基于FFP-TF2濾波器的可調(diào)諧激光器

譚 超，萬(wàn)生鵬,2，宋早標(biāo)，劉 恒，肖 登

（1.南昌航空大學(xué) 江西省光電檢測(cè)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063；2.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)與光電傳感技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063）

引言

隨著光纖通信及傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)光源可集成化，小型化，穩(wěn)定性高，調(diào)諧范圍廣，線寬窄等要求越來(lái)越高[1-3]。由于波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器在光纖通信、醫(yī)學(xué)、光傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此越來(lái)越受到科研人員的青睞。波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器不僅提高了光纖網(wǎng)絡(luò)的靈活性，還降低了光纖網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度及能耗，促進(jìn)了光纖通信及傳感技術(shù)的不斷發(fā)展。

從激光器誕生到現(xiàn)在，可調(diào)諧激光器在不斷發(fā)展，各種各樣的激光器被提出，再到生產(chǎn)應(yīng)用，最后被性能更好的激光器所淘汰。按照不同的波長(zhǎng)調(diào)諧方法可分為機(jī)械、熱、電調(diào)諧激光器等[4]。機(jī)械調(diào)諧通過(guò)調(diào)諧外腔反射的角度來(lái)改變腔長(zhǎng)進(jìn)而改變波長(zhǎng)，該種激光器的調(diào)諧速度受限于機(jī)械部件；熱調(diào)諧通過(guò)控制溫度來(lái)改變腔長(zhǎng)進(jìn)而改變波長(zhǎng)，但是溫度比較難以控制；電調(diào)諧是通過(guò)電路來(lái)選擇不同激光器輸出進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，該種激光器的調(diào)諧范圍取決于激光器數(shù)量，從而導(dǎo)致工藝復(fù)雜，成本較高。

FFP-TF2 濾波器是一種簡(jiǎn)易的光學(xué)諧振腔，由兩段嚴(yán)格平行且內(nèi)表面鍍有高反射率材料的反射端面組成[5-11]。由于其腔長(zhǎng)可調(diào)能控制波長(zhǎng)輸出的特性，被廣泛應(yīng)用于各種可調(diào)諧激光器設(shè)計(jì)中。

為了更好地實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬，線寬窄，穩(wěn)定性好，本文設(shè)計(jì)并搭建出一種新型的可調(diào)諧激光器系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過(guò)控制FFP-TF2 濾波器的驅(qū)動(dòng)電壓改變腔長(zhǎng),進(jìn)而改變系統(tǒng)輸出的激光波長(zhǎng)。提供驅(qū)動(dòng)電壓的方式有很多種：一、可以通過(guò)可調(diào)諧的直流電壓源進(jìn)行單點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)，進(jìn)而輸出不同中心波長(zhǎng)的激光；二、可以通過(guò)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行多點(diǎn)掃描電壓，進(jìn)而周期性等間隔地輸出不同中心波長(zhǎng)的激光；三、可以通過(guò)FPGA 設(shè)計(jì)的基于DDS 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和模擬放大電路進(jìn)行單點(diǎn)或掃描的電壓切換控制。第一種方式局限性在于只能單點(diǎn)調(diào)諧，且系統(tǒng)不易集成，適用于實(shí)驗(yàn)室研究使用。第二種方式局限性在于只能進(jìn)行掃描調(diào)諧，掃描電壓受限于信號(hào)發(fā)生器，且系統(tǒng)成本較高。本文采用第三種調(diào)諧方式，通過(guò)FPGA 中的程序代碼控制，不僅可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)和掃描兩種方式調(diào)諧的切換，還可以改變波長(zhǎng)調(diào)諧范圍、掃描周期和步進(jìn)，具有高靈活性，可集成化的優(yōu)點(diǎn)。

1 驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的設(shè)計(jì)

