X波段內(nèi)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器鎖頻方案與實(shí)現(xiàn)

梁春輝，姜媛媛，李曙光，姜文寧，鄒衛(wèi)文，陳建平

（1．上海交通大學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240;2．上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海201109）

X波段內(nèi)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器鎖頻方案與實(shí)現(xiàn)

梁春輝1，姜媛媛2，李曙光2，姜文寧1，鄒衛(wèi)文1，陳建平1

（1．上海交通大學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240;2．上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海201109）

提出了一種可用于兩臺半導(dǎo)體分布式反饋激光器的高穩(wěn)定寬帶鎖頻方案，介紹了該方案的應(yīng)用領(lǐng)域。詳細(xì)描述了鎖頻方案實(shí)現(xiàn)兩臺半導(dǎo)體激光器互鎖定的基本原理，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了差頻頻率的鎖定性能和大范圍可調(diào)諧性。

鎖頻；半導(dǎo)體激光器；可調(diào)諧；A D F4159；FPG A

0 引言

半導(dǎo)體激光器憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感及光信號處理等領(lǐng)域。但是，半導(dǎo)體激光器自身驅(qū)動電流和溫度的變化都對其輸出波長有很大影響[1]，長期使用存在一定的波長漂移。因此，在某些應(yīng)用中，需要使兩臺激光器的輸出保持長期相對穩(wěn)定，如在基于光纖的時(shí)頻傳遞系統(tǒng)中[2～4]，可通過鎖定兩地的激光器（兩臺激光器的輸出光頻率保持同步）使其輸出保持相對穩(wěn)定，從而降低收發(fā)兩地激光器輸出光頻率的相對抖動，提高測量精度。另外，在光生微波信號領(lǐng)域，兩臺激光器的輸出光經(jīng)過互相鎖頻、拍頻和光電轉(zhuǎn)換后，可產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)諧的微波信號[5，6]。此類光生微波方法在軍事上有重要應(yīng)用，如用于空中管制、反導(dǎo)彈防御和空間通信的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[7，8]等。文獻(xiàn)[9]對一種可用于兩臺半導(dǎo)體激光器的鎖頻方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和原理性驗(yàn)證[9]，但該方案體積較大、成本較高，不利于實(shí)際使用。本文提出一種在X波段范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器互鎖頻改進(jìn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。

1 大范圍連續(xù)可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器互鎖頻方案的原理

本文設(shè)計(jì)的X波段范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)諧激光器互鎖頻方案原理圖如圖1所示。主、從半導(dǎo)體激光器具有獨(dú)立的溫度和電流控制驅(qū)動電路（設(shè)計(jì)在同一塊電路板上），能輸出較為穩(wěn)定的光信號。從激光器以主激光器的輸出光頻率為參考，通過反饋控制環(huán)路調(diào)節(jié)其輸出頻率，使之與主激光器的輸出光頻率完成鎖定，從而保持穩(wěn)定的光頻率差。反饋控制環(huán)路由偏振控制器（PC）、隔離器（ISO）、光衰減器、光電探測器、電功率放大器、鑒頻鑒相模塊和環(huán)路濾波器等構(gòu)成。

圖1 X波段內(nèi)連續(xù)可調(diào)諧的鎖頻方案原理圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，兩臺激光器輸出的兩束光信號經(jīng)ISO和PC后通過一個(gè)光纖耦合器。耦合器輸出的一路信號通過光頻譜儀（OSA）實(shí)時(shí)監(jiān)測光頻譜變化，另一路經(jīng)光衰減器接入20GHz的高速光電探測器，被轉(zhuǎn)換為電拍頻信號。電信號經(jīng)放大器放大功率后通過一個(gè)電信號功分器，功分器的一路輸出接入頻譜儀（監(jiān)測拍頻信號的頻譜），另一路輸出進(jìn)入鑒頻鑒相模塊，與外部晶振電路產(chǎn)生的高精度參考信號進(jìn)行數(shù)字鑒頻鑒相從而獲取誤差信號（產(chǎn)生的誤差信號與當(dāng)前拍頻頻率和參考信號頻率的差值有關(guān) ）。該誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波器后被轉(zhuǎn)換為控制電壓信號，控制從激光器驅(qū)動電路的輸入電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)從激光器的輸出光頻率。當(dāng)系統(tǒng)的反饋增益與響應(yīng)時(shí)間達(dá)到理想狀態(tài)時(shí)，兩臺激光器的相關(guān)頻率抖動會大幅減小，且它們的拍頻頻率鎖定在外部參考振蕩源上，即兩臺激光器同步鎖定。其中，F(xiàn)PGA控制單元用于控制鑒頻鑒相模塊內(nèi)部的分頻比，進(jìn)而控制兩臺激光器的輸出差頻頻率。

