CN212626515U - 一种用于dfb激光器饱和吸收稳频的锁定系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，包括精密控温模块和锁定环路；其中：精密控温模块包括依次相连接的热敏电阻、线性测温电桥、差分放大电路、比例积分微分补偿网络、脉宽调制控制器、半导体制冷器驱动电路和半导体制冷器；锁定环路包括电流源、DFB激光器、饱和吸收光路、光电探测器、带通滤波放大器、相敏解调模块、移相模块、三角波发生模块、方波和正弦波发生模块、比例积分电路和加法器。锁定系统科学合理，结构简单、使用方便、体积小、成本低，精密控温模块控温稳定度高；锁定环路灵活性强、模块化清晰、性能优良，操作简单。

Description

一种用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器稳频技术领域，具体涉及一种用于分布式反馈(Distributed Feedback Laser，DFB)激光器饱和吸收稳频的锁定系统。

背景技术

DFB激光器是一种半导体激光器，其正常工作产生激光需要同时满足激励源、粒子束翻转、谐振腔这三个条件。通过外部激励的作用，把适当电压加在半导体晶体的PN结两端，可导致载流子形成反转分布状态，价电子中包含空穴、在导带中包含电子。当导带的电子发生跃迁时，即电子跃迁至较低的价带，产生空穴与电子复合，同时产生光子，结合谐振腔的反馈加强作用从而产生了激光。在理想情况下，理论上来说，激光的波长是恒定的，但由于在这一系列过程中，存在各类环境和器件因素的干扰，激光器输出激光波长通常在一定范围内随机波动，难以保持稳定。即现有的自由运转状态的半导体激光器由于温度等环境因素影响和自身器件和电路、光路的一些噪声干扰，存在着一定的频率抖动，这将限制半导体激光器在对频率稳定度要求较高的精密测量，原子频标，光通信等领域的应用，因此，必须采取措施进一步提高激光器频率稳定度。

根据半导体激光器调谐特性，激光器输出激光波长由温度和驱动电流决定。因此在保证机激光器温度基本稳定的情况下，可以通过改变电流实现激光器频率的定量改变，此时再加以一个具有更高稳定度的锁定频率基准就可以实现半导体激光器稳频。针对温度控制问题，DFB激光器相较于外腔半导体激光器有更高的温调率，这意味着DFB激光器对温度变化更敏感，对控温模块的控温稳定度要求更高。现有半导体激光器控温技术常采用MAX1978专用集成芯片，但是控制精度较低，尚不能满足要求。针对频率基准问题，原子能级系统由原子本身的性质决定，受外界环境因素影响较小，若将稳定度更高的原子跃迁频率作为基准对激光频率校正，那么频率稳定度将得到明显提高。饱和吸收稳频是一种有效的激光器稳频技术，其本质是借助滤除多普勒本底的饱和吸收谱峰为基准，结合小调制微扰和相敏解调原理实现对激光器频率校正，进而提高激光器输出频率的稳定度。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，以解决现有技术存在的由于环境噪声、温度变化、器件噪声等引起的激光器频率不稳定的问题，将激光器的频率稳定度控制在一定范围内。系统的结构简单、成本较低、控温精度高，锁定效果优良。

本实用新型的实现原理是：基于DFB激光器的电流调谐特性，通过精密温控模块维持DFB激光器温度稳定，避免因为温度发生波长偏移；再通过锁定环路把激光频率锁定在饱和吸收谱峰上，从而使得激光波长保持长时间的更高稳定度。本技术方案基于线性测温电桥、遗传算法、MAX1978芯片设计精密控温系统，控温稳定度达到0.2mK，相比于现有常见的半导体激光器控温系统，控温稳定度提高了1至2个数量级，体积小，操作简单。此为，还设计了DFB饱和吸收稳频的锁定环路，结构简单，易调节，灵活性强，锁定效果优良。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，包括DFB激光器、精密控温模块和锁定环路；其中：

精密控温模块包括热敏电阻、线性测温电桥、差分放大电路、比例积分微分补偿网络、脉宽调制控制器、半导体制冷器驱动电路、半导体制冷器；锁定环路包括电流源、DFB激光器、饱和吸收光路、光电探测器、带通滤波放大器、三个开关、比例积分电路、相敏解调模块、移相模块、三角波发生模块、方波和正弦波发生模块、加法器。

