0
其中f1、f2分别为泵浦光在上下两臂发生受激布里渊散射产生的斯托克斯光频率，f0为泵浦光的频率，k1、k2为不同光纤对应的频移系数。
两臂分别产生了后向散射的斯托克斯光，其反向传输经过耦合器合束再返回环形器。从环形器出射后经过光电探测器进行拍频，产生频率为k1-k2f0即k0f0的电信号，所产生的电信号与泵浦光频率呈正比，从而将高频的光信号映射到低频的电信号。
通过改变泵浦光的频率f0得到所对应的电信号，得到一条直线作为鉴频曲线从而获得参数k0，泵浦光频率与所得到的电信号一一对应，呈线性关系，此鉴频曲线与激光器无关，系统确定所得到的鉴频曲线即确定，k0确定后可以直接根据此关系进行误差信号的判定。激光器的频率与所得电信号的频率成线性关系，因此能够计算出待锁定的频率所对应的参考电信号频率，当激光器频率漂移时，探测器探测得到的电信号会偏移参考电信号，从而得到一个误差信号，伺服控制器通过调节激光器的泵浦电流改变激光器频率，直到误差信号消失，所探测的电信号频率回归到参考电信号，激光器的频率稳定到所需要的频率上。
实施例
采用了两段不同厂家的单模光纤作为系统中的两路受激布里渊散射介质，发生受激布里渊散射时两路散射光的频率存在微小差异，就能将高频的光信号映射到低频上。实验中设置泵浦激光工作波长为1560nm时两个受激布里渊散射光进行光电转换拍频频率约为184MHz左右，采用可调谐激光器波长扫描测试得到不同波长的泵浦光下所对应的拍频信号频率，如图2所示。图2所示曲线即为当前系统的鉴频曲线，通过此方法将激光的频率映射到了低频，从而可输入到伺服控制器中对需要稳频的激光器进行稳频。

Claims (3)

1.一种半导体激光器的稳频系统，系统包括：半导体激光器(1)、掺铒光纤放大器(2)、光纤环形器(3)、光纤耦合器(4)、散射介质光纤(5)、散射介质光纤(6)、光电探测器(7)、伺服控制器(8)。
所述的半导体激光器(1)与掺铒光纤放大器(2)相连接，激光器发出的泵浦光经过掺铒光纤放大器放大后进入到光纤环形器(3)的一端口(3a)，随后通过光纤环形器(3)的二端口(3b)到达光纤耦合器(4)分为上下两路，光纤耦合器(4)上下两路(4a)、(4b)分别与散射介质光纤(5)和散射介质光纤(6)相连接，光波进入到两路散射介质中发生受激布里渊散射产生两路后向散射的斯托克斯光，两路散射光经耦合器(4)合路后再由光纤环形器二端口(3b)进入到环形器，由光纤环形器三端口(3c)出射到达光电探测器(7)进行拍频，光电探测器(7)与伺服控制器(8)连接，拍频信号的频率与激光器的激光频率相关，伺服控制器对比所得到的拍频信号频率和参考频率，获得一个误差参考信号，从而利用其对激光器的频率进行反馈控制，达到稳定激光器频率的目的。
2.一种半导体激光器的稳频系统，包括如下操作过程和工作特性：
(1)首先激光器发出的泵浦光经过掺铒光纤放大器进行功率放大从而达到发生受激布里渊散射的功率阈值，放大后的激光通过环形器到达耦合器分为上下两路，上下两路连接两路光纤作为散射介质，泵浦光入射到两路光纤中发生受激布里渊散射；
(2)泵浦光在在散射介质中产生受激布里渊散射，所述的两个散射介质的非线性系数存在微小差异，受激布里渊效应产生散射光的频率也存在微小差异。两路散射光经过耦合器合成一路到达光电探测器进行拍频，得到两路散射光频率差频的低频信号。这一信号输入到伺服控制器中进行检测；
(3)所述受激布里渊散射过程是一个与泵浦激光频率有关的过程。改变泵浦光的频率，所得到的拍频信号的频率也随之改变，记录泵浦光的频率与拍频信号的频率，可以得到一组与泵浦激光频率相对应的低频频率关系，这一关系曲线可以用于激光频率鉴频；
(4)根据此鉴频曲线就可以知道激光的频率，当散射介质确定时，此鉴频曲线也是固定的。根据鉴频曲线可以控制激光频率，当激光器的频率发生偏移时，拍频信号的频率偏离原参考频点，伺服控制器获知这一变化并通过反馈控制激光器的电流等参数对其频率进行相应的调整，使拍频信号的频率重新恢复到参考点，从而达到稳频的目的。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的稳频系统，其特征在于所述的伺服控制器由数据采集卡和单片计算机组成，所述数据采集卡实时采集光电探测器探测到的电信号频率并传递给单片机，所述单片机通过比例积分微分控制方法对激光器的频率进行控制。
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