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表征稳频半导体激光器频率特性的方法

李珊珊 杨介伟 杨天新 王肇颖 张恒康

李珊珊, 杨介伟, 杨天新, 王肇颖, 张恒康. 表征稳频半导体激光器频率特性的方法[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(10): 20230063. doi: 10.3788/IRLA20230063
引用本文: 李珊珊, 杨介伟, 杨天新, 王肇颖, 张恒康. 表征稳频半导体激光器频率特性的方法[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(10): 20230063. doi: 10.3788/IRLA20230063
Li Shanshan, Yang Jiewei, Yang Tianxin, Wang Zhaoying, Zhang Hengkang. Method for characterizing frequency of frequency-stabilized semiconductor lasers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(10): 20230063. doi: 10.3788/IRLA20230063
Citation: Li Shanshan, Yang Jiewei, Yang Tianxin, Wang Zhaoying, Zhang Hengkang. Method for characterizing frequency of frequency-stabilized semiconductor lasers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(10): 20230063. doi: 10.3788/IRLA20230063

表征稳频半导体激光器频率特性的方法

doi: 10.3788/IRLA20230063
基金项目: 国家自然科学基金项目 (62075164);天津市自然科学基金项目(19 JCZDJC32500);空间光电测量与感知实验室开放基金课题资助项目(WZYY-04002·21)
详细信息
    作者简介:

    李珊珊,女,硕士生,主要从事于半导体激光器稳频技术、激光器频率漂移测量方面的研究

  • 中图分类号: O436

Method for characterizing frequency of frequency-stabilized semiconductor lasers

Funds: National Natural Science Foundation of China (62075164); Natural Science Foundation of Tianjin (19JCZDJC32500); Open Foundation for Space Optoelectronic Measurement and Perception Laboratory (WZYY-04002·21)
  • 摘要: 对稳频半导体激光器的频率进行在线实时监测的需求量和迫切性一直在不断增长。特别是近几年发展起来的连续波激光雷达通常以单频半导体激光器为种子源,并通过相干检测方式获得雷达信号的频率,从而获得目标物的距离信息,这就使得种子光源的频率精度直接与测距精度密切相关,因此,对光源的频率稳定性的表征也提出了新的要求:更关注短期(在相干时间内,亚微秒~数毫秒)的频率变化模式,对长时段内(数分钟~24 h)的绝对频率高精度监测的需求减弱;同时要求频率监测系统具有在线实时监测能力。针对这些需求,基于延时自外差原理,提出了一种表征稳频激光器的频率变化的方法,经过严谨的原理推导和算法编程,使得监测系统不仅结构简单,还实现了在线实时监测功能,并测量了一台利用氰化氢(H13C14N)气体吸收谱线基于边频锁定技术的稳频分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)频率变化曲线。测量结果是:在10 ms内稳频激光器的最大频率变化约为25 MHz,并且清楚地观察到激光器的频率变化不是单向的漂移模式。为了进一步验证该方法的精度,采用主流的飞秒光频梳拍频法离线测量了同一台稳频DFB-LD的频率变化,实验结果是:在50 min内频率变化约为30 MHz。两种测量方法的测量结果均在相同的MHz量级,证明了该方法是一个快速可靠的光频率分析手段,可应用于实时调节稳频激光器的伺服回路系统。
  • 图  1  基于光纤延时自外差测量光频率漂移实验装置图

    Figure  1.  Experimental setup for optical frequency drift measurement based on delay self-heterodyne interferometer

    图  2  基于延时自外差法测量稳频DFB-LD在10 ms下频率漂移实验结果图。(a) 第一组 (14.04~ −3.33 MHz,17.37 MHz); (b) 第二组 (18.24~ −6.28 MHz,24.52 MHz); (c) 第三组 (3.24~ −17.17 MHz,20.41 MHz)

