專利名稱：一種半導體激光器寬帶鎖頻方法及其鎖頻裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光通信和光傳感技術領域的裝置，具體是一種半導體激光器寬帶鎖頻方法及其鎖頻裝置。
背景技術：
激光鎖頻技術在光纖通信、光纖傳感領域中已經(jīng)有了廣泛的應用。在這些領域的某些應用中對激光器輸出光頻率的穩(wěn)定性要求比較高，而自由運行的激光器由于對注入電流和溫度的穩(wěn)定性要求較高，很難達到這樣的穩(wěn)定性。一般采用光鎖相環(huán)(OPLL)技術對激光器的頻率進行鎖定。經(jīng)對現(xiàn)有文獻檢索發(fā)現(xiàn)，光鎖相環(huán)技術需要激光器的線寬小于1MHz，并且整 個環(huán)路延時要足夠小(小于IOns)才能穩(wěn)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，光鎖相環(huán)的目的在于鎖相，對于只需要寬帶鎖定頻率不需要鎖定相位的應用中，比如基于布里淵散射的光纖傳感系統(tǒng)需要鎖定兩個激光器頻率差在IlGHz左右，光鎖相環(huán)的鎖頻范圍較小(一般在3GHz以下)的劣勢就難以滿足要求，并且光鎖相環(huán)技術需要引入外部參考信號，也提高了整個系統(tǒng)的復雜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種半導體激光器寬帶鎖頻裝置，其特征是包含從激光器、從激光器溫度控制模塊、從激光器注入電流控制模塊、從光隔離模塊、從偏振控制模塊、主激光器、主激光器溫度控制模塊、主激光器注入電流控制模塊、主光隔離模塊、主偏振控制模塊、光差頻產(chǎn)生模塊、光電轉換模塊、差頻測量模塊和處理模塊；上述元部件的連接關系如下所述的從激光器輸出第一路光信號，并依次經(jīng)從光隔離模塊和從偏振控制模塊進入光差頻產(chǎn)生模塊的第一輸入端；所述的主激光器輸出第二路光電信號，并依次經(jīng)主光隔離模塊和主偏振控制模塊進入光差頻產(chǎn)生模塊的第二輸入端；兩路電信號經(jīng)光差頻產(chǎn)生模塊耦合后輸出差頻信號，并經(jīng)光電轉換模塊進入差頻測量模塊，處理模塊控制差頻測量模塊進行差頻檢測，處理模塊將檢測結果進行處理，并分別反饋調(diào)整從激光器溫度控制模塊和從激光器注入電流控制模塊。本發(fā)明能用于兩臺半導體分布反饋(DFB)激光器的高穩(wěn)定寬帶鎖頻，高穩(wěn)定光頻鎖定范圍可覆蓋50MHz至11GHz。主、從激光器的溫度控制驅動電路和注入電流控制電路被設計在同一塊印制電路板(PCB )，它們的電源被共享電源。在此基礎上，根據(jù)主、從激光器輸出差頻的不同大小，首先利用比例-積分-微分(PID)算法控制溫度驅動電路，粗調(diào)從激光器的輸出頻率；利用PID算法控制電流驅動電路，微調(diào)從激光器的輸出頻率。經(jīng)過粗調(diào)與微調(diào)后，使得主、從激光器的輸出差頻準確、穩(wěn)定地鎖定在設定的頻率點上。主、從激光器的溫度控制電路和注入電流控制電路設計在同一塊PCB上并使得共享電源能夠有效減小由于電源噪聲造成的激光器差頻抖動。另外，溫控PID算法和流控PID算法的組合可以實現(xiàn)寬帶大、頻率穩(wěn)定的激光器差頻鎖定，而且簡單、可靠、易操作。與此同時，對于主、從激光器的線寬要求較小，使得裝置只需一般的DFB半導體激光器即可實現(xiàn)寬帶鎖頻，從而降低了對激光器本身的要求。本發(fā)明還提供了一種半導體激光器寬帶鎖頻方法，其特征是，該方法包括步驟如下步驟1:啟動差頻測量模塊；步驟2，處理模塊控制差頻測量模塊測得當前主激光器、從激光器的差頻頻率fp ；
