專利名稱：半導(dǎo)體激光器全光纖穩(wěn)頻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于光纖和光纖器件的半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻系統(tǒng)，主要是使用基于光 纖環(huán)形腔透射光場變化的Pound-Drever-Hall穩(wěn)頻技術(shù)，并結(jié)合參考干涉儀來監(jiān)控激光器 的頻率掃描，來達(dá)到穩(wěn)頻的目的。該技術(shù)主要是用于高精度激光干涉測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來利用激光的干涉特性來進(jìn)行高精度絕對(duì)距離測量成為研究的熱點(diǎn)，其中最 常見的就是頻率掃描干涉法(FSI)和頻率調(diào)制連續(xù)波法(FMCW)。其中頻率掃描法利用激 光頻率連續(xù)掃描所形成的干涉條紋的相位變化來完成激光測距，為了消除相位的模2Ji特 性，激光頻率掃描過程必須保證無模跳的連續(xù)掃描。而頻率調(diào)制連續(xù)波法是使用激光頻率 連續(xù)掃描經(jīng)過不同長度的光路后形成的拍頻信號(hào)頻率來完成激光測距的過程。不論是FSI 和FMCW都需要精確的將激光頻率掃描兩端的范圍穩(wěn)定在一個(gè)固定值，才能保證測量的精 度。 目前已有的激光穩(wěn)頻方法有以增益曲線作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定激光頻率，但很難達(dá)到 很高的穩(wěn)定度；利用塞曼效應(yīng)或斯塔克效應(yīng)穩(wěn)定激光頻率，穩(wěn)定度可以達(dá)到10—9;利用 原子分子吸收譜線穩(wěn)定激光頻率，頻率穩(wěn)定度高達(dá)10—13 □ 10—14，但是譜線的覆蓋范圍有 限，很難找到兩個(gè)合適的譜線用于穩(wěn)定頻率掃描的兩個(gè)端點(diǎn)；利用邊帶鎖頻技術(shù)鎖頻，以 Fabry-Perot諧振腔作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，優(yōu)點(diǎn)是不受波段的限制，而且Fabry-Perot諧振腔可以 做到很高的精細(xì)度，缺點(diǎn)就是Fabry-Perot諧振腔必須放到真空容器中以減少溫度、聲音、 及震動(dòng)帶來的影響，這就使它重量較大，使用成本很高，而且真空容器效果容易隨著時(shí)間的 延長而下降；另外Fabry-Perot諧振腔對(duì)震動(dòng)非常敏感，而衛(wèi)星在發(fā)射過程中要經(jīng)受巨大 的震動(dòng)和加速度，這些情況都影響了 Fabry-Perot諧振腔的精度。 光纖環(huán)形腔的工作特性與Fabry-Perot諧振腔非常相似，目前在通信領(lǐng)域，光纖 環(huán)形腔被廣泛的用來做W匿系統(tǒng)的濾波器，而且它的自由譜范圍可以調(diào)整，為了彌補(bǔ)損耗， 還出現(xiàn)了有源光纖環(huán)形腔。隨著加工工藝的不斷提高，光纖環(huán)形腔的線寬可以做的很窄，早 在1988年，我國清華大學(xué)就制作出了精細(xì)度高達(dá)1260、線寬達(dá)到270kHz的無源光纖環(huán)形 腔。隨著光纖環(huán)形腔的精細(xì)度不斷提高，其濾波特性越來越好，應(yīng)用也日趨廣泛。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的半導(dǎo)體激光器全光纖穩(wěn)頻系統(tǒng)使用的光源是頻率可調(diào)無模跳的外 腔半導(dǎo)體激光器，參考干涉儀用于監(jiān)測激光的頻率變化，對(duì)激光器的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，當(dāng) 激光接近光纖環(huán)形腔的諧振腔時(shí)，啟動(dòng)Pound-Drever-Hall系統(tǒng)，利用光纖環(huán)形腔的透射 信號(hào)將激光頻率的兩端穩(wěn)定在腔的兩個(gè)諧振頻率。本發(fā)明是對(duì)傳統(tǒng)激光穩(wěn)頻技術(shù)的改進(jìn)， 并首次將光纖環(huán)形腔用于激光穩(wěn)頻技術(shù)。
在本發(fā)明中，系統(tǒng)各個(gè)部分說明如下 (1)光源系統(tǒng)激光器采用頻率可調(diào)外腔半導(dǎo)體激光器，可以通過壓電和電流輸入控制其激光輸出頻率。激光從激光器的尾纖輸出后進(jìn)入一個(gè)1X2定向保偏光纖耦合器 分成兩束激光，其中一束進(jìn)入?yún)⒖几缮鎯x，另外一束進(jìn)入光纖環(huán)形腔。如果激光的輸出并不 是光纖輸出，則需要將激光束進(jìn)行整形并經(jīng)過耦合器耦合進(jìn)入保偏光纖以連接到后面的穩(wěn) 頻系統(tǒng)。
(2)參考干涉儀參考干涉儀用于監(jiān)視激光頻率的變化，并幫助尋找頻率的諧振