    Figure  2.  The experiment result for optical frequency drift of the frequency stabilized DFB-LD within10 ms based on delay self-heterodyne interferometer. (a) The first group (14.04- −3.33 MHz, 17.37 MHz); (b) The second group (18.24- −6.28 MHz, 24.52 MHz); (c) the third group (3.24- −17.17 MHz, 20.41 MHz)

    图  3  基于光纤飞秒光学频率梳测量稳频激光器频率漂移的系统原理图

    Figure  3.  Experimental setup for frequency drift measurement of frequency stabilized laser based on fiber femtosecond optical frequency comb

    图  4  稳频DFB-LD通入飞秒光学频率梳系统下的拍频信号实验结果图

    Figure  4.  Experimental result of beat signal between DFB-LD with femtosecond optical frequency comb system

    图  5  基于飞秒光学频率梳系统测量稳频DFB-LD在50 min内的频率频漂移曲线

    Figure  5.  The experiment result for optical frequency drift of the frequency stabilized DFB-LD within 50 minutes based on the femtosecond optical frequency comb system

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-13
  • 修回日期:  2023-04-07
  • 刊出日期:  2023-10-24

表征稳频半导体激光器频率特性的方法

doi: 10.3788/IRLA20230063
    作者简介:

    李珊珊,女,硕士生,主要从事于半导体激光器稳频技术、激光器频率漂移测量方面的研究

基金项目:  国家自然科学基金项目 (62075164);天津市自然科学基金项目(19 JCZDJC32500);空间光电测量与感知实验室开放基金课题资助项目(WZYY-04002·21)
  • 中图分类号: O436

摘要: 对稳频半导体激光器的频率进行在线实时监测的需求量和迫切性一直在不断增长。特别是近几年发展起来的连续波激光雷达通常以单频半导体激光器为种子源,并通过相干检测方式获得雷达信号的频率,从而获得目标物的距离信息,这就使得种子光源的频率精度直接与测距精度密切相关,因此,对光源的频率稳定性的表征也提出了新的要求:更关注短期(在相干时间内,亚微秒~数毫秒)的频率变化模式,对长时段内(数分钟~24 h)的绝对频率高精度监测的需求减弱;同时要求频率监测系统具有在线实时监测能力。针对这些需求,基于延时自外差原理,提出了一种表征稳频激光器的频率变化的方法,经过严谨的原理推导和算法编程,使得监测系统不仅结构简单,还实现了在线实时监测功能,并测量了一台利用氰化氢(H13C14N)气体吸收谱线基于边频锁定技术的稳频分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)频率变化曲线。测量结果是:在10 ms内稳频激光器的最大频率变化约为25 MHz,并且清楚地观察到激光器的频率变化不是单向的漂移模式。为了进一步验证该方法的精度,采用主流的飞秒光频梳拍频法离线测量了同一台稳频DFB-LD的频率变化,实验结果是:在50 min内频率变化约为30 MHz。两种测量方法的测量结果均在相同的MHz量级,证明了该方法是一个快速可靠的光频率分析手段,可应用于实时调节稳频激光器的伺服回路系统。

English Abstract

    • 近年发展起来的车载连续波激光雷达中的光源均是半导体激光器[1-7],且探测距离一般在200~500 m范围内。因为连续波激光雷达测距是通过相干光检测方式实现的,所以测距精度强烈依赖于发射光源在微秒时间段(对应光在500 m范围内的渡越时间)的稳频特性,而对激光器长期稳定性并不敏感。但是,现有的测量激光器稳频特性的方法大都是侧重考察激光器频率的长期稳定性,即频率漂移特性[8-11],其中比较精确的拍频法[12]和延迟自外差法[13-14]一般也是只测量到频率的秒稳特性。