1.1 基于DDS 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

直接數(shù)字頻率合成（簡(jiǎn)稱DDS）是一種應(yīng)用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生信號(hào)波形的方法[12-15]。由于DDS 技術(shù)有輸出頻率范圍寬，分辨率高，數(shù)字調(diào)制性能好，輸出信號(hào)波形可調(diào)，頻率切換速度快且頻率切換時(shí)輸出信號(hào)相位連續(xù)的特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于各種函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。

圖1 是DDS 技術(shù)產(chǎn)生信號(hào)波形的原理框圖。圖中F為頻率控制字，在Verilog HDL 程序中通過(guò)控制F的大小來(lái)控制輸出波形的頻率。CLK 為系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘源，對(duì)地址計(jì)數(shù)器與DA 轉(zhuǎn)換器模塊進(jìn)行時(shí)鐘控制，其周期為Ti。地址計(jì)數(shù)器可以產(chǎn)生ROM（存儲(chǔ)一個(gè)波形周期的數(shù)據(jù)）中的數(shù)據(jù)地址信號(hào)，用來(lái)周期性地讀取出ROM 中的波形幅值信號(hào)。ROM 中存儲(chǔ)的波形信號(hào)是由MATLAB 或Mif_Maker2010 等軟件生成相應(yīng)所需波形信號(hào)的離散數(shù)據(jù)的MIF 文件。讀取出的波形幅值信號(hào)再經(jīng)過(guò)DA 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及低通濾波器濾波后就可以生產(chǎn)模擬波形電壓信號(hào)。下面以產(chǎn)生輸出初始相位為0，頻率可調(diào)諧的正弦波形信號(hào)來(lái)介紹DDS 技術(shù)的原理。

圖1 DDS 技術(shù)產(chǎn)生波形的原理圖Fig.1 Schematic diagram of waveform generated by DDS technology

正弦波形信號(hào)的表達(dá)式為

式中：A為 正弦波信號(hào)的振幅；fout為DDS 輸出正弦波信號(hào)的頻率。

假設(shè)系統(tǒng)模塊的采樣時(shí)鐘周期為Ti，頻率為fi，則采樣間隔的相位改變量為

將一個(gè)周期正弦波形信號(hào)的相位 2π均勻離散為 2N等份，則相位分辨率為Δ=2π/2N。如果ROM中存儲(chǔ)的一個(gè)周期等間隔正弦波形信號(hào)數(shù)據(jù)樣本數(shù)為 2N，則DDS 輸出電壓信號(hào)的周期、基準(zhǔn)時(shí)鐘周期與從ROM 中讀出的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間關(guān)系如圖2 所示。圖2 中空心圓點(diǎn)代表從ROM 中讀取的正弦波形信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期Ti，地址計(jì)數(shù)器的地址位加1，同時(shí)存儲(chǔ)器會(huì)輸出一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直到ROM 最后一個(gè)地址單元中的正弦波形信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)被讀出，此時(shí)DDS 輸出的是一個(gè)完整周期的正弦波形信號(hào)。之后DDS 系統(tǒng)會(huì)重復(fù)讀取ROM 中正弦信號(hào)數(shù)據(jù)，輸出周期性的正弦波形。由圖2 可知DDS 輸出信號(hào)周期與基準(zhǔn)時(shí)鐘周期的關(guān)系式為

圖2 輸出信號(hào)的周期與基準(zhǔn)時(shí)鐘周期的關(guān)系Fig.2 Relation between period of output signal and reference clock

根據(jù)采樣定理，輸出信號(hào)頻率不能高于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的一半。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證輸出信號(hào)的質(zhì)量，一般輸出信號(hào)的頻率不會(huì)超過(guò)時(shí)鐘頻率的1/3，以避免混疊。

如果是每隔K個(gè)地址輸出一個(gè)波形信號(hào)數(shù)據(jù)，則DDS 輸出信號(hào)周期與基準(zhǔn)時(shí)鐘周期的關(guān)系式變?yōu)?/p>

由（5）式可知，要想改變輸出波形頻率有3 種方法：1）改變?nèi)訒r(shí)鐘的頻率fi；2）改變?nèi)娱g隔地址數(shù)K；3）改變ROM 中儲(chǔ)存波形信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù) 2N。