點(diǎn)，以配合光纖環(huán)形腔鎖定激光頻率。它由一個(gè)非平衡的全光纖Mach-Zehnder干涉儀組
成，它有兩條不等長的光纖干涉臂，其輸出光強(qiáng)的相位變化經(jīng)過解纏后可以計(jì)算出激光頻
率的變化。且兩條光纖干涉臂的光程差越大，激光頻率變化的監(jiān)測精度越高。 (3)高精細(xì)度光纖環(huán)形腔頻率鎖定本方法采用Pound-Drever-Hall方法將激光
器的頻率穩(wěn)定在高精細(xì)度光纖環(huán)形腔的諧振頻率，該部分主要由電光調(diào)制器、高精細(xì)度光
纖環(huán)形腔及溫度穩(wěn)定設(shè)備、PDH板卡、放大器、LC震蕩電路以及探測器組成。 (4)數(shù)據(jù)采集處理和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理和控制系統(tǒng)主要是將參考干涉儀和
PDH得到的信號(hào)進(jìn)行采集處理后形成反饋信號(hào)對(duì)激光器的頻率掃描進(jìn)行控制，該部分主要
由高性能的DSP系統(tǒng)來完成。 (5)系統(tǒng)中光器件的連接均采用單模保偏光纖，以保證激光的偏振特性。 本發(fā)明的主要特色使用光纖參考干涉儀和光纖環(huán)形腔來控制激光器穩(wěn)頻，系統(tǒng)
更加小巧輕便，增強(qiáng)了抗干擾能力。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)均采用光纖器件，所有的光器件連接均使
用單模保偏光纖，降低了系統(tǒng)的損耗，使系統(tǒng)的集成更加方便簡單和穩(wěn)定。
本發(fā)明的效益與應(yīng)用前景本發(fā)明通過對(duì)半導(dǎo)體激光器全光纖穩(wěn)頻系統(tǒng)的研究，
為激光掃頻、穩(wěn)頻提供了一種新的有效方法，可應(yīng)用于以下領(lǐng)域(l)激光頻率掃描干涉測
量及其他傳感器領(lǐng)域(2)超窄線段單頻激光器的研制；(3)光通信、激光頻率標(biāo)定、激光雷
達(dá)等對(duì)激光雷達(dá)頻率穩(wěn)定要求較高的領(lǐng)域。
圖1為半導(dǎo)體激光器全光纖穩(wěn)頻系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為半導(dǎo)體激光器全光纖穩(wěn)頻系統(tǒng)框圖，頻率可調(diào)外腔半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)出 的激光首先經(jīng)過1X2定向保偏光纖耦合器(9-1)將激光分成兩束。其中一束進(jìn)入光纖參考 干涉儀(7)，用來監(jiān)視激光頻率的變化，它先將激光由3dB的1 X 2定向保偏光纖耦合器分成 兩束，然后經(jīng)過兩條不同長度的單模保偏光纖后進(jìn)入3dB的2X2定向保偏光纖耦合器進(jìn)行 干涉輸出后形成的兩束光強(qiáng)分別為:P工=P0{l-cOS[(Hv)+X]}、P2 = P0{l+COS[(Hv)+X]}， 由光電探測器(5-1)和(5-2)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后進(jìn)入DSP(4)進(jìn)行相位解纏處理計(jì)算出激光 頻率的變化，并由DSP(4)輸出信號(hào)控制激光器(1)的壓電陶瓷控制激光頻率掃描。光纖耦 合器(9-1)輸出的另外一束激光進(jìn)入頻率鎖定部分，光通過電光調(diào)制器(2)利用PDH(3)把 激光掃描頻率穩(wěn)定于光纖環(huán)形腔(6)的諧振頻率，其中光纖環(huán)形腔(6)的輸出透射信號(hào)經(jīng) 過1X2定向保偏光纖耦合器分成兩束，一束經(jīng)過光電探測器(5-4)后進(jìn)入PDH(3)形成穩(wěn) 頻控制信號(hào)，另外一束經(jīng)過光電探測器(5-3)后直接進(jìn)入DSP作為閥值信號(hào)，來尋找光纖環(huán) 形腔的諧振頻率。由PDH(3)輸出的穩(wěn)頻控制信號(hào)一部分通過DSP(4)形成電壓控制信號(hào)，經(jīng)過激光器(1)的壓電陶瓷進(jìn)行低頻率的穩(wěn)頻控制；另外一部分經(jīng)過模擬電路直接轉(zhuǎn)換為 電流控制信號(hào)進(jìn)入激光器(1)的電流控制輸入作為高頻率的穩(wěn)頻控制。通過上述過程，激 光器(1)的輸出頻率將鎖定到光纖環(huán)形腔(6)的諧振頻率。