      用拍频法表征激光器稳频效果时,通常需要一台比待测激光器频率稳定度至少高两个数量级的高稳频激光器,这样的高稳频激光器一般需要以昂贵的原子钟作为基准频率,因此限制了它的在线应用。诚然,监测系统越昂贵,监测精度越高。另外,应用拍频法的频率测量系统大多专注于表征待测激光器的长期频率稳定性,很难精确测量短时间内的频率波动特性,这是因为它的数据采集系统只对拍信号进行频率计数测量,无法记录和存储拍信号本身的波形,因此无法表征短时间内的频率波动特性。而近期发展起来的连续波激光雷达采用相干检测原理,对短时间内光波的频率稳定性更敏感,因此笔者提出一种方法来填补这个空白,该方法是一种改进的延迟自外差技术。

      延迟自外差技术并不是新技术。2014年,Zhi[13]等人利用标准的延迟自外差装置测量了窄线宽激光器相对频率漂移,但是因为没有对相位进行解缠绕,因此它不能实时地检测激光器的频率漂移情况,也无法反映频率漂移的趋势,只粗略地观测到6.7 s内曾经发生了最大的频率漂移量是2 MHz。2015年,段洪城等人[14]也采用了延迟自外差技术并且实施了相位解缠绕,但是为了进行实时检测,他们的实验装置比较复杂,采用了双光纤环结构,需要同时产生两个外差信号来测量激光器频率的漂移曲线。他们对一台没有稳频伺服装置的半导体激光器进行了测试,得到的结果是短期(1 ms)内最大的频率漂移为200 kHz,长期(1 h)的频率漂移量在75~350 MHz范围。笔者认为,如果激光器有闭环反馈的稳频回路,激光器的频率漂移现象应该能得到抑制,激光器频率的变化量应该与测量时间长短无关。

      为此,开发了一套带有闭环稳频回路的驱动源,驱动一个窄线宽半导体激光器,并用简化的单光纤环结构的延时自外差技术测量该稳频激光器的频率变化,提出了一种新的测量半导体激光器短期频率变化的算法,该方法可以实时地定量表征激光器频率稳定性。实验结果表明,稳频后的激光器的短期稳频特性与长期稳频特性并没有数量级差异,一方面说明该稳频回路是有效的,在短时段内抑制了频率的漂移;另一方面也说明文中的频率监测方法可信,测出的频率曲线不仅符合稳频激光器的工作特性,而且还能够帮助人们正确评估激光雷达的测距精度。另外特别指出,文中提出的能够表征稳频激光器稳频效果的装置不需要昂贵的高稳频基准光源,因此结构简单轻便,可以实现在线实时频率监测。

    • 光纤延时自外差法测量激光器短时间内频率特性的实验系统如图1所示,其中DFB-LD为分布反馈半导体激光器,OC1、OC2为两个50:50的光纤耦合器,AOM为声光调制器,RF为射频信号,BPD为平衡光电探测器,OSC为宽带实时数字示波器。

      图1中,假设分布反馈半导体激光器DFB-LD输出的连续光场可以表示为:

      $$ E(t) = {E_0}\cos \left[2\pi \int_0^t {{\nu _0}(\tau ){\rm{d}}\tau + {\varphi _0}} \right] $$ (1)

      图  1  基于光纤延时自外差测量光频率漂移实验装置图

      Figure 1.  Experimental setup for optical frequency drift measurement based on delay self-heterodyne interferometer

      公式(1)以变限积分函数近似模拟激光器光场的频率变化导致的累积相位随时间$t$的增加而增加的过程(假设频率的起伏波动是光滑连续的),式中,${E_0}$为激光光场恒定的电场强度振幅,${\nu _0}(t)$表示随时间变化的激光频率曲线,包含了激光器的频率漂移和本征的频率噪声,${\varphi _0}$为激光器的初相位。DFB-LD输出光经过光纤耦合器OC1后分为光强相等的两束光:一束光经过声光调制器AOM后,光频率频移了${f_m}$,其中${f_m}$是驱动AOM的射频信号频率;另一束光经过长度为$L$的单模延时光纤。两束光经光纤耦合器OC2后产生的拍频信号接入平衡光电探测器BPD,BPD产生的光电流信号由数字示波器OSC采集。经过AOM和延时光纤的两路光可分别表示为${E_1}(t)$和${E_2}(t)$。由于BPD是对光强度的响应,因此${E_1}(t)$和${E_2}(t)$经OC2被BPD接收之后,拍信号的光电流$i(t)$可表示为:

      $$ \begin{split} i(t) =& k\cos \left(\int_0^t {\left[ {2\pi {\nu _0}(\tau ) + 2\pi {f_m}} \right]} {\text{d}}\tau -\right.\\ &\left.\int_0^{t - {\tau _d}} {2\pi {\nu _0}(\tau )} {\text{d}}\tau \right) = k\cos [\varphi (t)] \end{split} $$ (2)

