专利名称：一种半导体激光器宽带锁频方法及其锁频装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光通信和光传感技术领域的装置，具体是一种半导体激光器宽带锁频方法及其锁频装置。
背景技术：
激光锁频技术在光纤通信、光纤传感领域中已经有了广泛的应用。在这些领域的某些应用中对激光器输出光频率的稳定性要求比较高，而自由运行的激光器由于对注入电流和温度的稳定性要求较高，很难达到这样的稳定性。一般采用光锁相环(OPLL)技术对激光器的频率进行锁定。经对现有文献检索发现，光锁相环技术需要激光器的线宽小于1MHz，并且整 个环路延时要足够小(小于IOns)才能稳定地工作(A. C. Bordonalli, C. Walton, andA. J.Seeds, “High-performance phase locking of wide Iinewidth lasersbycombineduse of optical injection locking and optical phase-lock loop，，，J.Lightwave Technol. 17，328-342 (1999) ·)。另外，光锁相环的目的在于锁相，对于只需要宽带锁定频率不需要锁定相位的应用中，比如基于布里渊散射的光纤传感系统需要锁定两个激光器频率差在IlGHz左右，光锁相环的锁频范围较小(一般在3GHz以下)的劣势就难以满足要求，并且光锁相环技术需要引入外部参考信号，也提高了整个系统的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种半导体激光器宽带锁频装置，其特征是包含从激光器、从激光器温度控制模块、从激光器注入电流控制模块、从光隔离模块、从偏振控制模块、主激光器、主激光器温度控制模块、主激光器注入电流控制模块、主光隔离模块、主偏振控制模块、光差频产生模块、光电转换模块、差频测量模块和处理模块；上述元部件的连接关系如下所述的从激光器输出第一路光信号，并依次经从光隔离模块和从偏振控制模块进入光差频产生模块的第一输入端；所述的主激光器输出第二路光电信号，并依次经主光隔离模块和主偏振控制模块进入光差频产生模块的第二输入端；两路电信号经光差频产生模块耦合后输出差频信号，并经光电转换模块进入差频测量模块，处理模块控制差频测量模块进行差频检测，处理模块将检测结果进行处理，并分别反馈调整从激光器温度控制模块和从激光器注入电流控制模块。本发明能用于两台半导体分布反馈(DFB)激光器的高稳定宽带锁频，高稳定光频锁定范围可覆盖50MHz至11GHz。主、从激光器的温度控制驱动电路和注入电流控制电路被设计在同一块印制电路板(PCB )，它们的电源被共享电源。在此基础上，根据主、从激光器输出差频的不同大小，首先利用比例-积分-微分(PID)算法控制温度驱动电路，粗调从激光器的输出频率；利用PID算法控制电流驱动电路，微调从激光器的输出频率。经过粗调与微调后，使得主、从激光器的输出差频准确、稳定地锁定在设定的频率点上。主、从激光器的温度控制电路和注入电流控制电路设计在同一块PCB上并使得共享电源能够有效减小由于电源噪声造成的激光器差频抖动。另外，温控PID算法和流控PID算法的组合可以实现宽带大、频率稳定的激光器差频锁定，而且简单、可靠、易操作。与此同时，对于主、从激光器的线宽要求较小，使得装置只需一般的DFB半导体激光器即可实现宽带锁频，从而降低了对激光器本身的要求。本发明还提供了一种半导体激光器宽带锁频方法，其特征是，该方法包括步骤如下步骤1:启动差频测量模块；步骤2，处理模块控制差频测量模块测得当前主激光器、从激光器的差频频率fp ；
步骤3，处理模块比较该差频频率fp与设置的预定频率fs之差若该差值的绝对值小于设置的死区频率范围IOOMHz 11GHz，则执行步骤4，否则执行步骤6 ；步骤4，处理模块通过实现电流PID控制算法产生一个电流控制信号；步骤5，处理模块通过电流控制信号控制从激光器注入电流控制模块，微调从激光器的输出频率后，返回步骤2，开始下一轮反馈控制；步骤6，处理模块通过温度PID控制算法产生一个温度控制信号；步骤7，处理模块通过温度控制信号控制从激光器温度控制模块，粗调从激光器的输出频率，返回步骤2，开始下一轮反馈控制。基于以上技术特点，本发明具有以下优点1、主激光器的温度控制模块、注入电流控制模块以及从激光器的温度控制模块、注入电流控制模块均设计和实现于同一 PCB板上并采用电源共享。与主、从激光器独立分离的方案相比较，能够有效减小由于电源噪声引起的主、从激光器差频频率抖动。2、通过温度PID控制和电流PID控制相组合的方式，调节从激光器的输出频率。与经典的光锁相环方案相比，有更灵活的频率调整方式、调节频率范围也更大，可从50MHz至11GHz，可显著提高主、从激光器的频率锁定范围，并降低装置调节的难度。3、处理模块使用数字化闭环技术实现用户可自行控制的PID控制算法，与经典的光锁相环方案相比简化了很多，只需要计算机或单片机控制电路即可以对差频进行处理并以更灵活的方式控制从激光器的输出频率。4、通过温度PID控制和电流PID控制相组合的方式，调节从激光器的输出频率对半导体激光器本身的线宽要求较低。因此，不需要采用线宽很窄的、昂贵的半导体激光器，成本更低。