本方案中的鑒頻鑒相模塊采用ADI公司的ADF4159芯片，該芯片能滿足本文要求的X波段大范圍設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)生的差頻頻率可表示為：

其中，RFOUT是兩臺激光器的差頻頻率，INT是12位分頻器的預(yù)設(shè)分頻比（23～4095），F(xiàn)RAC是小數(shù)分頻的分子 （0～225-1），PFD頻率fPFD即為外部晶振電路的參考信號頻率。

2 關(guān)于鎖頻方案性能的實(shí)驗(yàn)測試

本文為驗(yàn)證激光器頻率互鎖定方案的可行性，根據(jù)圖1搭建了系統(tǒng)模型，對該方案的頻率鎖定效果、穩(wěn)定性及可調(diào)諧性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。

2.1 目標(biāo)差頻頻率為9.75GHz時(shí)方案的鎖頻性能

我們預(yù)設(shè)目標(biāo)差頻頻率為9.75GHz。已知參考信號頻率為100MHz（即fPFD），根據(jù)式（1）可計(jì)算出INT和FRAC的值，F(xiàn)PGA單元發(fā)送控制指令到ADF4159芯片將分頻比寫入分頻寄存器。實(shí)驗(yàn)得到兩臺激光器差頻頻率鎖定在9.75GHz時(shí)，差頻頻率與功率及時(shí)間之間的關(guān)系,其三維圖如圖2所示。測試時(shí)間約20min,經(jīng)測試和計(jì)算得到差頻平均值約為9.7493GHz，和目標(biāo)差頻頻率的誤差為700kHz。從該誤差可以看出，本方案頻率鎖定性能穩(wěn)定度較高、準(zhǔn)確性良好。在主峰附近大約200MHz范圍內(nèi)有類似毛刺的頻率分量，這是因?yàn)橹?、從激光器輸出的光頻率有一定譜寬，并非單一頻率，其光譜邊帶分量經(jīng)高速光電探測器相互拍頻產(chǎn)生了相應(yīng)的電頻率分量。

圖2 差頻頻率鎖定在9.75GHz時(shí)頻率、功率與時(shí)間之間關(guān)系的三維圖

圖3 差頻頻率鎖定在9.75GHz時(shí)峰值功率與時(shí)間變化關(guān)系圖

差頻頻率鎖定在9.75GHz處的峰值功率與時(shí)間的關(guān)系圖如圖3所示，峰值功率與時(shí)間的關(guān)系趨于水平直線，且較為穩(wěn)定，測得的峰值功率平均值約為-5.81dBm。在測試時(shí)間內(nèi)峰值功率有少許抖動，這是因?yàn)轵?qū)動電流和溫度變化不僅會影響激光器的輸出光功率，而且還會引起一定的光頻率變化[9]。差頻頻率鎖定在9.75GHz時(shí)的光譜圖如圖4所示，兩波峰分別對應(yīng)的波長為1551.282nm和1551.36nm，換算成差頻約9.74GHz，與電頻譜儀觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖4 差頻頻率鎖定在9.75GHz處的光譜

受限于實(shí)驗(yàn)條件，本文無法直接測量從激光器自由運(yùn)行到主、從激光器同步鎖定耗費(fèi)的時(shí)間和鎖定檢測電壓的變化情況。利用實(shí)驗(yàn)所得的系統(tǒng)參數(shù)，我們采用ADIsimPLL對激光器互鎖頻方案的鎖定過程進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。兩臺激光器同步鎖定消耗的時(shí)間約90μs，表明本方案能實(shí)現(xiàn)快速鎖定。

圖5 目標(biāo)差頻頻率為9.75GHz時(shí)激光器鎖定過程的仿真曲線

2.2 目標(biāo)差頻頻率為11GHz時(shí)方案的鎖頻性能

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本方案的鎖頻性能，本文將預(yù)設(shè)目標(biāo)差頻頻率更改為11GHz。參考信號頻率依然為100MHz，根據(jù)式（1）可得INT和FRAC的值。FPGA單元發(fā)送控制命令并將新的分頻比寫入ADF4159芯片寄存器，電頻譜儀監(jiān)測的頻譜結(jié)果表明，差頻頻率從9.75GHz迅速跳至11GHz。

系統(tǒng)正常運(yùn)行差頻頻率鎖定在11GHz時(shí)，差頻頻率與功率及時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。測試時(shí)間約20min，經(jīng)測試和計(jì)算得到差頻平均值約10.9990GHz，誤差為1MHz，這表明頻率鎖定在11GHz時(shí)同樣能達(dá)到較高的穩(wěn)定度和良好的準(zhǔn)確性。在主峰附近大約200MHz范圍內(nèi)有許多類似毛刺的頻率分量，這是由兩臺激光器的譜寬導(dǎo)致的。