      式中:$k$为BPD的光电转换系数;${\tau _d}$为延时光纤L产生的延迟时间;$\varphi (t)$为拍信号的相位。当光电流随时间变化的曲线$i(t)$被实时数字示波器OSC检测并存储在OSC中后,最终可以通过希尔伯特变换得到公式(2)中拍信号的相位曲线$\varphi (t)$:

      $$ \varphi (t) = {\rm{arctan}}\left( {\frac{{H[i(t)]}}{{i(t)}}} \right) $$ (3)

      式中:$H[i(t)]$表示光电流曲线$i(t)$的希尔伯特变换曲线。

      下面证明由拍信号的相位曲线$\varphi (t)$可以得到激光器的频率随时间变化的信息。由公式(2)可知:

      $$ \varphi (t) = \int_0^t {{\text{2}}\pi \,[{\nu _0}(\tau ) + {f_m}]} \;{\text{d}}\tau - \int_0^{t - {\tau _d}} {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau )\,{\text{d}}\tau }$$ (4)

      将积分核不随时间变化的积分$\displaystyle\int_0^t {{\text{2}}\pi {f_m}} {\text{d}}\tau $单独考虑,将公式(4)中另外两项积分$ - \displaystyle\int_0^{t - {\tau _d}} {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } $和$ + \displaystyle\int_0^t {{\text{2}}\pi {\nu _0}} {(\tau ){\text{d}}\tau } $合并,其中因为

      $$ \begin{split} + \int_0^t {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } =& \int_0^{t - {\tau _d}} {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } + \int_{t - {\tau _d}}^t {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } \end{split} $$ (5)

      所以合并后得到:

      $$ \begin{split} \varphi {\text{(}}t{\text{)}} =& \int_0^t {{\text{2}}\pi {f_m}} {\text{d}}\tau + \int_{t - {\tau _d}}^t {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau }= {\text{2}}\pi {f_m}t + \Delta \varphi (t) \end{split} $$ (6)

      式中:定义$\Delta \varphi (t)$为$t$时刻的拍信号相位$\varphi (t)$中的非线性部分,$\Delta \varphi (t) = \displaystyle\int_{t - {\tau _d}}^t {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } $。从$\Delta \varphi (t)$的定义式可以看出,$\Delta \varphi (t)$只与激光器在从$t - {\tau _d}$~$t$之间非常短的${\tau _d}$时段内(${\tau _d} \approx 100{\text{ }}{\rm{ns}}@L = 20{\text{ }}{\rm{m}}$)的频率曲线${\nu _0}(t)$有关,而与激光器频率${\nu _0}(t)$在$ t = 0 $~$t - {\tau _d}$之间的长期变化曲线无关,这是因为公式(5)中的积分项$\displaystyle\int_0^{t - {\tau _d}} {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } $在公式(6)中被抵消了。

      另一方面,从公式(6)可以看出,激光器在从$t - {\tau _d}$~$t$之间非常短的时段内产生的相位增量$\Delta \;\varphi {\text{(}}t{\text{) = }}\displaystyle\int_{t - {\tau _d}}^t {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } $可以通过测量拍信号光电流曲线而得到,因为由公式(6)可知:

      $$ \Delta \;\varphi {\text{(}}t{\text{)}}\; = \varphi {\text{(}}t{\text{)}} - {\text{2}}\pi {f_m}t $$ (7)