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體激光器全光纖穩(wěn)頻系統(tǒng)，其特征在于所述的半導(dǎo)體激光器全光纖穩(wěn)頻系統(tǒng)包括頻率掃描半導(dǎo)體激光器、全光纖參考干涉儀、高精細(xì)度光纖環(huán)形腔以及數(shù)據(jù)采集處理和控制系統(tǒng)；所述的無模跳頻率掃描半導(dǎo)體激光器進(jìn)行頻率掃描，發(fā)射出的激光經(jīng)過1×2定向保偏光纖耦合器分成兩束；其中一束激光經(jīng)過所述的全光纖參考干涉儀，通過對(duì)輸出干涉光強(qiáng)度的相位進(jìn)行連續(xù)解纏來監(jiān)測激光頻率的變化；另外一束激光進(jìn)入所述的光纖環(huán)形腔，在全光纖參考干涉儀的檢測下，當(dāng)激光頻率接近光纖環(huán)形腔的諧振頻率時(shí)，使用反饋方法將激光器的頻率穩(wěn)定于光纖環(huán)形腔的諧振頻率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l，頻率掃描半導(dǎo)體激光器采用無模跳的頻率可調(diào)外腔半導(dǎo)體激光 器，其特征在于該類型激光器具有很大的無模跳頻率掃描范圍，可以在衍射光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)下 實(shí)現(xiàn)幾十甚至上百GHz的頻率調(diào)節(jié)，可以通過壓電和電流輸入控制其激光輸出頻率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l，全光纖參考干涉儀用來監(jiān)測激光的頻率變化，由非平衡 Mach-Zehnder光纖干涉儀組成，其特征在于將激光經(jīng)過3dB的1 X 2定向保偏光纖耦合器 分成兩束激光，分別經(jīng)過長度不同的單模保偏光纖后進(jìn)入一個(gè)3dB的2 X 2定向保偏光纖耦 合器進(jìn)行干涉后得到兩束輸出光信號(hào)；其中兩根單模保偏光纖的長度差已經(jīng)精確測出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l，高精細(xì)度光纖環(huán)形腔用來將激光器的頻率穩(wěn)定其諧振頻率處，其 特征在于高精細(xì)度光纖環(huán)形腔由一個(gè)2X2定向保偏光纖耦合器和一定長度的單模保偏 光纖組成；單模保偏光纖從2X2定向保偏光纖耦合器的一個(gè)輸出端連接到一個(gè)輸入端，組 成光纖環(huán)形腔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4，所述的高精細(xì)度光纖環(huán)形腔的2 X 2定向保偏光纖耦合器其特征在 于具有極低的損耗和很高的耦合系數(shù)來降低光纖環(huán)形腔的線寬。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l，使用反饋方法將激光器的頻率穩(wěn)定于高精細(xì)度光纖環(huán)形腔的諧振 頻率，其特征在于使用Pound-Drever-Hall方法得到反饋信號(hào)輸入到頻率掃描半導(dǎo)體激 光器將激光頻率穩(wěn)定在高精細(xì)度光纖環(huán)形腔的諧振頻率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6，所述Pound-Drever-Hall方法其特征在于使用振蕩器、電混頻器、 可調(diào)相移器、低通濾波器及放大器對(duì)光纖環(huán)形腔的出射信號(hào)進(jìn)行處理，得到反饋信號(hào)輸入 到外腔可調(diào)半導(dǎo)體激光器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l，數(shù)據(jù)采集處理和控制系統(tǒng)使用DSP來實(shí)現(xiàn)，其特征在于對(duì)來自于 全光纖參考干涉儀和高精細(xì)度光纖環(huán)形腔的信號(hào)進(jìn)行處理后形成反饋信號(hào)，經(jīng)過PID控制 激光器的壓電和電流輸入，使激光器的頻率穩(wěn)定于高精細(xì)度光纖環(huán)形腔的諧振頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體激光器全光纖穩(wěn)頻系統(tǒng)，屬于激光掃頻干涉測量領(lǐng)域。該穩(wěn)頻系統(tǒng)由無模跳頻率掃描半導(dǎo)體激光器、全光纖參考干涉儀、高精細(xì)度光纖環(huán)形腔以及數(shù)據(jù)采集處理和控制系統(tǒng)組成。在本發(fā)明中，使用全光纖參考干涉儀監(jiān)測外腔半導(dǎo)體激光器的頻率變化，當(dāng)激光頻率掃描到光纖環(huán)形腔的諧振頻率附近使用反饋方法將激光器的頻率穩(wěn)定到光纖環(huán)形腔的諧振頻率。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、精度高、穩(wěn)定程度好的優(yōu)點(diǎn)，適用于激光掃頻干涉測量系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101694921SQ200910236119
公開日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者江月松, 鄧士光 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué);