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    基于FFP-TF2濾波器的可調(diào)諧激光器

    2020-03-05 03:12:44萬(wàn)生鵬宋早標(biāo)
    應(yīng)用光學(xué) 2020年1期
    關(guān)鍵詞:激光器時(shí)鐘波長(zhǎng)

    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。

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