      在公式(7)中,$\varphi (t)$曲线可以通过公式(3)得到,当驱动AOM的射频信号的频率${f_m}$已知时,可以由计算机减去AOM的频率${f_m}$在$0 \sim t$时间内累积的相位,从而得到$\Delta \varphi (t)$曲线。这样做的好处是既简化了实验装置,又可以避免真实系统中存在的低频噪声对计算$\Delta \varphi (t)$的影响。

      根据$\Delta \varphi (t)$的定义,$\Delta \varphi (t)$是光载波频率${\nu _0}(t)$在光纤延时时间${\tau _d}$内的相位累积。为了用定义式$\Delta \;\varphi {\text{(}}t{\text{) = }} \displaystyle\int_{t - {\tau _d}}^t {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } $计算出激光器频率从0~$t$时刻(~ms)范围内的频率变化总量$\Delta \nu (t)$,可以将在$0 \sim t$时刻之内的激光频率曲线${\nu _0}(t)$离散为连续的$N$段频率线性变化的折线,每段折线频率表达式如下:

      $$ {\nu _0}({t_i}) = {\nu _{i,0}} + {\mu _0}({t_i}){\kern 1pt} {\kern 1pt} {\tau _d}, i = 1,2, \cdots ,N $$ (8)

      这样做的本质就是将$\Delta \;\varphi {\text{(}}t{\text{) = }}\displaystyle\int_{t - {\tau _d}}^t {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } $的积分核中从$t - {\tau _d}$~$t$之间的激光频率曲线${\nu _0}(\tau )$近似为在$t$时刻、$\Delta t$间隔内的由不随时间变化的部分${\nu _{i,0}}$和随时间变化部分${\mu _0}({t_i}){\kern 1 pt} {\kern 1 pt} {\tau _d}$组成。即在很小的$\Delta t$间隔内激光频率曲线为直线${\nu _0}(t) = {\nu _0} + {\mu _0}(t){\kern 1 pt} {\kern 1 pt} \Delta t$。在实验系统中,采用了20 m米延迟光纤考察在ms时段内(在$0 \sim t$时间段)激光器频率变化曲线$\Delta \nu (t)$时,${\tau _d}$只有百ns量级,可以认为${\tau _d}$就是$\Delta t$,上述线性近似条件成立。公式(8)中的${\mu _0}({t_i})$为在$t - {\tau _d} \sim t$时间内的频率的平均斜率;当${\tau _d}$趋于0时,平均斜率${\mu _0}({t_i})$趋于它的瞬时值${\mu _0}(t)$。

      通过对曲线$\Delta \;\varphi {\text{(}}t{\text{) = }}\displaystyle\int_{t - {\tau _d}}^t {{\text{2}}\pi {\nu _0}(\tau ){\text{d}}\tau } $进行时间$t$求导可以直接得到激光频率斜率${\mu _0}({t_i})$。由积分变限函数导数定理[15]及公式(8)可得:

      $$ \begin{split} {\left. {\frac{{{\text{d}}\Delta \varphi (t)}}{{{\text{d}}t}}} \right|_{t = {t_i}}} =& 2\pi [{\nu _0}({t_i}) - {\nu _0}({t_i} - {\tau _d})] = \\ & 2\pi {\tau _d}\frac{{[{\nu _0}({t_i}) - {\nu _0}({t_i} - {\tau _d})]}}{{{\tau _d}}}= \\ & 2\pi {\tau _d}{\mu _0}({t_i}) \end{split} $$ (9)

      公式(9)表明,如果已知${\rm{d}}\Delta \varphi (t)/{\rm{d}}t$曲线,就可以得到每个${t_i}$时刻、${\tau _d}$时间间隔内的频率平均斜率$\;{\mu _0}({t_i})$。将公式(3)和公式(7)代入公式(9)得到:

      $$ \begin{split} {\mu _0}({t_i}) =& {\left. {\frac{1}{{2\pi {\tau _d}}}\frac{{{\text{d}}\Delta \varphi (t)}}{{{\text{d}}t}}} \right|_{t = {t_i}}}= \\ & {\left. {\frac{1}{{2\pi {\tau _d}}}\frac{{\text{d}}}{{{\text{d}}t}}\left[ {\varphi {\text{(}}t{\text{)}}} \right]} \right|_{t = {t_i}}} - \frac{{{f_m}}}{{{\tau _d}}} \end{split} $$ (10)

