一种半导体激光器的无调制稳频方法和装置与流程

本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种半导体激光器的无调制稳频方法和装置。

背景技术：

半导体激光器因具有体积小、线宽窄、波长可调谐等优点而被广泛应用于光通信、lidar、激光器气体分析、原子钟等领域。以半导体dfb激光器为例，其线宽普遍可以做到1mhz左右，但是受制于tec控制温度和ld驱动电流(或驱动电压)的控制精度，以及环境热效应、振动等外部影响，频率漂移导致激光频率的长时间稳定性较差，无法满足精密测量应用的要求。为了提高半导体激光器频率稳定性，需要为激光器搭配主动稳频装置，即选择一个稳定的参考标准频率为基准，如原子或分子的特征吸收峰、法布里-珀罗谐振峰等，探测激光频率与基准频率之间的相对偏移，产生误差信号，通过反馈电路去调节ld的驱动电流(或驱动电压)，使其锁定回到标准频率上。

常用的激光稳频方法是差分锁频技术和锁相稳频技术。差分锁频技术中，将激光频率锁定在基准频率的斜坡上，将频率改变量转化为强度改变量，利用探测器记录频率相关的强度变化并与基准电压信号比较，进而锁定频率，该方法结构简单，但是由于探测信号具有正弦对称性，即无法区分探测信号与基准点的相对位置，必然影响锁频的准确度，此外，若激光频率位于正弦信号的极大值或极小值附近，其对应的光强-频率曲线的斜率较小，对锁频的效果也有比较大的影响。锁相稳频技术中，将激光频率无漂移锁定在基准频率的峰值点上，通过在探测光信号上加入一个电调制信号，可以准确判定激光频率与基准源频率的峰值点的相对位置，进而实现很好的稳频效果，可以有效克服差分锁频技术中存在的上述问题，但是其电调制系统的结构比较复杂，更适用于固定频率点的稳频，对于需要对激光频率进行一定范围的扫描的情况，则必须采用外置法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德干涉仪等来精密调节基准频率的峰值位置，使其与设定频率一致后才可用于锁频，这会进一步增大系统的复杂程度，同时额外引入的精密控制元件，如pzt等价格较高，不利于应用推广。

近年来，人们在无调制技术方面进行了广泛的研究，也提出了多种解决方案，其中比较突出的技术有：基于塞曼效应锁频和利用光的正交偏振特性来实现锁频等，前者需要外加磁场，而后者的光路结构复杂且对环境十分敏感。因此，有必要研制出一种用于半导体激光器的结构简单且无调制的精确稳频方案。

技术实现要素：

本发明提供一种半导体激光器的无调制稳频方法和装置，技术方案如下：

一种半导体激光器的无调制稳频装置，包括：半导体激光器、光学鉴频装置、鉴频信号处理单元、激光器综合控制微处理单元以及驱动电路；

其中，半导体激光器作为光源，可根据所述驱动电路提供的驱动电流或驱动电压信号产生激光；

光学鉴频装置用于对半导体激光器的光束进行分束和检测，以得到鉴频所需的各分束的光信号所对应的电信号；

鉴频信号处理单元用于对光学鉴频装置检测到的电信号进行处理，以产生稳频控制所需的误差信号；

激光器综合控制微处理单元用于接收鉴频信号处理电路产生的误差信号，并将其转化为对驱动电路的调节信号；

驱动电路用于根据上述调节信号输出作为半导体激光器的控制信号的驱动电流或驱动电压，从而控制半导体激光器工作。

进一步地，所述激光器综合控制微处理单元还可以用于设定半导体激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，根据所述设定值生成校正信号；鉴频信号处理单元将光学鉴频装置检测到的电信号进行标准化处理后与该校正信号进行比较运算，产生上述误差信号。