圖6 差頻頻率鎖定在11GHz時(shí)頻率、功率與時(shí)間之間關(guān)系的三維圖

差頻頻率鎖定在 11GHz處峰值功率與時(shí)間的關(guān)系圖如圖7所示。峰值功率與時(shí)間的關(guān)系趨于水平直線，且較為穩(wěn)定，測得的峰值功率平均值約為-7.47dBm。這證明本方案在差頻頻率設(shè)置為11GHz時(shí)仍有良好的頻率鎖定效果。差頻頻率鎖定在11GHz時(shí)的光譜圖如圖8所示。兩波峰分別對應(yīng)的波長為1551.272nm和 1551.36nm，換算成差頻約10.98GHz，與電頻譜儀測得的結(jié)果基本吻合。

圖7 差頻頻率鎖定在11GHz時(shí)峰值功率與時(shí)間變化關(guān)系圖

圖8 差頻頻率鎖定在11GHz處的光譜

我們基于實(shí)驗(yàn)參數(shù)，使用ADIsimPLL進(jìn)行了進(jìn)一步仿真，得到輸出信號頻率為11GHz時(shí)，差頻頻率和鎖定監(jiān)測電壓與時(shí)間的關(guān)系，具體如圖9所示。兩臺激光器頻率達(dá)到鎖定消耗的時(shí)間約70μs，進(jìn)一步驗(yàn)證了本方案能實(shí)現(xiàn)快速鎖頻。

圖9 目標(biāo)差頻頻率為11GHz時(shí)激光器鎖定過程的仿真曲線

2.3 鎖頻方案的頻率可調(diào)諧性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本方案在X波段大范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)諧性，我們利用FPGA控制目標(biāo)分頻比，調(diào)整輸出的差頻頻率，分別在目標(biāo)差頻頻率預(yù)設(shè)為 9.5GHz、9.75GHz、10GHz、10.5GHz和11GHz時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，本方案利用FPGA控制鑒頻鑒相模塊的分頻比，不僅能根據(jù)不同目標(biāo)頻率的要求實(shí)現(xiàn)輸出差頻頻率可調(diào)諧，而且還能保持長時(shí)間的頻率鎖定效果。

圖10 實(shí)驗(yàn)得到的電信號頻譜

3 結(jié)束語

本文在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上對一種用于兩臺半導(dǎo)體激光器的鎖頻方案進(jìn)行了改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的差頻測量、計(jì)算及反饋控制電路替代信號分析儀、電腦終端等設(shè)備，降低了系統(tǒng)成本并使系統(tǒng)模塊化、小型化和集成化。我們使用FPGA控制具有高模數(shù)小數(shù)分頻器的低噪聲數(shù)字鑒頻鑒相模塊，實(shí)現(xiàn)了輸出差頻頻率大范圍可調(diào)諧。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方案可根據(jù)不同目標(biāo)頻率的要求實(shí)現(xiàn)輸出差頻頻率可調(diào)諧，并具有良好的頻率鎖定效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行仿真得到的結(jié)果可以看出，本方案的鎖頻效果具有快速響應(yīng)的能力。今后的研究可將鑒頻模塊、FPGA反饋控制回路、溫度和電流控制驅(qū)動模塊及半導(dǎo)體激光器等布局在同一塊印制電路板上，為半導(dǎo)體激光器大范圍鎖頻的模塊化和實(shí)用化提供技術(shù)保障。

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Design and implementation of tunable frequency-locked scheme for semiconductor lasers within X band

LIANG Chun-hui1,JIANG Yuan-yuan2,LI Shu-guang2, JIANG Wen-ning1,ZOU Wei-wen1,CHEN Jian-ping1
(1.State Key Lab of Advanced Optical Communication Systems and Networks,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2.Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute,Shanghai 201109,China)

The paper proposes a frequency-locked scheme for two semiconductor distributed feedback lasers with high stability and wide bandwidth,introduces the application field of the scheme.It describes the frequency-locking principle of the scheme for two semiconductor lasers in detail,the experiment verifies the locking performance and the tunability of the beating frequency with a broadband frequency range.

frequency-lock,semiconductor lasers,tunable,ADF4159,FPGA

TN248.4

A

1002-5561（2016）04-0023-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.008

2015-12-11。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (61571292，61535006，61127016)資助；“先進(jìn)航天電子技術(shù)”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助；“區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”自主課題（2014ZZ03016）資助。

梁春輝（1982-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧す怄i頻技術(shù)。