本实用新型的锁定系统提供了用于DFB激光器饱和吸收稳频的精密控温模块，其中，热敏电阻与线性测温电桥相连，所述线性测温电桥与差分放大电路相连、所述差分放大电路与比例积分微分补偿网络、所述比例积分微分补偿网络与脉宽调制控制器相连、所述脉宽调制控制器与半导体制冷器驱动电路相连、所述半导体制冷器驱动电路与半导体制冷器相连。其中，热敏电阻和半导体制冷器是DFB激光器自带的；差分放大电路、脉宽调制控制器和半导体制冷器驱动电路是MAX1978芯片中的组成模块。

本实用新型的精密控温模块用于实现激光器温度稳定。所述热敏电阻作为温度传感器，阻值大小实时反映激光器当前温度。线性测温电桥用于检测当前激光器温度和预设目标温度，不同于传统的纯电阻H桥，此线性测温电桥用于测当前温度的一侧用恒流源取代，这样可以保证电桥输出电压变化与热敏电阻阻值变化呈正比，便于测量。差分放大电路将当前温度和目标温度的差值进行放大得到误差信号。此误差信号经比例积分微分补偿网络转化为脉宽调制控制器的控制信号，为更快更好的获得PID参数，首先需要构建DFB激光器控温模块的S域模型，然后基于遗传算法找到最优的PID参数；相比传统基于经验的PID参数整定方法，上述做法受调试人员主观经验影响小，易于找到最优PID参数，缩短调试时间，整定效果好。脉宽调制控制器和半导体制冷器驱动电路用于实现半导体制冷器的脉宽调制驱动。半导体制冷器用于实现激光器的加热和制冷，起到温度补偿作用。

本实用新型的锁定系统提供了用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定环路，所述电流源与DFB激光器相连、所述DFB激光器与饱和吸收光路相连、所述饱和吸收光路与光电探测器相连、所述光电探测器与带通滤波放大器相连、所述带通滤波放大器与相敏解调模块相连、所述方波和正弦波发生模块的方波输出通道与相敏解调模块相连、所述相敏解调模块与比例积分电路相连、所述比例积分电路与第一开关相连、所述第一开关与加法器相连、所述方波和正弦波发生模块的正弦波输出通道与移相模块相连、所述移相模块与第二开关相连、所述第二开关与加法器相连、所述三角波发生模块与第三开关相连、所述第三开关与加法器相连、所述加法器与电流源相连，形成锁定环路。其中，三角波发生模块由芯片XR2206实现，方波和正弦波发生模块由芯片ICL8038实现，相敏解调模块由芯片AD630实现。

本实用新型的锁定环路用于实现激光器频率锁定在饱和吸收谱峰上。电流源用于控制DFB激光器的波长，对波长进行电路调谐。DFB激光器的激光进入到饱和吸收光路，产生饱和吸收谱，再通过光电探测器将光信号转变为电信号。电信号通过带通滤波放大器，完成信号的带通滤波和放大，得到正弦调制响应信号作为相敏解调的输入。方波和正弦波发生模块产生两路同频同相的信号，一路方波和一路正弦波。通过将方波和带通滤波放大器后信号一起输入到相敏解调模块，得到包含激光器频率偏移信息的误差信号。再将此误差信号经比例积分电路转化为激光器电流的控制信号。方波和正弦波发生模块的另一路与方波同频同相的正弦波用于引入对激光频率的小调制。从调制信号作用于电流源至光电探测器检测得到调制响应信号这一过程中，由于激光与饱和吸收体相互作用，电路延迟等因素会带来相位偏移，移相模块就是用于实现对光路和电路的相位延迟的补偿，保证方波和带通滤波放大后的信号的相位相同或者相反，以实现更高的鉴频灵敏度。三角波发生器用于产生扫描信号，扫描信号用于对激光器实现频率扫描，得到饱和吸收谱线。将比例积分电路、移相模块、三角波发生模块的输出经过开关输入到加法器中，完成加法运算，再将加法器的输出作用于电流源，实现对电流源的控制，通过调整电流源的电流完成对DFB激光器频率的锁定，保证激光器处于稳频状态。在锁定过程中，比例积分电路、移相模块、三角波发生模块的输出分阶段先后接入电流源，且最终在基本实现频率锁定后需要关闭三角波发生模块连接的开关。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出的一种用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统科学合理，结构简单、使用方便、体积小、成本低。较之现有DFB激光器饱和吸收稳频的控温及锁定系统，本实用新型精密控温模块的结构简单，控温稳定度高；锁定环路灵活性强、模块化清晰、性能优良，操作简单。基于本实用新型提出的锁定系统，其DFB激光器在锁定后可以保持频率长时间稳定，小范围频率抖动可通过锁定环路自动调节保持稳定，在发生大范围频率波动时，可通过打开三角波发生模块对应的开关重新调整至稳定。