进一步地，所述半导体激光器的无调制稳频装置实现稳频的闭环控制过程为：光学鉴频装置对半导体激光器的光束进行分束处理，并检测各分束的激光波长或频率；激光器综合控制微处理单元根据设定的所述目标值产生校正信号；鉴频信号处理单元对各分束的激光波长或频率进行处理后与该校正信号进行比较，生成误差信号，并将该误差信号反馈回激光器综合控制微处理单元，激光器综合控制微处理单元将该误差信号转化为调节信号以对半导体激光器的驱动电流或驱动电压进行控制，从而实现对半导体激光器工作波长或工作频率的闭环控制。

进一步地，所述光学鉴频装置采用双路鉴频结构，包括：一分三耦合器、第一光学鉴频元件、第二光学鉴频元件、第一探测器、第二探测器和第三探测器；来自半导体激光器的一束激光束经过一分三耦合器分为三束子光束，即第一光束a、第二光束b和第三光束c，第一光束a经过第一光学鉴频元件进入第一探测器生成第一信号a1，第一光学鉴频元件对第一光束a产生相位延迟θ1，第一探测器将经过第一光学鉴频元件透射后的光信号转化为电信号；第二光束b经过第二光学鉴频元件进入第二探测器生成第二信号a2，第二光学鉴频元件对第二光束b产生相位延迟θ2且产生的相位延迟满足θ2＝2θ1，第二探测器将经过第二光学鉴频元件透射后的光信号转化为电信号；第三光束c直接进入第三探测器生成第三信号a3，第三探测器将第三光束c转化为电信号。

进一步地，激光器综合控制微处理单元包括校正信号产生电路和pid控制模块，其中校正信号产生电路根据所述设定的目标值，根据第一光学鉴频元件和第二光学鉴频元件的透射函数，以及二倍角函数关系构成的算法生成校正信号；所述pid控制模块将鉴频信号处理电路产生的误差信号转化为激光驱动电流或驱动电压的调节信号，对半导体激光器的驱动电流或驱动电压进行微调。

进一步地，所述鉴频信号处理单元包括标准化处理单元和误差信号生成电路，标准化处理单元包括第一可调运算放大电路、第二可调运算放大电路、第一信号标准化模块和第二信号标准化模块，误差信号生成电路包括偏移分析模块；第三信号a3分为两路，一路经过第一可调运算放大电路处理后与第一信号a1一同输入到第一信号标准化模块进行标准化处理，得到第一标准信号n1；另一路经过第二调运算放大电路处理后与第二信号a2一同输入到第二信号标准化模块进行标准化处理，得到第二标准信号n2，通过将第一信号a1和第二信号a2分别转化为第一标准信号n1和第二标准信号n2；第一标准信号n1和第二标准信号n2与由激光器综合控制微处理单元根据所述设定目标值生成的校正信号一同送入偏移分析模块进行比较运算，根据二倍角函数关系，生成误差信号。

进一步地，第一光学鉴频元件和第二光学鉴频元件均为法布里-珀罗标准具；或者第一光学鉴频元件和第二光学鉴频元件均由光纤环形腔构成。

进一步地，半导体激光器可以为dfb激光器或dbr激光器。

本发明还提出了一种半导体激光器的无调制稳频方法，包括如下步骤：

步骤1：将半导体激光器发出的一束激光分为三束空间上相互分离的子光束，即第一光束a、第二光束b和第三光束c；

步骤2：第一光束a透过第一光学鉴频元件，第二光束b透过第二光学鉴频元件，探测第一光束a透过第一光学鉴频元件的光信号强度a1，探测第二光束b透过第二光学鉴频元件的光信号强度a2，直接探测第三光束c的光信号强度a3；