步驟3，處理模塊比較該差頻頻率fp與設置的預定頻率fs之差若該差值的絕對值小于設置的死區(qū)頻率范圍IOOMHz 11GHz，則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟6 ；步驟4，處理模塊通過實現(xiàn)電流PID控制算法產(chǎn)生一個電流控制信號；步驟5，處理模塊通過電流控制信號控制從激光器注入電流控制模塊，微調(diào)從激光器的輸出頻率后，返回步驟2，開始下一輪反饋控制；步驟6，處理模塊通過溫度PID控制算法產(chǎn)生一個溫度控制信號；步驟7，處理模塊通過溫度控制信號控制從激光器溫度控制模塊，粗調(diào)從激光器的輸出頻率，返回步驟2，開始下一輪反饋控制。基于以上技術特點，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、主激光器的溫度控制模塊、注入電流控制模塊以及從激光器的溫度控制模塊、注入電流控制模塊均設計和實現(xiàn)于同一 PCB板上并采用電源共享。與主、從激光器獨立分離的方案相比較，能夠有效減小由于電源噪聲引起的主、從激光器差頻頻率抖動。2、通過溫度PID控制和電流PID控制相組合的方式，調(diào)節(jié)從激光器的輸出頻率。與經(jīng)典的光鎖相環(huán)方案相比，有更靈活的頻率調(diào)整方式、調(diào)節(jié)頻率范圍也更大，可從50MHz至11GHz，可顯著提高主、從激光器的頻率鎖定范圍，并降低裝置調(diào)節(jié)的難度。3、處理模塊使用數(shù)字化閉環(huán)技術實現(xiàn)用戶可自行控制的PID控制算法，與經(jīng)典的光鎖相環(huán)方案相比簡化了很多，只需要計算機或單片機控制電路即可以對差頻進行處理并以更靈活的方式控制從激光器的輸出頻率。4、通過溫度PID控制和電流PID控制相組合的方式，調(diào)節(jié)從激光器的輸出頻率對半導體激光器本身的線寬要求較低。因此，不需要采用線寬很窄的、昂貴的半導體激光器，成本更低。


圖1為本發(fā)明的一個實施例圖。圖2為半導體激光器寬帶鎖頻裝置的流程圖。圖3為設置頻率為IlGHz時的DFB激光器鎖頻穩(wěn)定性測量結果，其中，Ca)為差頻穩(wěn)定度，(b)為電流與溫度電壓調(diào)諧曲線。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發(fā)明的一個具體實施例子。本實施例以本發(fā)明的技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。圖1為基于本發(fā)明的一個實施實例的不意圖。在圖1的實施例中，主激光器6和從激光器3各自輸出波長相近的光信號(頻率差小于11GHz)，兩路光分別依次通過主光隔離器9、主偏振控制器10，從光隔離器7和從偏振控制器8、調(diào)節(jié)每路光信號的偏振方向。兩路輸出光分別進入光差頻產(chǎn)生模塊11的兩個輸入端，兩路光信號被耦合成一路差頻信號后進入光電轉換模塊12。光電轉換模塊12根據(jù)差頻光信號的功率頻譜分布情況轉換為具有相同頻譜分布的電壓或電流信號。轉換后的電信號經(jīng)過一個差頻測量模塊13，比如直接測量法或電信號分析儀，處理模塊14控制差頻測量模塊13進行差頻檢測，并將檢測結果進行處理，處理得到當前主激光器6和從激光器3的輸出差頻頻率，計算當前差頻頻率與預定頻