      则在$ 0 \sim t $时间内激光器频率变化总和$\Delta \nu (t)$就等于对每个${\tau _d}$时间间隔内激光器频率变化求和,即

      $$ \Delta \nu (t) = \sum\limits_{i = 1}^N {{\mu _0}({t_i})\;{\tau _d}} $$ (11)
    • 为了实践上述测量激光频率曲线的方法,完成了一系列实验。首先建立了一套有伺服回路的稳频激光器系统。它是一台利用氰化氢(H13C14N)气体吸收谱线(1548.9 nm)为基准的、采用边频锁定技术的稳频DFB-LD (最大输出功率40 mW,线宽小于200 kHz),该激光器闭环稳频启动后的频率稳定度为2.34×10−10 [16]。经过进一步对DFB-LD驱动进行优化升级,并加以封装提高其鲁棒性之后,作者分别用文中的延时自外差方法和传统的飞秒光频梳拍频法测试了这台稳频后的DFB-LD的频率在短时间和长时间内的变化特性。

      首先用延时自外差的方法测量稳频DFB-LD的在10 ms以内的频率变化特性,实验装置如图1所示,对AOM加载频率为80 MHz的射频信号,延时光路采用了20 m的单模光纤来延时,两路光经过耦合器OC2后接入BPD,通过OSC采集拍信号,OSC的采样率为400 MSa/s。采集后的数据直接由计算机处理,通过希尔伯特变换提取拍信号的相位信息,经过解缠绕后,提取DFB-LD频率的信息,得到频率变化速率,通过对时间的积分得到每个离散间隔处的频率变化值。

      测量结果如图2所示,实验测量了三组10 ms内稳频DFB-LD的频率变化曲线,曲线呈上下往复变化模式,没有出现单调的频率漂移模式,最大频率总变化量在25 MHz以内,说明在10 ms内激光器的闭环稳频功能发挥正常。另外,由于利用了高带宽示波器的高采样率,因此可以准确得到实时的连续的拍信号,用这样的拍信号能得到更短时间间隔内激光器的频率变化细节。

      图  2  基于延时自外差法测量稳频DFB-LD在10 ms下频率漂移实验结果图。(a) 第一组 (14.04~ −3.33 MHz,17.37 MHz); (b) 第二组 (18.24~ −6.28 MHz,24.52 MHz); (c) 第三组 (3.24~ −17.17 MHz,20.41 MHz)

      Figure 2.  The experiment result for optical frequency drift of the frequency stabilized DFB-LD within10 ms based on delay self-heterodyne interferometer. (a) The first group (14.04- −3.33 MHz, 17.37 MHz); (b) The second group (18.24- −6.28 MHz, 24.52 MHz); (c) the third group (3.24- −17.17 MHz, 20.41 MHz)

      综合图2的测试结果,说明所制作的稳频反馈回路在短时段内发挥了作用,可以满足连续波激光雷达对光源的稳频需求。

      为了考察文中的频率监测方法的准确程度,用常规的拍频法观测了同一台稳频半导体激光器的长期频率漂移特性。即用频率稳定性更高的光频梳光源作为参考光源,该光源是中国计量科学研究院搭建的与原子钟锁定的飞秒光学频率梳系统(FOFC),该FOFC的重复频率(${f_{rep}}$)为200 MHz,载波包络偏置频率(${f_{ceo}}$)为20 MHz,频率稳定度优于10−14量级[17]。实验系统如图3所示,将稳频的DFB-LD与FOFC的输出光经过光耦合器(OC)进行相干混频,混频光经过准直器输出为空间光束,到达光栅后由小孔光阑滤出1548.9 nm附近的光频梳梳齿和稳频连续光,由光电探测器(PD)接收二者混频光的拍频分量,输出的电信号经过带通滤波器(BPF)和低噪声放大器(LNA)后送入计数器(Counter)和电谱仪(ESA)进行测量和观测。