步骤3：对光信号强度a1、光信号强度a2和光信号强度a3进行处理后，根据设定的目标工作波长值或目标工作频率值生成的校正信号产生用于稳频的误差信号；

步骤4：根据该误差信号调节半导体激光器的工作波长或工作频率，实现稳频闭环控制。

进一步地，该方法通过如前所述的装置实现。

本发明的有益效果：

1.本发明基于法布里-珀罗标准具等一系列具有相似传输特性的相干光学元件，利用其透射信号具有类似正弦函数分布特性，且透射信号的周期特性完全由光束经过相干光学元件传输后引入的相位延迟θ决定等特点，提出了半导体激光器的无调制稳频方案。由于此类相干光学元件可其将频率的微小改变量转化为光强度变化，通过构造两个相位延迟满足θ2＝2θ1的相干光学元件为核心的双路光学鉴频单元，即控制两个鉴频单元的光学长度满足l2＝2l1，来准确定位激光频率与谐振峰的相对位置。通过将标准化处理后的两组鉴频信号，与根据二倍函数角关系生成的激光稳频工作点对应的校正信号进行比较，生成误差信号，经由pid控制反馈调节激光驱动电流或驱动电压，实现稳频控制。本发明解决了现有可调谐激光器的稳频采用锁相稳频时控制系统复杂的问题，并且光路结构简单，抗干扰能力强。

2.本发明采用无调制方法，并且锁定在谐振峰的斜边上，因此无需外加元件调节谐振峰位置，只需根据设定频率由激光器综合控制芯片或计算机生成校正信号，电路结构简单，成本较低，有利于应用推广。

3.本发明通过闭环稳频控制，可以对热效应、机械振动等可能影响激光光源输出频率特性的因素进行补偿。

附图说明

图1是本发明提出的稳频装置的闭环控制示意图；

图2是本发明提出的双路光学鉴频的结构示意图；

图3是本发明提出的稳频装置中鉴频信号处理单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

本发明提出的一种半导体激光器的无调制稳频装置，如图1所示，其中半导体激光器以dfb激光器为例进行说明，但本领域技术人员知晓，半导体激光器并不限于dfb激光器，例如还可以是dbr(distributedbraggreflector，分布式布拉格反射)激光器等。

dfb激光器的无调制稳频装置包括：光学鉴频装置3005、鉴频信号处理单元3002、激光器综合控制微处理单元3001、微调激光器3003和dfb激光器3004。光学鉴频装置3005用于对dfb激光器3004的光束进行分束和检测，以得到鉴频所需的各分束的光信号所对应的电信号；鉴频信号处理单元3002用于对光学鉴频装置3005检测到的电信号进行处理，以产生稳频控制所需的误差信号；激光器综合控制微处理单元3001用于接收鉴频信号处理电路3002产生的误差信号，并将其转化为对驱动电路3003的调节信号；驱动电路3003用于根据上述调节信号产生并输出驱动电流或驱动电压，驱动dfb激光器3004工作；dfb激光器3004作为光源，可根据驱动电路3003提供的驱动电流或驱动电压信号产生一定波长或频率的激光。

其中，激光器综合控制微处理单元3001还可以用于设定激光器的目标工作波长值或目标工作频率值，根据设定的目标值利用内置算法生成鉴频信号处理所需的校正信号，鉴频信号处理单元3002将光学鉴频装置3005检测到的电信号进行处理后，与该校正信号进行比较运算后，产生上述误差信号，激光器综合控制微处理单元3001将该误差信号转换为所述调节信号，驱动电路3003根据该调节信号产生并输出驱动电流或驱动电压，激励dfb激光器3004工作。经过多次反馈调节后，使dfb激光器3004工作在设定的目标工作波长或目标工作频率下，实现对dfb激光器的稳频控制。

以频率反馈控制为例，所述dfb激光器的无调制稳频装置实现稳频的闭环控制过程为：光学鉴频装置3005对dfb激光器3004的光束进行分束处理，并检测各分束的激光频率；激光器综合控制微处理单元3001根据外部设定的激光目标工作频率产生校正信号；鉴频信号处理单元3002对各分束的激光频率进行处理后与该校正信号进行比较，生成误差信号，并将该误差信号反馈回激光器综合控制微处理单元3001，激光器综合控制微处理单元3001将该误差信号转化为对dfb激光器3004的驱动电流或驱动电压进行控制的调节信号，dfb激光器3004在dfb激光器3004的驱动电流或驱动电压的驱动下工作，从而实现对dfb激光器工作频率的闭环控制。经过多次反馈调节后，使dfb激光器3004工作在设定的目标工作频率下，实现对dfb激光器的稳频控制。