率的差值。該差值作為待補償頻率誤差，處理模塊14使用溫度PID控制算法以及電流PID控制算法反饋調(diào)整從激光器溫度控制模塊I和從激光器注入電流控制模塊2，從而穩(wěn)定主激光器6和從激光器3之間的差頻，達到自動鎖頻目的。在具體實施中，為了滿足鎖頻的穩(wěn)定性更好、準確性更高的要求，主激光器溫度控制電路4和主激光器注入電流控制電路5以及從激光器溫度控制電路I和從激光器注入電流控制電路2要求有較好的穩(wěn)定度，因此被設計在同一塊PCB板上，使得經(jīng)光差頻產(chǎn)生模塊11后的差頻信號的抖動較小。圖2為半導體激光器寬帶鎖頻裝置的流程圖。在圖2中，首先由步驟I開始，啟動差頻測量模塊；然后執(zhí)行步驟2，處理模塊控制差頻測量模塊測得當前主、從激光器的差頻頻率fp，比如，通過計數(shù)法直接測量差頻頻率，或通過測量差頻電信號的頻譜并找到功率最高點的頻率間接測量差頻頻率；接著執(zhí)行步驟3，處理模塊比較該差頻頻率與通過用戶控制界面設置的預定頻率fs之差，若該差值的絕對值小于預設的死區(qū)頻率范圍(IOOMHz以上)，說明主、從激光器的輸出頻率足夠接近，則執(zhí)行步驟4，處理模塊通過實現(xiàn)電流PID控制算法產(chǎn)生一個電流控制信號；然后執(zhí)行步驟5，處理模塊利用產(chǎn)生的電流控制信號控制從激光器注入電流控制模塊，微調(diào)從激光器的輸出頻率；接著返回步驟2，開始下一輪反饋控制。若在步驟3時，差頻頻率與通過用戶控制界面設置的預定頻率之差的絕對值大于預設的死區(qū)頻率范圍(IOOMHz以上)，說明主、從激光器的輸出頻率相差較大，則執(zhí)行步驟6，處理模塊開啟溫度PID控制算法，并產(chǎn)生一個溫度控制信號；然后執(zhí)行步驟7，處理模塊利用產(chǎn)生的溫度控制信號控制從激光器溫度控制模塊，粗調(diào)從激光器的輸出頻率；接著返回步驟2，開始下一輪反饋控制。如此循環(huán)下去，使得主激光器和從激光器的差頻鎖定在設置的頻率處。在具體實施中，為了使得鎖頻更迅速、穩(wěn)定性更高，步驟3中的死區(qū)頻率范圍不宜設置太小。否則，由于溫度粗調(diào)的設置分辨率較大，容易使得差頻在目標頻率的死區(qū)頻率范圍內(nèi)外反復波動，使得溫控和流控PID算法也交替開啟和關閉，引起振蕩。步驟4與步驟6中的電流PID控制算法和溫度PID控制算法中的PID控制參數(shù)也需要通過多次反復逼近的調(diào)節(jié)來達到最迅速、最穩(wěn)定的頻率跟蹤效果。
圖3為設置頻率為IlGHz時的DFB激光器鎖頻穩(wěn)定性測量結果。圖3(a)和(b)左半部分記錄了差頻從20MHz到IlGHz左右的粗調(diào)效果。溫度在2至4分鐘內(nèi)進行了大幅度調(diào)整，使得頻差大致在IlGHz附近的死區(qū)頻率范圍內(nèi)。其后，流控開始工作。兩者的差頻穩(wěn)定度如圖3 (a)右半部分所示，測量時間約35分鐘，計算得到差頻的平均值為11. 0003GHz,誤差300kHz，均方根為4. 7667MHz。驗證了當差頻設置在IlGHz處依然具有良好的頻率鎖定效果。 在上述過程中，通過溫度PID控制算法和電流PID控制算法的結合，可以實現(xiàn)寬帶、穩(wěn)定、準確的激光器頻率鎖定，操作簡單、可靠、易操作。本發(fā)明可廣泛用于光纖通信、光纖時頻傳遞與光纖傳感等領域。
權利要求
1.一種半導體激光器寬帶鎖頻裝置，其特征是，包含從激光器(3)、從激光器溫度控制模塊(I)、從激光器注入電流控制模塊(2)、從光隔離模塊(7)、從偏振控制模塊(8)、主激光器(6)、主激光器溫度控制模塊(4)、主激光器注入電流控制模塊(5)、主光隔離模塊(9)、 主偏振控制模塊(10 )、光差頻產(chǎn)生模塊(11)、光電轉換模塊(12 )、差頻測量模塊(13 )和處理模塊(14)；上述元部件的連接關系如下所述的從激光器(3)輸出第一路光信號，并依次經(jīng)從光隔離模塊(7)和從偏振控制模塊(8)進入光差頻產(chǎn)生模塊(11)的第一輸入端；所述的主激光器(6)輸出第二路光電信號,并依次經(jīng)主光隔離模塊(9)和主偏振控制模塊(10)進入光差頻產(chǎn)生模塊(11)的第二輸入端；兩路電信號經(jīng)光差頻產(chǎn)生模塊(11)耦合后輸出差頻信號，并經(jīng)光電轉換模塊(12)進入差頻測量模塊(13)，處理模塊(14)控制差頻測量模塊(13)進行差頻檢測，處理模塊(14) 將檢測結果進行處理，并分別反饋調(diào)整從激光器溫度控制模塊(I)和從激光器注入電流控制豐旲塊(2)。