附图说明

图1是本实用新型提供的锁定系统的精密控温模块和锁定环路的结构框图；

图中：1—热敏电阻；2—线性测温电桥；3—差分放大电路；4—比例积分微分补偿网络；5—半导体制冷器；6—半导体制冷器驱动电路；7—脉宽调制控制器；8—电流源；9—DFB激光器；10—饱和吸收光路；11—光电探测器；12—加法器；13—第一开关；14—比例积分电路；15—相敏解调模块；16—带通滤波放大器；17—第二开关；18—移相模块；19—方波和正弦波发生模块；20—第三开关，21—三角波发生模块。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。

请参阅图1，本实用新型提供的一种实施例：一种用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，包括精密控温模块和锁定环路。其中，精密控温模块包括热敏电阻1、线性测温电桥2、差分放大电路3、比例积分微分补偿4、半导体制冷器5、半导体制冷器驱动电路6、脉宽调制控制器7；锁定环路包括：电流源8；DFB激光器9；饱和吸收光路10；光电探测器11；加法器12；第一开关13；比例积分电路14；相敏解调模块15；带通滤波放大器16；第二开关17；移相模块18；方波和正弦波发生模块19；第三开关20；三角波发生模块21。

本实用新型中，热敏电阻与线性测温电桥相连、线性测温电桥与差分放大电路相连、差分放大电路与比例积分微分补偿网络相连、比例积分微分补偿网络与脉宽调制控制器相连、脉宽调制控制器相连与半导体制冷器驱动电路相连、半导体制冷器驱动电路与半导体制冷器相连、电流源与DFB激光器相连、DFB激光器与饱和吸收光路相连、饱和吸收光路与光电探测器相连、热敏电阻与DFB激光器贴近、半导体制冷器与DFB激光器贴近、电流源与DFB激光器相连、DFB激光器与饱和吸收光路相连、所述饱和吸收光路与光电探测器相连、光电探测器与带通滤波放大器相连、带通滤波放大器与相敏解调模块相连、方波和正弦波发生模块的方波输出通道与相敏解调模块相连、相敏解调模块与比例积分电路相连、比例积分电路与第一开关相连、第一开关与加法器相连、方波和正弦波发生模块的正弦波输出通道与移相模块相连、移相模块与第二开关相连、第二开关与加法器相连、三角波发生模块与第三开关相连、第三开关与加法器相连、加法器与电流源相连。

上述一种用于DFB激光器饱和吸收稳频的温控及锁定系统的组成结构中，DFB激光器用于产生并发送激光，同时可以接受电流源和精密温控模块的控制；精密控温模块用于实现激光器温度的稳定，避免因为温度因素导致激光器频率发生明显抖动现象。锁定环路通过控制DFB激光器的电流，基于饱和吸收现象、负反馈原理、相敏解调原理实现DFB激光器饱和吸收稳频。稳频系统的工作流程如下：

首先需要基于实际工作环境，构建DFB激光器控温的S域模型；模型中PID参数为待定参数，为获得最优控温效果，结合遗传算法寻找最优的PID参数，然后将最优的PID参数转换为比例积分微分补偿网络的电路参数，经过微调，实现最优的控温效果。在DFB激光器控温基本稳定之后，进行DFB激光器的激光频率锁定操作，具体可以分为以下几步：

第一步，光电探测器连接至示波器，打开第三开关使三角波作用于电流源，同时将此三角波作为示波器的触发信号，加大三角波扫描范围，此时示波器上可以观测到一整套饱和吸收谱线；

第二步，打开第二开关使正弦波小调制作用于电流源，调节正弦波幅度至合适的数值，此时可以示波器上可以观测到谱线一整套饱和吸收谱线以及相应的误差信号曲线；此时调节移相器使直至误差信号曲线的幅值达到最大。

第三步，缩小三角波扫描范围直至示波器上只能观测到一个预锁定的饱和吸收峰及相应的误差信号曲线。

第四步，打开第一开关，首先只加入比例调节，将比例参数由零逐渐调大，此时可观测到饱和吸收峰逐渐被拉平到吸收峰极值点对应的幅值，误差信号曲线也逐渐变为水平直线；继续加大比例参数，直至被拉平到吸收峰极值处的谱线出现振荡，然后将比例参数回调至当前值的一半。此时可以观测到误差信号不为零，而是存在静态误差。

第五步，加入积分调节，将积分时间由无穷大逐渐减小，直至静态误差为零，此刻关闭第三开关。至此，DFB激光器完成饱和吸收稳频，并且当存在微小干扰使激光频率偏离锁定值时，在锁定环路作用下，激光频率能够逐渐恢复至锁定值处。