以波长反馈控制为例，所述dfb激光器的无调制稳频装置实现稳频的闭环控制过程为：光学鉴频装置3005对dfb激光器3004的光束进行分束处理，并检测各分束的激光波长；激光器综合控制微处理单元3001根据外部设定的激光目标工作波长产生校正信号；鉴频信号处理单元3002对各分束的激光波长进行处理后与该校正信号进行比较，生成误差信号，并将该误差信号反馈回激光器综合控制微处理单元3001，激光器综合控制微处理单元3001将该误差信号转化为对dfb激光器3004的驱动电流或驱动电压进行控制的调节信号，dfb激光器3004在dfb激光器3004的驱动电流或驱动电压的驱动下工作，从而实现对dfb激光器工作波长的闭环控制。经过多次反馈调节后，使dfb激光器3004工作在设定的目标工作波长下，实现对dfb激光器的稳频控制。

所述光学鉴频装置3005采用双路鉴频结构，如图2所示，包括：一分三耦合器1002、第一光学鉴频元件1003、第二光学鉴频元件1004、第一探测器1005、第二探测器1006和第三探测器1007。来自dfb激光器3004的一束激光束1001经过一分三耦合器1002分为三束子光束，即第一光束a、第二光束b和第三光束c，第一光束a经过第一光学鉴频元件1003进入第一探测器1005生成第一信号a1，第一光学鉴频元件1003对第一光束a产生相位延迟且产生的相位延迟满足θ2＝2θ1，其中θ1为第一光束a经过第一光学鉴频元件1003产生的相位延迟，θ2为第二光束a2经过第二光学鉴频元件1004的相位延迟；第一探测器1005将经过第一光学鉴频元件1003透射后的光信号转化为电信号；第二光束b经过第二光学鉴频元件1004进入第二探测器1006生成第二信号a2，第二光学鉴频元件1004对第二光束b产生相位延迟且产生的相位延迟满足θ2＝2θ1，第二探测器1006将经过第二光学鉴频元件1004透射后的光信号转化为电信号；第三光束c直接进入第三探测器1007生成第三信号a3，第三探测器1007将第三光束c转化为电信号。

第一探测器1005、第二探测器1006和第三探测器1007可以为光敏探测器。

激光器综合控制微处理单元3001包括校正信号产生电路和pid(比例-积分-微分)控制模块，其中校正信号产生电路根据dfb激光器3004的设定目标工作波长或目标工作频率，以及根据第一光学鉴频元件1003和第二光学鉴频元件1004的透射函数，以及二倍角函数关系构成的算法生成校正信号；所述pid控制模块将鉴频信号处理电路3002产生的误差信号转化为对dfb激光器驱动电流或驱动电压的调节信号，对dbf激光器的驱动电流或驱动电压进行微调。

所述鉴频信号处理单元3002包括标准化处理单元和误差信号生成电路，如图3所示，标准化处理单元包括第一可调运算放大电路2001、第二可调运算放大电路2002、第一信号标准化模块2003和第二信号标准化模块2004，误差信号生成电路包括偏移分析模块2005。第三信号a3分为两路，一路经过第一可调运算放大电路2001处理后与第一信号a1一同输入到第一信号标准化模块2003进行标准化处理，得到第一标准信号n1；另一路经过第二调运算放大电路2002处理后与第二信号a2一同输入到第二信号标准化模块2004进行标准化处理，得到第二标准信号n2，通过将第一信号a1和第二信号a2分别转化为第一标准信号n1和第二标准信号n2，从而有利于消除激光功率抖动对探测的影响；第一标准信号n1和第二标准信号n2与由激光器综合控制微处理单元3001根据外部设定的激光目标工作波长或目标工作频率生成的校正信号一同送入偏移分析模块2005进行比较运算，根据二倍角函数关系，生成误差信号。