图1为本发明的一个实施例图。图2为半导体激光器宽带锁频装置的流程图。图3为设置频率为IlGHz时的DFB激光器锁频稳定性测量结果，其中，Ca)为差频稳定度，(b)为电流与温度电压调谐曲线。
具体实施例方式下面结合附图给出本发明的一个具体实施例子。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。图1为基于本发明的一个实施实例的不意图。在图1的实施例中，主激光器6和从激光器3各自输出波长相近的光信号(频率差小于11GHz)，两路光分别依次通过主光隔离器9、主偏振控制器10，从光隔离器7和从偏振控制器8、调节每路光信号的偏振方向。两路输出光分别进入光差频产生模块11的两个输入端，两路光信号被耦合成一路差频信号后进入光电转换模块12。光电转换模块12根据差频光信号的功率频谱分布情况转换为具有相同频谱分布的电压或电流信号。转换后的电信号经过一个差频测量模块13，比如直接测量法或电信号分析仪，处理模块14控制差频测量模块13进行差频检测，并将检测结果进行处理，处理得到当前主激光器6和从激光器3的输出差频频率，计算当前差频频率与预定频
率的差值。该差值作为待补偿频率误差，处理模块14使用温度PID控制算法以及电流PID控制算法反馈调整从激光器温度控制模块I和从激光器注入电流控制模块2，从而稳定主激光器6和从激光器3之间的差频，达到自动锁频目的。在具体实施中，为了满足锁频的稳定性更好、准确性更高的要求，主激光器温度控制电路4和主激光器注入电流控制电路5以及从激光器温度控制电路I和从激光器注入电流控制电路2要求有较好的稳定度，因此被设计在同一块PCB板上，使得经光差频产生模块11后的差频信号的抖动较小。图2为半导体激光器宽带锁频装置的流程图。在图2中，首先由步骤I开始，启动差频测量模块；然后执行步骤2，处理模块控制差频测量模块测得当前主、从激光器的差频频率fp，比如，通过计数法直接测量差频频率，或通过测量差频电信号的频谱并找到功率最高点的频率间接测量差频频率；接着执行步骤3，处理模块比较该差频频率与通过用户控制界面设置的预定频率fs之差，若该差值的绝对值小于预设的死区频率范围(IOOMHz以上)，说明主、从激光器的输出频率足够接近，则执行步骤4，处理模块通过实现电流PID控制算法产生一个电流控制信号；然后执行步骤5，处理模块利用产生的电流控制信号控制从激光器注入电流控制模块，微调从激光器的输出频率；接着返回步骤2，开始下一轮反馈控制。若在步骤3时，差频频率与通过用户控制界面设置的预定频率之差的绝对值大于预设的死区频率范围(IOOMHz以上)，说明主、从激光器的输出频率相差较大，则执行步骤6，处理模块开启温度PID控制算法，并产生一个温度控制信号；然后执行步骤7，处理模块利用产生的温度控制信号控制从激光器温度控制模块，粗调从激光器的输出频率；接着返回步骤2，开始下一轮反馈控制。如此循环下去，使得主激光器和从激光器的差频锁定在设置的频率处。在具体实施中，为了使得锁频更迅速、稳定性更高，步骤3中的死区频率范围不宜设置太小。否则，由于温度粗调的设置分辨率较大，容易使得差频在目标频率的死区频率范围内外反复波动，使得温控和流控PID算法也交替开启和关闭，引起振荡。步骤4与步骤6中的电流PID控制算法和温度PID控制算法中的PID控制参数也需要通过多次反复逼近的调节来达到最迅速、最稳定的频率跟踪效果。
图3为设置频率为IlGHz时的DFB激光器锁频稳定性测量结果。图3(a)和(b)左半部分记录了差频从20MHz到IlGHz左右的粗调效果。温度在2至4分钟内进行了大幅度调整，使得频差大致在IlGHz附近的死区频率范围内。其后，流控开始工作。两者的差频稳定度如图3 (a)右半部分所示，测量时间约35分钟，计算得到差频的平均值为11. 0003GHz,误差300kHz，均方根为4. 7667MHz。验证了当差频设置在IlGHz处依然具有良好的频率锁定效果。 在上述过程中，通过温度PID控制算法和电流PID控制算法的结合，可以实现宽带、稳定、准确的激光器频率锁定，操作简单、可靠、易操作。本发明可广泛用于光纤通信、光纤时频传递与光纤传感等领域。
