基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)計(jì)等搭建了一套波長(zhǎng)鎖定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將激光器調(diào)至波長(zhǎng)范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)，分別在關(guān)閉和開啟波長(zhǎng)鎖定的兩種情況下記錄波長(zhǎng)變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該波長(zhǎng)鎖定方法能顯著提高Littman結(jié)構(gòu)可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定性。

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

中圖分類號(hào)：TN248? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(cè)試儀器，廣泛應(yīng)用于高速光通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、光纖傳感等領(lǐng)域的設(shè)備研制、試驗(yàn)與生產(chǎn)測(cè)試。波長(zhǎng)穩(wěn)定性是可調(diào)諧激光器的重要技術(shù)指標(biāo)，波長(zhǎng)鎖定是實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)穩(wěn)定性的重要技術(shù)手段，研究波長(zhǎng)鎖定具有重要意義。

波長(zhǎng)鎖定的功能是提供實(shí)時(shí)的波長(zhǎng)誤差信號(hào)，并提供反饋信號(hào)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)，保證激光器輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定，目前對(duì)波長(zhǎng)鎖定的研究較多，論文[1]介紹了一種多普勒吸收光譜波長(zhǎng)鎖定方法，在特定波長(zhǎng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了0.0006nm的波長(zhǎng)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(zhǎng)鎖定系統(tǒng)，論文[4-5]介紹了基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)鎖定。其中基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)鎖定占用空間小、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)波長(zhǎng)范圍的波長(zhǎng)鎖定，但是當(dāng)波長(zhǎng)處于F-P標(biāo)準(zhǔn)具峰值點(diǎn)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)鎖定，而可調(diào)諧激光器要求波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，需要實(shí)現(xiàn)其波長(zhǎng)范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)點(diǎn)的鎖定，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出了基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)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(guò)外腔半導(dǎo)體芯片的端面進(jìn)行反射，通過(guò)反射鏡產(chǎn)生外腔震蕩。采用光柵作為濾波器件，通過(guò)光柵衍射進(jìn)行濾波，產(chǎn)生單波長(zhǎng)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(jí)衍射光輸出，作為激光輸出，或者用于信號(hào)檢測(cè);一級(jí)衍射光和光柵法線的夾角為θλ，一級(jí)衍射光通過(guò)反射鏡M1反射，反射光通過(guò)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(guò)零級(jí)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(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，形成單頻的激光輸出。

1.2 基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)鎖定原理

首先介紹基于單F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)鎖定原理，圖3為其示意圖，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為功率，曲線為不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具后的功率曲線，λlock為可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)范圍內(nèi)的某一波長(zhǎng)點(diǎn)，P為波長(zhǎng)λlock的光經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具的功率，當(dāng)可調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)由于環(huán)境溫度改變等原因而偏離λlock時(shí)，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具的光功率會(huì)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(zhǎng)偏差，進(jìn)而計(jì)算出激光器芯片的補(bǔ)償電流值對(duì)激光器波長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到波長(zhǎng)鎖定的目的。

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

基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)點(diǎn)，P1為波長(zhǎng)λlock的光經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具1的功率，P2為波長(zhǎng)λlock的光經(jīng)過(guò)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(zhǎng)點(diǎn)附近，此時(shí)，可以利用標(biāo)準(zhǔn)具1實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)鎖定。同理，當(dāng)λlock處于標(biāo)準(zhǔn)具1的峰值波長(zhǎng)點(diǎn)附近時(shí)，可利用標(biāo)準(zhǔn)具2實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(zhǎng)為1550 nm，允許通過(guò)的最大電流為500 mA），驅(qū)動(dòng)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(dòng)腔體中的反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)。由于該腔體沒有溫控功能，因此波長(zhǎng)會(huì)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(zhǎng)-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(dòng)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(zhǎng)，輸出光通過(guò)耦合器1分為兩路，一路進(jìn)入波長(zhǎng)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(guò)采集卡獲取ADC1和ADC2的信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)用波長(zhǎng)偏差計(jì)算算法得到當(dāng)前的波長(zhǎng)偏差，進(jìn)而計(jì)算出激光器驅(qū)動(dòng)電流所需的變化量，通過(guò)LD控制器改變激光器芯片輸入電流，改變輸出波長(zhǎng)。循環(huán)執(zhí)行這一過(guò)程，最終使波長(zhǎng)偏差小于閾值，達(dá)到波長(zhǎng)鎖定目的。

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

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照?qǐng)D5搭建外腔型可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)鎖定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展波長(zhǎng)鎖定實(shí)驗(yàn)。利用波長(zhǎng)計(jì)對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(zhǎng)為1550.528nm，該波長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)具2的峰值波長(zhǎng)點(diǎn)，關(guān)閉波長(zhǎng)鎖定系統(tǒng)，每隔1分鐘記錄波長(zhǎng)計(jì)顯示的波長(zhǎng)值，記錄下51個(gè)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，輸出波長(zhǎng)隨時(shí)間變化產(chǎn)生周期性漂移，波長(zhǎng)變化達(dá)20pm以上，如圖7所示。然后開啟波長(zhǎng)鎖定系統(tǒng)，將波長(zhǎng)調(diào)至1550.528nm，同樣每隔1分鐘記錄一次波長(zhǎng)值，共記錄51個(gè)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，波長(zhǎng)變化幅度小于2pm，如圖8所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)鎖定問(wèn)題，本文提出了一種基于雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)點(diǎn)鎖定，鎖定精度2pm以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳大勇，廉吉慶，翟浩.CPT原子鐘VCSEL波長(zhǎng)鎖定環(huán)路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2017，51（06）：1140-1144.

[2]葉楠，姜震宇，劉揚(yáng)，等.可調(diào)諧DBR激光器波長(zhǎng)鎖定光路系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2011，32（04）：580-584.

[3]葉楠，劉洋趙，玲娟，等.可調(diào)諧三段式DBR激光器波長(zhǎng)鎖定系統(tǒng)[J].光電器件，2011，32（05）：618-620.

[4]林屹.可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)檢測(cè)與控制的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2015：14-18.

[5]楊興，高飛，陳海清，等.基于法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)鎖定的可調(diào)諧激光器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].光學(xué)與光電技術(shù)，

2016，14（05）：29-33.