3 種方法中任意改變?nèi)訒r(shí)鐘頻率和改變?nèi)娱g隔地址數(shù)在Verilog HDL 程序中很容易編程實(shí)現(xiàn)，而任意改變ROM 中存儲(chǔ)波形信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)較為復(fù)雜，所以一般改變輸出波形頻率使用前2 種方法。

在本文的可調(diào)諧激光器以及光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)中所需的FFP-TF2 濾波器調(diào)諧電壓為三角波形信號(hào)，DDS 產(chǎn)生三角波形的過(guò) 程如圖3 所示。首先對(duì)所需的三角波形進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ROM 中生成數(shù)據(jù)表；在需要輸出波形時(shí)，周期性地調(diào)用ROM 數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)；再經(jīng)過(guò)DA 數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波器得到所需三角波模擬信號(hào)波形。

圖3 DDS 產(chǎn)生三角波信號(hào)的過(guò)程Fig.3 Process of generating triangular wave signal by DDS

圖4 DDS 生成三角波信號(hào)的RTL 圖Fig.4 RTL diagram of generating triangular wave signal by DDS

上文介紹了DDS 技術(shù)原理及硬件實(shí)現(xiàn)方法。下面簡(jiǎn)單介紹DDS 通過(guò)Verilog HDL 編程產(chǎn)生三角波形信號(hào)RTL 圖，如圖4 所示。圖中主要包含了地址計(jì)數(shù)器模塊、寄存器模塊、三角波形ROM模塊?；趯?shí)驗(yàn)要求，本文采用的DAC 轉(zhuǎn)換芯片是8 位高速并行AD9708，其數(shù)模轉(zhuǎn)換速率最高為125 MSPS。圖5 為DDS 中DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊AD9708 的RTL 圖。其中包含了時(shí)鐘采樣模塊和一個(gè)FIFO 緩存模塊，主要作用分別是控制DAC 模塊采樣頻率和緩存波形信號(hào)數(shù)據(jù)。通過(guò)da_clk 和da_out[7:0]端口輸入到DAC9708 芯片中進(jìn)行控制。

圖5 DDS 中DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊RTL 圖Fig.5 RTL diagram of DAC digital-to-analog conversion module in DDS

1.2 驅(qū)動(dòng)電壓放大電路設(shè)計(jì)

由DDS 產(chǎn)生的數(shù)字三角波形信號(hào)經(jīng)過(guò)AD9708芯片模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換并經(jīng)低通濾波器濾波之后輸出模擬電壓信號(hào)，但使用FPGA 的EP4CE15F17C8N 型芯片板最高輸出不超過(guò)5 V，不能滿足FFP-TF2 濾波器調(diào)諧電壓掃描波長(zhǎng)需求，所以需要使用模擬放大電路對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大。考慮到FFP-TF2濾波器的容抗特性，使用的驅(qū)動(dòng)電路要具有負(fù)載能力，因此本文設(shè)計(jì)了如圖6 所示的驅(qū)動(dòng)模擬信號(hào)放大電路。

圖6 驅(qū)動(dòng)模擬信號(hào)放大電路圖Fig.6 Amplifying circuit diagram of driving analog signal

如圖6 所示，電路中使用了OP37G 和NE5532P兩顆運(yùn)放芯片，R1、R2、R3、R4四個(gè)電阻，C1、C2 兩個(gè)電容。OP37G 的作用是對(duì)從AD9708 芯片模塊輸出的三角波調(diào)諧電壓信號(hào)進(jìn)行放大，可以將其放大到±15 V，滿足設(shè)計(jì)要求。NE5532P 與R3組合作為射極跟隨器使用，可以提高放大電路的負(fù)載能力，從而平衡驅(qū)動(dòng)FFP-TF2 濾波器時(shí)導(dǎo)致的容抗變化。電容C1 和C2 分別于正負(fù)電源并聯(lián)，用于抑制由于電源波動(dòng)而引入的高頻噪聲。R4具有偏置調(diào)零作用，即接入輸入信號(hào)前，用示波器觀察輸出信號(hào)是否為0，不為0 時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)R4使 其為0。電阻R1、R2與運(yùn)放OP37G 組合形成一個(gè)負(fù)反饋回路，在使用時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)R1來(lái)改變電路輸出的放大倍數(shù)，其電路放大系數(shù)關(guān)系式為

由（6）式可知，只要電源電壓足夠大，理論上最高可以放大11 倍，但電路輸出電壓不能超過(guò)電源電壓，由實(shí)驗(yàn)可知，11 V 掃描電壓足以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光器全波長(zhǎng)段掃描，本文設(shè)計(jì)的放大電路滿足實(shí)驗(yàn)要求。由于FFP-TF2 濾波器是利用磁致伸縮效應(yīng)引起的微位移控制腔長(zhǎng)，因此伴隨著伸縮遲滯現(xiàn)象。即當(dāng)FFP-TF2 濾波器產(chǎn)生相同腔長(zhǎng)位移時(shí)，三角波驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)向上變大過(guò)程與向下變小過(guò)程所對(duì)應(yīng)的調(diào)諧電壓并不相同。所以，為了實(shí)驗(yàn)的精確性，保證解調(diào)過(guò)程相同一致，實(shí)驗(yàn)只分析變大或變小單個(gè)掃描過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與工作原理

本文設(shè)計(jì)的可調(diào)諧激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖7 所示。首選由980 nm 的泵浦光源（LD）發(fā)出的光，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流進(jìn)而控制其輸出功率；通過(guò)980 nm/1 550 nm 的波分復(fù)用器（WDM）后進(jìn)入3 m 的增益介質(zhì)摻鉺光纖（EDF）中；再通過(guò)光隔離器（ISO）后進(jìn)入2×2 光纖耦合器中（Coupler），實(shí)驗(yàn)中使用的有9∶1、2∶1、1∶1 的耦合器。圖7 中輸出端使用的是9∶1 的耦合器，一端是大約90%的光信號(hào)反饋回環(huán)形腔，另一端10%左右的光信號(hào)作為可調(diào)諧激光器的輸出光；反饋回環(huán)形腔的光再經(jīng)過(guò)FFP-TF2 濾波器[16]后，輸出的光信號(hào)與LD 發(fā)出的980 nm 泵浦光通過(guò)980 nm/1 550 nm 光纖耦合器耦合形成回路；驅(qū)動(dòng)電壓模塊（DV）對(duì)FFP-TF2 濾波器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。由于FFP-TF2 濾波器對(duì)溫度比較敏感，通常對(duì)其進(jìn)行恒溫處理，已消除溫度對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的影響，本文所做實(shí)驗(yàn)FFP-TF2 都是在25 ℃下進(jìn)行的。

圖7 可調(diào)諧激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of tunable laser experimental system

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖搭建出了測(cè)試系統(tǒng)，從而對(duì)可調(diào)諧激光器的各性能進(jìn)行測(cè)試，如圖8 所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 Physical diagram of experimental test system

通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試出可調(diào)諧激光器輸出中心波長(zhǎng)在1 532 nm～1 567 nm 之間的3 dB 線寬如圖9所示。由圖9 可知，輸出不同中心波長(zhǎng)的3 dB 線寬最大不超過(guò)0.011 nm，最小不低于0.009 nm，基本保持在0.01 nm 左右，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的可調(diào)諧激光器具有比較穩(wěn)定且較窄的線寬。圖10 為通過(guò)光譜儀AQ6319 觀察到可調(diào)諧激光器輸出中心波長(zhǎng)為1 556.295 5 nm 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的3 dB 線寬為0.010 7 nm。

圖9 輸出不同中心波長(zhǎng)的3 dB 線寬Fig.9 Output 3 dB linewidth of different center wavelengths