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體激光器寬帶鎖頻裝置，其特征是，所述的主激光器溫度控制模塊和從激光器溫度控制模塊設置在PCB板上，并且共用電源，分別對主激光器和從激光器進行恒溫控制，從激光器溫度控制模塊從處理器模塊接收外部控制信號，根據(jù)控制信號值的大小調(diào)整從激光器的溫度高低，相應地粗調(diào)從激光器的輸出頻率；所述的主激光器注入電流控制模塊和從激光器注入電流控制模塊，設置在PCB板上， 從激光器注入電流控制模塊從處理器模塊接收外部控制信號，根據(jù)控制信號值的大小調(diào)整激光器的注入電流大小，相應地微調(diào)激光器的輸出頻率。
3.根據(jù)權利要求1所述的半導體激光器寬帶鎖頻裝置，其特征是，所述的光差頻產(chǎn)生模塊，包含一個2x1的光纖耦合器，用于耦合兩路光信號，并輸出該兩路光信號的差頻光信號。
4.根據(jù)權利要求1所述的半導體激光器寬帶鎖頻裝置，其特征是，所述的光電轉換模塊，用于將由主、從兩路激光器輸出產(chǎn)生的差頻光信號轉換為電信號。
5.根據(jù)權利要求1所述的半導體激光器寬帶鎖頻裝置，其特征是，所述的差頻測量模塊，用于測量由主、從兩路激光器輸出產(chǎn)生的差頻電信號的差頻頻率大小。
6.根據(jù)權利要求1所述的半導體激光器寬帶鎖頻裝置，其特征是，所述的處理模塊，用于提供用戶控制界面、控制差頻測量模塊測量當前主激光器和從激光器輸出差頻的大小， 并比較該差頻大小與設置頻率的大小、實現(xiàn)溫控PID算法以及流控PID算法以及兩種算法的執(zhí)行策略、控制外部激光器溫度控制模塊和激光器注入電流控制模塊。
7.一種利用權利要求1所述的半導體激光器寬帶鎖頻裝置的鎖頻方法，其特征是，該方法包括步驟如下步驟1:啟動差頻測量模塊；步驟2，處理模塊控制差頻測量模塊測得當前主激光器、從激光器的差頻頻率fp ；步驟3，處理模塊比較該差頻頻率fp與設置的預定頻率fs之差若該差值的絕對值小于預設的死區(qū)頻率范圍IOOMHf 11GHz，則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟6 ;步驟4，處理模塊通過實現(xiàn)電流PID控制算法產(chǎn)生一個電流控制信號；步驟5，處理模塊通過電流控制信號控制從激光器注入電流控制模塊，微調(diào)從激光器的輸出頻率后，返回步驟2，開始下一輪反饋控制；步驟6，處理模塊通過溫度PID控制算法產(chǎn)生一個溫度控制信號；、步驟7，處理模塊通過溫度控制信號控制從激光器溫度控制模塊，粗調(diào)從激光器的輸出頻率，返回步驟2，開始下一輪反饋控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導體激光器寬帶鎖頻方法及其鎖頻裝置，包括從激光器、從激光器溫度控制模塊、從激光器注入電流控制模塊、從光隔離模塊、從偏振控制模塊、主激光器、主激光器溫度控制模塊、主激光器注入電流控制模塊、主光隔離模塊、主偏振控制模塊、光差頻產(chǎn)生模塊、光電轉換模塊、差頻測量模塊和處理模塊。本發(fā)明能夠有效減小由于電源噪聲引起的主、從激光器差頻頻率抖動，具有更靈活的頻率調(diào)整方式、調(diào)節(jié)頻率范圍也更大，降低調(diào)節(jié)的難度，成本更低。
文檔編號H01S5/0687GK103001123SQ20121055291
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權日2012年12月18日
發(fā)明者鄒衛(wèi)文, 李樂遜, 姜文寧, 盧加林, 吳龜靈, 陳建平 申請人:上海交通大學