权利要求
1.一种半导体激光器宽带锁频装置，其特征是，包含从激光器(3)、从激光器温度控制模块(I)、从激光器注入电流控制模块(2)、从光隔离模块(7)、从偏振控制模块(8)、主激光器(6)、主激光器温度控制模块(4)、主激光器注入电流控制模块(5)、主光隔离模块(9)、 主偏振控制模块(10 )、光差频产生模块(11)、光电转换模块(12 )、差频测量模块(13 )和处理模块(14)；上述元部件的连接关系如下所述的从激光器(3)输出第一路光信号，并依次经从光隔离模块(7)和从偏振控制模块(8)进入光差频产生模块(11)的第一输入端；所述的主激光器(6)输出第二路光电信号,并依次经主光隔离模块(9)和主偏振控制模块(10)进入光差频产生模块(11)的第二输入端；两路电信号经光差频产生模块(11)耦合后输出差频信号，并经光电转换模块(12)进入差频测量模块(13)，处理模块(14)控制差频测量模块(13)进行差频检测，处理模块(14) 将检测结果进行处理，并分别反馈调整从激光器温度控制模块(I)和从激光器注入电流控制丰旲块(2)。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器宽带锁频装置，其特征是，所述的主激光器温度控制模块和从激光器温度控制模块设置在PCB板上，并且共用电源，分别对主激光器和从激光器进行恒温控制，从激光器温度控制模块从处理器模块接收外部控制信号，根据控制信号值的大小调整从激光器的温度高低，相应地粗调从激光器的输出频率；所述的主激光器注入电流控制模块和从激光器注入电流控制模块，设置在PCB板上， 从激光器注入电流控制模块从处理器模块接收外部控制信号，根据控制信号值的大小调整激光器的注入电流大小，相应地微调激光器的输出频率。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器宽带锁频装置，其特征是，所述的光差频产生模块，包含一个2x1的光纤耦合器，用于耦合两路光信号，并输出该两路光信号的差频光信号。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器宽带锁频装置，其特征是，所述的光电转换模块，用于将由主、从两路激光器输出产生的差频光信号转换为电信号。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器宽带锁频装置，其特征是，所述的差频测量模块，用于测量由主、从两路激光器输出产生的差频电信号的差频频率大小。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器宽带锁频装置，其特征是，所述的处理模块，用于提供用户控制界面、控制差频测量模块测量当前主激光器和从激光器输出差频的大小， 并比较该差频大小与设置频率的大小、实现温控PID算法以及流控PID算法以及两种算法的执行策略、控制外部激光器温度控制模块和激光器注入电流控制模块。
7.一种利用权利要求1所述的半导体激光器宽带锁频装置的锁频方法，其特征是，该方法包括步骤如下步骤1:启动差频测量模块；步骤2，处理模块控制差频测量模块测得当前主激光器、从激光器的差频频率fp ；步骤3，处理模块比较该差频频率fp与设置的预定频率fs之差若该差值的绝对值小于预设的死区频率范围IOOMHf 11GHz，则执行步骤4，否则执行步骤6 ;步骤4，处理模块通过实现电流PID控制算法产生一个电流控制信号；步骤5，处理模块通过电流控制信号控制从激光器注入电流控制模块，微调从激光器的输出频率后，返回步骤2，开始下一轮反馈控制；步骤6，处理模块通过温度PID控制算法产生一个温度控制信号；、步骤7，处理模块通过温度控制信号控制从激光器温度控制模块，粗调从激光器的输出频率，返回步骤2，开始下一轮反馈控制。
全文摘要
本发明涉及一种半导体激光器宽带锁频方法及其锁频装置，包括从激光器、从激光器温度控制模块、从激光器注入电流控制模块、从光隔离模块、从偏振控制模块、主激光器、主激光器温度控制模块、主激光器注入电流控制模块、主光隔离模块、主偏振控制模块、光差频产生模块、光电转换模块、差频测量模块和处理模块。本发明能够有效减小由于电源噪声引起的主、从激光器差频频率抖动，具有更灵活的频率调整方式、调节频率范围也更大，降低调节的难度，成本更低。
文档编号H01S5/0687GK103001123SQ20121055291
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者邹卫文, 李乐逊, 姜文宁, 卢加林, 吴龟灵, 陈建平 申请人:上海交通大学