本实用新型可以通过该系统的上述结构实现一种用于DFB激光器饱和吸收稳频的温控及锁定系统，通过对激光器电流和温度的控制实现DFB激光器的稳频，保证激光器输出的激光波长的稳定性，减小激光的随机抖动，使得DFB激光器的可靠性得到了保证。

需要注意的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，包括精密控温模块和锁定环路；其中：

精密控温模块包括依次相连接的热敏电阻、线性测温电桥、差分放大电路、比例积分微分补偿网络、脉宽调制控制器、半导体制冷器驱动电路和半导体制冷器；

精密控温模块用于实现激光器温度稳定；其中，热敏电阻作为温度传感器，实时反映DFB激光器当前温度；线性测温电桥用于检测当前激光器的温度和预设目标温度；差分放大电路用于将当前温度和目标温度的差值进行放大得到误差信号；比例积分微分补偿网络将该误差信号转化为脉宽调制控制器的控制信；脉宽调制控制器和半导体制冷器驱动电路用于实现半导体制冷器的脉宽调制驱动；半导体制冷器用于实现激光器的加热和制冷，起到温度补偿作用；

锁定环路包括电流源、DFB激光器、饱和吸收光路、光电探测器、带通滤波放大器、相敏解调模块、移相模块、三角波发生模块、方波和正弦波发生模块、比例积分电路和加法器；其中，所述电流源与DFB激光器相连；所述DFB激光器与饱和吸收光路相连；所述饱和吸收光路与光电探测器相连；所述光电探测器与带通滤波放大器相连；所述带通滤波放大器与相敏解调模块相连；所述方波和正弦波发生模块的方波输出通道与相敏解调模块相连；所述相敏解调模块与比例积分电路相连；所述方波和正弦波发生模块的正弦波输出通道与移相模块相连；所述比例积分电路、所述移相模块、所述三角波发生模块分别通过开关与所述加法器相连；所述加法器与电流源相连；形成锁定环路；

锁定环路用于实现将激光器频率锁定在饱和吸收谱峰上；其中，电流源用于控制DFB激光器的波长，对波长进行电路调谐；DFB激光器的激光进入到饱和吸收光路，产生饱和吸收谱，再通过光电探测器将光信号转变为电信号；电信号通过带通滤波放大器，完成信号的带通滤波和放大，得到正弦调制响应信号作为相敏解调的输入；方波和正弦波发生模块产生两路同频同相的信号，一路方波和一路正弦波；通过将方波和带通滤波放大器后信号一起输入到相敏解调模块，得到包含激光器频率偏移信息的误差信号；误差信号经比例积分电路转化为激光器电流的控制信号；方波和正弦波发生模块的另一路与方波同频同相的正弦波用于引入对激光频率的小调制；移相模块用于实现对光路和电路的相位延迟的补偿，使得方波和带通滤波放大后的信号的相位相同或相反，以实现更高的鉴频灵敏度；三角波发生器用于产生扫描信号，扫描信号用于对激光器实现频率扫描，得到饱和吸收谱线；比例积分电路、移相模块、三角波发生模块的输出经过开关输入到加法器中，完成加法运算；再将加法器的输出作用于电流源，实现对电流源的控制，通过调整电流源的电流完成对DFB激光器频率的锁定，保证激光器处于稳频状态。

2.如权利要求1所述用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，其特征是，精密控温模块中，热敏电阻和半导体制冷器为DFB激光器自带。

3.如权利要求1所述用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，其特征是，精密控温模块中，差分放大电路、脉宽调制控制器和半导体制冷器驱动电路采用MAX1978芯片中的组成模块。

4.如权利要求1所述用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，其特征是，精密控温模块中，在所述线性测温电桥用于测当前温度的一侧采用恒流源，使得电桥输出电压变化与热敏电阻阻值变化呈正比，便于测量。

5.如权利要求1所述用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，其特征是，锁定环路还包括多个开关；所述比例积分电路经过第一开关与加法器相连；所述移相模块经过第二开关相连与加法器相连；所述三角波发生模块经过第三开关与加法器相连。

6.如权利要求1所述用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，其特征是，锁定环路中，三角波发生模块采用芯片XR2206实现。

7.如权利要求1所述用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，其特征是，锁定环路中，方波和正弦波发生模块采用芯片ICL8038实现。

8.如权利要求1所述用于DFB激光器饱和吸收稳频的锁定系统，其特征是，锁定环路中，相敏解调模块采用芯片AD630实现。

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