其中第一光学鉴频元件和第二光学鉴频元件具有相似传输特性的相干光学元件，其特征为透射信号具有类似正弦函数分布特性，且透射信号的周期特性完全由光束经过相干光学元件传输后引入的相位延迟θ决定。所述相干光学元件所引入的相位延迟通过调节相干光学元件的光学长度实现，即第一光学鉴频元件1003所引入的相位延迟通过调节第一光学鉴频元件1003的光学长度来实现，第二光学鉴频元件1004所引入的相位延迟通过调节第二光学鉴频元件1004的光学长度来实现；依据选择的光学鉴频元件的材质和结构特性，具体可以为物理长度、折射率或者入射角度的改变；标准化处理是指，根据第一光束a、第二光束b和第三光束c的强度关系和对应探测器的光电耦合效率设计可调运算放大电路，利用第三信号a3将第一信号a1和第二信号a2转化为与强度无关的第一标准信号n1和第二标准信号n2；校正信号则是由激光器综合控制微处理单元3001根据dfb激光器3004的设定工作波长或工作频率，根据第一光学鉴频元件1003和第二光学鉴频元件1004的透射函数，以及二倍角函数关系构成的算法预先生成，是与dfb激光器的测量波长或频率无关的稳定电子信号，其误差只取决与算法的计算精度。

本发明还提出了一种半导体激光器的无调制稳频方法，包括如下步骤：

步骤1：将半导体激光器发出的一束激光分为三束空间上相互分离的子光束，即第一光束a、第二光束b和第三光束c；

步骤2：第一光束a透过第一光学鉴频元件，第二光束b透过第二光学鉴频元件，探测第一光束a透过第一光学鉴频元件的光信号强度a1，探测第二光束b透过第二光学鉴频元件的光信号强度a2，直接探测第三光束c的光信号强度a3；

步骤3：对光信号强度a1、光信号强度a2和光信号强度a3进行处理后，根据设定的目标工作波长值或目标工作频率值生成的校正信号产生用于稳频的误差信号；

步骤4：根据该误差信号调节半导体激光器的工作波长或工作频率，实现稳频闭环控制。

由于dfb激光器内部有光栅，可以通过控温，进而调节工作波长，实现调谐输出。因此针对dfb激光器，其无调制稳频方法的具体步骤还可以为：

步骤1：通过激光器综合控制微处理器单元3001控制驱动电路3003打开dfb激光器3004，并调节dfb激光器3004的驱动电流或驱动电压，使得dfb激光器3004的输出功率达到目标功率；

步骤2：输入dfb激光器3004的目标工作波长值或目标工作频率值，激光器综合控制微处理器单元3001根据dfb激光器内置tec(thermoelectriccooler，半导体致冷器)控制曲线算法，调节并监控tec的驱动电流或驱动电压来改变dfb激光器3004内的芯片的工作温度，进而改变芯片内置光栅的bragg波长，使得dfb激光器3004在一定波长或频率下工作；

步骤3：激光器综合控制微处理器单元3001根据设定的目标工作波长值或目标工作频率值，计算参考信号cosψ的值，并将其作为校正信号送入鉴频信号处理单元3002，打开光学鉴频装置3005，使鉴频信号处理单元3002开始工作生成误差信号，通过pid控制模块反馈给激光器综合控制微处理器单元3001，微调pid控制模块参数，控制驱动电路3003的驱动电流或驱动电压，从而使得该反馈处于稳定的闭环状态，同时检测误差信号的值，当其稳定在0附近时，稳频成功；

步骤4：当需要改变dfb激光器3004的目标工作波长或目标工作频率时，只需根据新设定的目标工作波长或目标工作频率，按步骤2和步骤3的顺序进行控制，即可实现对dfb激光器3004的稳频控制。

