基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定

韓忠 朱興邦

摘? 要：提出了一種基于雙法布里-珀羅（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定方法，利用Littman結(jié)構(gòu)的外腔型可調(diào)諧激光器、標(biāo)準(zhǔn)具、波長計(jì)等搭建了一套波長鎖定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將激光器調(diào)至波長范圍內(nèi)任意波長，分別在關(guān)閉和開啟波長鎖定的兩種情況下記錄波長變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該波長鎖定方法能顯著提高Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧激光器的波長穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：波長鎖定;F-P標(biāo)準(zhǔn)具;可調(diào)諧激光器

中圖分類號：TN248? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0030-03

Abstract： Propose a wavelength locking method based on double Fabry-Perot （F-P） etalon. A wavelength locking experimental system is set up by using the external cavity tunable laser of Littman structure， Fabry-Perot etalon and wavelength meter. The laser is adjusted to any wavelength in the wavelength range， and the wavelength changes are recorded under the conditions of switching off and on wavelength locking respectively. The experimental results show that Wavelength stability of a Littman structure tunable laser can be significantly improved by the wavelength locking method.

Keywords： wavelength locking; Fabry-Perot etalon; tunable laser

引言

可調(diào)諧激光器包括分布反饋型可調(diào)諧激光器（DFB）、分布布拉格反射型可調(diào)諧激光器（DBR）、可調(diào)垂直腔面發(fā)射型可調(diào)諧激光器（VCSEL）和外腔型可調(diào)諧激光器（ECDL）。其中外腔型可調(diào)諧激光器具有調(diào)諧范圍寬，光譜分辨率高，光譜質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，適合作為測試儀器，廣泛應(yīng)用于高速光通信、雷達(dá)、電子對抗、光纖傳感等領(lǐng)域的設(shè)備研制、試驗(yàn)與生產(chǎn)測試。波長穩(wěn)定性是可調(diào)諧激光器的重要技術(shù)指標(biāo)，波長鎖定是實(shí)現(xiàn)波長穩(wěn)定性的重要技術(shù)手段，研究波長鎖定具有重要意義。

波長鎖定的功能是提供實(shí)時(shí)的波長誤差信號，并提供反饋信號調(diào)節(jié)波長，保證激光器輸出波長穩(wěn)定，目前對波長鎖定的研究較多，論文[1]介紹了一種多普勒吸收光譜波長鎖定方法，在特定波長點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了0.0006nm的波長鎖定精度，論文[2]使用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)、模擬和分析了可調(diào)諧DBR激光器進(jìn)行鎖定的光路系統(tǒng)，論文[3]設(shè)計(jì)了可調(diào)諧三段式DBR激光器波長鎖定系統(tǒng)，論文[4-5]介紹了基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定。其中基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定占用空間小、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)波長范圍的波長鎖定，但是當(dāng)波長處于F-P標(biāo)準(zhǔn)具峰值點(diǎn)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)波長鎖定，而可調(diào)諧激光器要求波長連續(xù)可調(diào)，需要實(shí)現(xiàn)其波長范圍內(nèi)任意波長點(diǎn)的鎖定，針對這個(gè)問題，本文提出了基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定方法，并利用Littman結(jié)構(gòu)的外腔型可調(diào)諧激光器搭建實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 Littman結(jié)構(gòu)的外腔型可調(diào)諧激光器原理

Littman結(jié)構(gòu)的外腔型可調(diào)諧激光器包含四個(gè)部分：增益介質(zhì)、耦合鏡、端面反射鏡和濾波器件。增益介質(zhì)采用外腔半導(dǎo)體芯片，產(chǎn)生光放大，同時(shí)需要避免增益介質(zhì)引起的內(nèi)部震蕩;耦合鏡用于光束變換，提高外腔的耦合效率;端面反射鏡為外腔兩端的反射鏡片，可以是反射鏡，也可以直接通過外腔半導(dǎo)體芯片的端面進(jìn)行反射，通過反射鏡產(chǎn)生外腔震蕩。采用光柵作為濾波器件，通過光柵衍射進(jìn)行濾波，產(chǎn)生單波長輸出。如圖1所示，光柵位于基座上，反射鏡M2和增益介質(zhì)產(chǎn)生自發(fā)輻射光，入射到光柵上，產(chǎn)生衍射，零級衍射光輸出，作為激光輸出，或者用于信號檢測;一級衍射光和光柵法線的夾角為θλ，一級衍射光通過反射鏡M1反射，反射光通過光柵回饋到增益介質(zhì)中，產(chǎn)生激光振蕩，形成光放大，獲取激光。激光輸出可以通過零級衍射光或者反射鏡M2輸出。

外腔的作用是在外部形成一個(gè)可調(diào)的濾波器，幫助激光器進(jìn)行模式選擇，光柵為色散元件，是腔體的選頻元件，它引起腔體的損耗產(chǎn)生改變，如圖2所示，在低損耗區(qū)域內(nèi)，縱模模式會產(chǎn)生競爭，形成單頻的激光輸出。

