[发明专利]半导体激光器全光纤稳频系统

说明书

技术领域

本发明是一种基于光纤和光纤器件的半导体激光器稳频系统，主要是使用基于光纤环形腔透射光场变化的Pound-Drever-Hall稳频技术，并结合参考干涉仪来监控激光器的频率扫描，来达到稳频的目的。该技术主要是用于高精度激光干涉测量领域。

背景技术

近年来利用激光的干涉特性来进行高精度绝对距离测量成为研究的热点，其中最常见的就是频率扫描干涉法(FSI)和频率调制连续波法(FMCW)。其中频率扫描法利用激光频率连续扫描所形成的干涉条纹的相位变化来完成激光测距，为了消除相位的模2π特性，激光频率扫描过程必须保证无模跳的连续扫描。而频率调制连续波法是使用激光频率连续扫描经过不同长度的光路后形成的拍频信号频率来完成激光测距的过程。不论是FSI和FMCW都需要精确的将激光频率扫描两端的范围稳定在一个固定值，才能保证测量的精度。

目前已有的激光稳频方法有：以增益曲线作为标准稳定激光频率，但很难达到很高的稳定度；利用塞曼效应或斯塔克效应稳定激光频率，稳定度可以达到10^-9；利用原子分子吸收谱线稳定激光频率，频率稳定度高达10^-13□10^-14，但是谱线的覆盖范围有限，很难找到两个合适的谱线用于稳定频率扫描的两个端点；利用边带锁频技术锁频，以Fabry-Perot谐振腔作为标准频率，优点是不受波段的限制，而且Fabry-Perot谐振腔可以做到很高的精细度，缺点就是Fabry-Perot谐振腔必须放到真空容器中以减少温度、声音、及震动带来的影响，这就使它重量较大，使用成本很高，而且真空容器效果容易随着时间的延长而下降；另外Fabry-Perot谐振腔对震动非常敏感，而卫星在发射过程中要经受巨大的震动和加速度，这些情况都影响了Fabry-Perot谐振腔的精度。

光纤环形腔的工作特性与Fabry-Perot谐振腔非常相似，目前在通信领域，光纤环形腔被广泛的用来做WDM系统的滤波器，而且它的自由谱范围可以调整，为了弥补损耗，还出现了有源光纤环形腔。随着加工工艺的不断提高，光纤环形腔的线宽可以做的很窄，早在1988年，我国清华大学就制作出了精细度高达1260、线宽达到270kHz的无源光纤环形腔。随着光纤环形腔的精细度不断提高，其滤波特性越来越好，应用也日趋广泛。

发明内容

本发明提出的半导体激光器全光纤稳频系统使用的光源是频率可调无模跳的外腔半导体激光器，参考干涉仪用于监测激光的频率变化，对激光器的输出频率进行调整，当激光接近光纤环形腔的谐振腔时，启动Pound-Drever-Hall系统，利用光纤环形腔的透射信号将激光频率的两端稳定在腔的两个谐振频率。本发明是对传统激光稳频技术的改进，并首次将光纤环形腔用于激光稳频技术。

在本发明中，系统各个部分说明如下：

(1)光源系统：激光器采用频率可调外腔半导体激光器，可以通过压电和电流输入控制其激光输出频率。激光从激光器的尾纤输出后进入一个1×2定向保偏光纤耦合器分成两束激光，其中一束进入参考干涉仪，另外一束进入光纤环形腔。如果激光的输出并不是光纤输出，则需要将激光束进行整形并经过耦合器耦合进入保偏光纤以连接到后面的稳频系统。

(2)参考干涉仪：参考干涉仪用于监视激光频率的变化，并帮助寻找频率的谐振点，以配合光纤环形腔锁定激光频率。它由一个非平衡的全光纤Mach-Zehnder干涉仪组成，它有两条不等长的光纤干涉臂，其输出光强的相位变化经过解缠后可以计算出激光频率的变化。且两条光纤干涉臂的光程差越大，激光频率变化的监测精度越高。

(3)高精细度光纤环形腔频率锁定：本方法采用Pound-Drever-Hall方法将激光器的频率稳定在高精细度光纤环形腔的谐振频率，该部分主要由：电光调制器、高精细度光纤环形腔及温度稳定设备、PDH板卡、放大器、LC震荡电路以及探测器组成。

(4)数据采集处理和控制系统：数据采集处理和控制系统主要是将参考干涉仪和PDH得到的信号进行采集处理后形成反馈信号对激光器的频率扫描进行控制，该部分主要由高性能的DSP系统来完成。

(5)系统中光器件的连接均采用单模保偏光纤，以保证激光的偏振特性。

本发明的主要特色：使用光纤参考干涉仪和光纤环形腔来控制激光器稳频，系统更加小巧轻便，增强了抗干扰能力。整个光学系统均采用光纤器件，所有的光器件连接均使用单模保偏光纤，降低了系统的损耗，使系统的集成更加方便简单和稳定。