      图  3  基于光纤飞秒光学频率梳测量稳频激光器频率漂移的系统原理图

      Figure 3.  Experimental setup for frequency drift measurement of frequency stabilized laser based on fiber femtosecond optical frequency comb

      在实验中,稳频的DFB-LD的输出光与光频梳拍频时,会输出激光器波长与左右相邻的两个光频梳梳齿分量分别进行拍频的两个峰值,因此在电谱仪上会观察到两个拍频信号,如图4所示。在电谱仪上观察到,一旦启动DFB-LD的闭环稳频系统,拍信号沿横轴无明显频率抖动和漂移,说明稳频系统起到了控制作用。

      图5是计数器连续记录的启动稳频回路后的50 min内其中频率偏低的一支拍信号频率的变化曲线。计数器的采样率为1 s,由图5可以看出,激光器50 min内频率漂移了约30 MHz。在开始稳频的半小时之内,由于激光器工作尚未稳定,此时频率波动范围较大,约为25 MHz。后20 min,激光器的频率逐渐趋于稳定,漂移范围较小,约为5 MHz。

      图  4  稳频DFB-LD通入飞秒光学频率梳系统下的拍频信号实验结果图

      Figure 4.  Experimental result of beat signal between DFB-LD with femtosecond optical frequency comb system

      图  5  基于飞秒光学频率梳系统测量稳频DFB-LD在50 min内的频率频漂移曲线

      Figure 5.  The experiment result for optical frequency drift of the frequency stabilized DFB-LD within 50 minutes based on the femtosecond optical frequency comb system

      对比这两种频率测量方法,后者拍频法在采集拍信号的信息时,计数器的采样率为1 s,便于采集长时间的信息,更适合观测长期的频率漂移性。而前者延时自外差的方法在观测短期内的频率变化时,用了高采样率(400 MSa/s)获得拍信号的信息,能够观察到更丰富的细节,比如伺服反馈系统的启动时刻,失锁阶段等信息。更重要的是笔者的延时自外差法能揭示稳频激光器频率在短时间内的较为连续的变化幅度,为评估连续波激光雷达的测距精度提供实验依据。但是同时也注意到,文中的稳频系统对激光器在初始运转阶段的长时间频率漂移的控制还不理想,还需要进一步改进。

    • 为了表征稳频半导体激光器在短时段内的稳频特性,文中提出了一个监测频率的新方法,包括一种测量稳频半导体激光器短期频率曲线的算法和基于单光纤环延时自外差装置。采用该方法测量了一台稳频激光器在10 ms内的频率曲线,发现在ms量级的短时段内,自建的伺服闭环系统比较有效地抑制了激光器的频率漂移。但是对长时间段,仍然存在激光器频率漂移现象,说明该伺服稳频回路有可存在缺陷,有可能在极短时间内失锁或响应不及时。这一猜想在长期稳频测试结果中得到验证,当用光频梳拍频法测量该台台稳频激光器的长期稳定性时,在50 min的频率锁定时段内,光频率缓慢地改变了约30 MHz,这个改变量与短时间(10 ms)发生的变化量是同一个数量级,在很大程度上取决于DFB-LD稳频伺服回路中的电路参数。因此文中提出的检测方法可以快速地显示出频率的变化,无需通过长时间的等待,就能获得激光频率变化的范围;每当调节伺服回路中元器件参数之后,通过快速地测量激光器频率地变化范围,就能知道伺服回路地调节是否沿着正确地方向。因此,文中的频率监测方法为实时调节DFB-LD稳频伺服回路中的器件参数提供了快速有效的在线光频率分析手段。

参考文献 (17)

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