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了寬帶光源通過(guò)FFP-TF2 濾波器后輸出中心波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系，通過(guò)Origin 軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，線性擬合度為99.986%，如圖11 所示。線性擬合關(guān)系式為

通過(guò)測(cè)試可調(diào)諧激光器輸出中心波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系，線性擬合度為99.934%，如圖12所示。線性擬合關(guān)系式為

圖10 輸出中心波長(zhǎng)為1 556.295 5 nm 的3 dB 線寬Fig.10 Output 3 dB linewidth with center wavelength of 1556.295 5 nm

圖11 FFP-TF2 濾波器輸出中心波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系Fig.11 Relation between FFP-TF2 filter output center wavelength and driving voltage

圖12 可調(diào)諧激光器輸出中心波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系Fig.12 Relation between tunable laser output center wavelength and driving voltage

由圖11 與（7）式可以發(fā)現(xiàn)寬帶光源通過(guò)FFPTF2 濾波器后輸出中心波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓之間具有良好的線性關(guān)系，同時(shí)得到FFP-TF2 輸出中心波長(zhǎng)靈敏度為4.021 nm/V。由圖12 與（8）式可以發(fā)現(xiàn)可調(diào)諧激光器輸出中心波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓之間也具有良好的線性關(guān)系，同時(shí)得到可調(diào)諧激光器輸出中心波長(zhǎng)靈敏度為3.915 nm/V。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者之間輸出中心波長(zhǎng)靈敏度相差0.106 nm/V，可調(diào)諧激光器輸出中心波長(zhǎng)相對(duì)于FFP-TF2 的誤差比較小，僅為2.6%，說(shuō)明該激光器的輸出波長(zhǎng)隨驅(qū)動(dòng)電壓的變化基本與FFP-TF2 隨驅(qū)動(dòng)電壓的變化一致。固定FFP-TF2 溫度和調(diào)諧電壓研究其中心波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的曲線圖，如圖13 所示?？偨Y(jié)得出，當(dāng)固定調(diào)諧電壓時(shí)FFP-TF2 輸出中心波長(zhǎng)會(huì)隨時(shí)間快速穩(wěn)定，表明其具有很好的輸出穩(wěn)定性。

圖13 27.5 ℃ FFP-TF2 固定電壓5.5 V 時(shí)輸出中心波長(zhǎng)隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Output center wavelength versus time at FFP-TF2 27.5 ℃ and fixed voltage 5.5 V

本文還研究了不同耦合器輸出到回路與系統(tǒng)輸出的比對(duì)可調(diào)諧激光器輸出功率的影響，圖14是耦合器輸出比為9∶1、2∶1、1∶1、1∶2 時(shí)，泵浦輸出功率與可調(diào)諧激光器輸出功率的關(guān)系圖。由圖14 可知：1）不同耦合器輸出比在泵浦功率達(dá)到系統(tǒng)閾值后，可調(diào)諧激光器輸出功率都隨著泵浦輸出功率增加而增大，分別對(duì)其閾值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到線性擬合度分別為99.293%、99.685%、99.84%、99.799%，發(fā)現(xiàn)都具有較好的線性關(guān)系；2）在一定范圍內(nèi)，隨著耦合器輸出比的減小，可調(diào)諧激光器輸出功率閾值逐漸增大，同時(shí)可調(diào)諧激光器輸出功率隨泵浦輸出功率增加變化得更快。

圖14 不同耦合器輸出比的泵浦功率與激光器輸出功率關(guān)系Fig.14 Relation between pumping power and laser output power with different coupler output ratios

4 結(jié)論

本文中的可調(diào)諧激光器是基于FFP-TF2 濾波器設(shè)計(jì)的，通過(guò)DDS 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器與模擬放大電路結(jié)合生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)電壓，調(diào)節(jié)FFP-TF2 的腔長(zhǎng)，進(jìn)而改變激光器波長(zhǎng)的輸出。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可集成化，小型化，激光器輸出波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬，線寬窄，穩(wěn)定性好，靈活性高，可廣泛應(yīng)用于光纖通信及傳感等領(lǐng)域。