1.2 基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定原理

首先介紹基于單F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定原理，圖3為其示意圖，橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為功率，曲線為不同波長的光經(jīng)過F-P標(biāo)準(zhǔn)具后的功率曲線，λlock為可調(diào)諧激光器波長范圍內(nèi)的某一波長點(diǎn)，P為波長λlock的光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具的功率，當(dāng)可調(diào)諧激光器輸出波長由于環(huán)境溫度改變等原因而偏離λlock時(shí)，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具的光功率會發(fā)生改變，設(shè)變?yōu)镻'，計(jì)算光功率偏差？駐P=P'-P，利用？駐P可推出激光器輸出波長偏差，進(jìn)而計(jì)算出激光器芯片的補(bǔ)償電流值對激光器波長進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到波長鎖定的目的。

基于單F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定方法能夠?qū)崿F(xiàn)部分波長點(diǎn)的鎖定，但是當(dāng)要鎖定的波長處于標(biāo)準(zhǔn)具峰值點(diǎn)時(shí)，不管波長變大還是變小，P'均小于P，因此無法根據(jù)功率的變化判斷波長偏移的方向，也就無法對波長進(jìn)行補(bǔ)償。本文提出的基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定方法可以解決這一問題。

基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定方法使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具，如圖4所示，曲線1和曲線2分別為光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具1和標(biāo)準(zhǔn)具2后的功率曲線，λlock為可調(diào)諧激光器波長范圍內(nèi)任意波長點(diǎn)，P1為波長λlock的光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具1的功率，P2為波長λlock的光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具2的功率。可以看出，λlock處于標(biāo)準(zhǔn)具2的峰值波長點(diǎn)附近，此時(shí)，可以利用標(biāo)準(zhǔn)具1實(shí)現(xiàn)波長鎖定。同理，當(dāng)λlock處于標(biāo)準(zhǔn)具1的峰值波長點(diǎn)附近時(shí)，可利用標(biāo)準(zhǔn)具2實(shí)現(xiàn)波長鎖定。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)、采集卡、腔體、標(biāo)準(zhǔn)具等組成，如圖5所示，其中腔體包含光源和其它外腔部件構(gòu)成，光源采用一面鍍有增透膜（反射率小于0.01）的半蝶式封裝SAF1550S2 （Thorlabs，Inc激光器，中心波長為1550 nm，允許通過的最大電流為500 mA），驅(qū)動該芯片的LD控制器采用Arroyo公司的6310半導(dǎo)體激光控制器，其最大輸出電流為1A，腔體其它部件采用Thorlabs公司的Littman腔體組件，提供了步進(jìn)電機(jī)控制器，可以實(shí)現(xiàn)腔體中步進(jìn)電機(jī)的控制，推動腔體中的反射鏡轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)波長調(diào)節(jié)。由于該腔體沒有溫控功能，因此波長會隨環(huán)境溫度的改變而產(chǎn)生漂移。采集卡采用NI公司的9223數(shù)據(jù)采集卡，可以實(shí)現(xiàn)最大1MS/s的采樣速率，耦合器1采用10：90耦合器，耦合器2采用50：50耦合器，標(biāo)準(zhǔn)具采用兩個(gè)頻率均為100G但波長-功率曲線相差1/4周期的標(biāo)準(zhǔn)具。

在實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)控制LD控制器，驅(qū)動激光器芯片發(fā)光，控制步進(jìn)電機(jī)控制器，調(diào)節(jié)輸出光波長，輸出光通過耦合器1分為兩路，一路進(jìn)入波長計(jì)，一路進(jìn)入耦合器2，耦合器2又將光分為兩路，一路進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)具1，一路進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)具2，并分別進(jìn)入ADC1和ADC2，計(jì)算機(jī)通過采集卡獲取ADC1和ADC2的信號數(shù)據(jù)，通過調(diào)用波長偏差計(jì)算算法得到當(dāng)前的波長偏差，進(jìn)而計(jì)算出激光器驅(qū)動電流所需的變化量，通過LD控制器改變激光器芯片輸入電流，改變輸出波長。循環(huán)執(zhí)行這一過程，最終使波長偏差小于閾值，達(dá)到波長鎖定目的。

波長鎖定算法流程圖如圖6所示，其中λlock為鎖定波長點(diǎn)，λpeak（1，i）為標(biāo)準(zhǔn)具1的某一峰值波長，P1為波長λlock的光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具1的功率，P2為波長λlock的光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具2的功率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照圖5搭建外腔型可調(diào)諧激光器波長鎖定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展波長鎖定實(shí)驗(yàn)。利用波長計(jì)對波長進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，控制步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)節(jié)腔體內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)位置，使輸出光波長為1550.528nm，該波長為標(biāo)準(zhǔn)具2的峰值波長點(diǎn)，關(guān)閉波長鎖定系統(tǒng)，每隔1分鐘記錄波長計(jì)顯示的波長值，記錄下51個(gè)波長數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，輸出波長隨時(shí)間變化產(chǎn)生周期性漂移，波長變化達(dá)20pm以上，如圖7所示。然后開啟波長鎖定系統(tǒng)，將波長調(diào)至1550.528nm，同樣每隔1分鐘記錄一次波長值，共記錄51個(gè)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，波長變化幅度小于2pm，如圖8所示。

3 結(jié)束語

針對可調(diào)諧激光器的波長鎖定問題，本文提出了一種基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長鎖定方法，并利用Littman結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光器波長范圍內(nèi)任意波長點(diǎn)鎖定，鎖定精度2pm以內(nèi)。

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