对于可调谐激光器的情况，可以采用扫频的方式，逐点改变相应的预设激光工作频率，利用重新生成的激光器电流驱动信号生成新的探测信号，再通过上述回路即可实现稳频工作。

下面对无调制稳频装置采用不同光学鉴频元件的工作原理进行举例说明。

实施例1

本实施例中，第一光学鉴频元件1003和第二光学鉴频元件1004是法布里-珀罗标准具(即fp标准具)。下面说明基于法布里-珀罗标准具(即fp标准具)构成的半导体激光器的无调制稳频装置的工作原理是：

根据fp标准具的公式，透射光强it满足：

θ＝4πhvncos(i)/c

其中i0为输入光强，f为fp标准具的特性参数，h为标准具的厚度，v为入射光频率，n为介质有效折射率，c为光速，i为入射角。

由于探测器产生的电信号强度ipd与入射光强ilas成正比，满足ipd＝ηilas,η为探测器的光电转换率，则第一探测器1005、第二探测器1006和第三探测器1007这三个探测器生成的电信号a1、a2和a3分别满足：

ipda3＝η3ilas，3

其中ilas,ii＝1,2,3分别为一分三耦合器三个输出端口输出光束的强度，ηii＝1,2,3分别为三个探测器的光电转换率。对于给定的耦合器，ηi与ilas,i相互之间的比例关系是已知的，利用此关系可以设计可调运算放大电路，对第三信号a3进行比例放大，使其可以用于第一信号a1和第二信号a2的标准化，进而获得与光强无关的第一标准信号n1和第二标准信号n2，此时只有频率漂移传递给归化信号，而功率漂移对其无影响。第一标准信号n1和第二标准信号n2分别满足：

显然第一标准信号n1和第二标准信号n2具有周期性，周期分别为2π和π，由二倍角函数关系式sin2ψ＝2sinψcosψ，可以构造稳频所需误差信号回路,亦即，根据实际应用中对本发明装置中激光器所处稳定工作波长的要求，利用dsp芯片等硬件或者直接通过软件生成对应的cosψ信号，代入二倍角关系进而得到误差信号：

error＝n2-n1*cosψ＝sin(2ψ^*)-2sin(ψ^*)cosψ

任何频率漂移导致的相位延迟θ的偏差，都会直接传导为ψ^*与ψ之间的偏差。将这一偏差导入pid控制模块，进而对激光器的驱动电流或驱动电压进行微调，可以实现稳频。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例中的第一光学鉴频元件1003和第二光学鉴频元件1004由光纤环形腔构成。下面说明基于双光纤环形腔构成的半导体激光器的无调制稳频装置的工作原理。

根据波导理论，光纤环形腔的透过率满足：

其中a为环形腔的损耗因子，t为环形腔的耦合系数，i0为入射到环形腔的光强，l为环形腔的腔长，v为入射光频率，n为介质有效折射率。类似实施例1，三个探测器生成的电信号a1、a2和a3分别满足：

ipda3＝η3ilas，3

其中ilas，ii＝1，2，3分别为一分三耦合器三个输出端口输出光束的强度，ηii＝1，2，3分别为三个探测器的光电转换率。

同样将第三信号a3分为两部分，进行比例放大，进而将第一信号a1和第二信号a2转化为光强无关的第一标准信号n1和第二标准信号n2：

此方案生成的第一标准信号n1和第二标准信号n2也具有类似的周期特性，周期分别为2π和π，由二倍角函数关系式sin2ψ＝2sinψcosψ，由激光器综合控制微处理单元3001生成本实施例对应的cosψ信号，代入二倍角关系同样可得到误差信号：

error＝n2-n1*cosψ＝sin(2ψ^*)-2sin(ψ^*)cosψ

进而将频率漂移传导为ψ^*与ψ之间的偏差，实现稳频控制。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。