基于温度、电流自动控制的半导体激光器稳频技术研究

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ＵＤＣ：密缎：——编号：——

基于温度、电流自动控制的半导体

激光器稳频技术研究

ｆｒｅｑｕｅｎｃ）－ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄ

ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔ

学位授予单位及代码：蝗叠堡王盔望！！Ｑ！竖！

学科争业名称及代码：燕式进别皇塑能丕莼ｆ竖！！Ｑ４２

研究方向：置艟丕缝生盟基

指导教师：奎滋挂敦援

论文起止时同；ｇＱＱ曼！坚兰Ｑ！生ｌ呈申请学位级别：亟—主研究生：王矗

长春理工大学硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，《基于温度．电流自动控制的半导体激光器稳频技术研究》是本人在指导教师的指，ｇＴ．独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外．本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者签名：王红。。￡￡年—￡月驾月

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作者签名：２鼍磊，＝垒ｌ，上年—立月五同

导师签名，２五￡ｚ年—王月茑Ｈ

摘要

随着光通信技术的发展．半导体激光器已成为光通信系统的主要光源。半导体激光器工作时产生的热量严重影响其输出特性。为使半导体激光器的输出波长＿阳光功率恒定，必须对半导体激光器实施稳频措施。

论文采用ＦＡＤＯＦ滤光器作为稳频元件基准．通过采用直接光反馈和智能控制相结台的方法，提高半导体激光器的长期稳定性和抗外界环境干扰的能力ｔ使其能长期无漂移稳定工作。

山于温度、电流对半导体激光器的频率有很大的影响，本文在采用ＦＡＤＯＦ光反馈稳频方法的基础上．设计了电流控制单元和温度控制单位．使其半导体激光器的频率稳定。温度控制单元。我们采用热敏电Ｉ《［ＮＴＣ作为温度传感器，利用ＴＥＣ作为系统执行元件．研制了一种基于参数自整定Ｆｕｚｚｙ．ＰＩＤ的高精度恒温控制系统．经分析能达到设计频率稳定度要求。荚键词：半导体激光器稳频技术自动控制Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｗｉｔｈ

ｍａｉｎｌｉｇｈｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｐｔｉｃａｌｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩａｓｅｒｈａｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｓｏｕｒｃｅＯｐｅｒａｔｉｎｇｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｗｉｌｌｇｅｎｅｒａｔｅｈｅａｔ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｓｅｖｅｒｅｌｙ

Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｓｔｒｉｃｔｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｅｍｉｔｔｅｄｉｍｐａｉｒｉｔｓｏｕｔｐｕｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｙｔｈｅｌａｓｅｒ．

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｍｕｓｔｂｅｄｅｐｌｏｙｅｄ

Ｔｈｉｓ

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｒｔｉｃｌｅｔａｋｅｓＦＡＤＯＦｏｐｔｉｃｆｉｌｔｅｒｐａｐｅｒｅｍｐｌｏｙｅｄａｓｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｔｏＴｈｉｓｄｉｒｅｃｔｌｉｇｈｔｆｅｅｄｂａｃｋａｐｐｒｏａｃｈａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ

ｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｓｔｅａｄｉｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｅｎａｂｌｉｎｇｉｔｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｖｅｒｔｈｅｌｏｎｇｔｉｍｅ

ｏｎＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｈａｖｅｃｒｉｔｉｃａｌｉｎｆｌｕｅｎｃｅ

ｅｍｉＲｅｄ，ｂｅｓｉｄｅｓｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｎｉｔａｎｄｕｔｉｌｉｚｉｎｇＦＡＤＯＦ

ａｒｅｌｉｇｈｔｔｏｆｅｅｄｂａｃｋｓｔｒａｔｅｇｙ．ｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｅｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ．

ｓｅｎｓｏｒＵｓｉｎｇｔｈｅｒｍｏ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＮＴＣ

ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．ｗｅａｓｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄＴＥＣａｓｅｘｅｃｕｔｉｖｅｐａｒｔｓｙｓｔｅｍＡｆｔｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ

ａｎａｌｙｓｉｎｇｉｔｃａｎｆｕｌｆｉｌｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ

Ｆｕｚｚｙ ＰＩＤｓｔａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ

目录

目录

引言第一章绪论

２半导体激光器稳顿技术国内外发展现状

３本文日ｆ究ｌ～容及目的

第二章半导体激光器稳频技术

２，２

２．３……………２．４……………．．．…………………………２Ｉ’＃导体撒光器的基本结构及１。作原理…３＃导体激光器稳频原理…………４……………．６９

１４ＬＤ的主动稳频方法第三章半导体激光器稳频总体框架

３ｌ半导体激光器的ＦＡＤＯＦ原于稳频

。………

…

……

…

…。……………

……．．…………．１４３．２稳频控制系统的方案设计…第四章温度、电流控制系统稳频４Ｉ电流控制单元４．２温度控制单元４．３……。１８２…………．．……………，………２…２７３２ＰＩＤ参敦揽糊白整定控制算法４．４系统程序殴计………………

………

…

……………。３７．３９…．３９第五章稳频控制系统工作性能的实验…５Ｉ最佳［作点搜寻实验………………………………．．…………………５．２频翠变化补偿实验………………

总结与展望

量Ｉ谢…

……………………蚰…４０５．３控制装簧的稳撅性能………………………．……………………………４３…．．………４４４５参考文献……………

第一章绪论

ｌ引言

备类半导体激光器是在红宝石激光器研制成功的推动下相继应运而生的。半导体激光器（简称ＬＤ）具有单色性好，相干性好、光束准直精度高、工作电源电压低及使用方便等优点．是其它激光器无法比拟的。由于其应用领域的扩展和器件本身所涉及的理论和工艺的不断完善，使半导体激光嚣被带进了更广泛的科学领域。在控制、加工、通信等顿域半导体激光器得到了广泛的应用。另外在医疗和生命科学等领域半导体激光嚣的作用也越来越大。但在实际使用中，微小的电流和温度变化会使半导体激光器的工作受到影响，即会导致半导体激光器输出功率的波动．从而造成其输出功率不稳定。半导体激光器要应用到上述领域，并作为一种重耍光源得到应用．那么维持半导体激光器输出功率稳定，及输出频率保持不变从而使半导体激光器能正常运作就显得尤为重要口ｑ。半导体激光器要保证在不同的条件下都能稳定的自由运作．那么我们研究半导体激光器稳频技术就显的非常必要。

激光稳频技术作为基础科学研究的重要工县是激光物理学、光谱学和电子学高度结合的产物。近几年柬，各种稳频方法的出现．以及对各类激光器进行稳频研究．使激光稳频技术有了较大的发展。稳频技术使激光频牢的稳定性得到了很大改善．从而为扩大激光器的应用创造了良好条件。因此本课题研究的半导体激光器稳频技术具有广阔的市场前景和深远的意义。

ｌ２半导体激光器稳频技术国内外发展现状

本课题主要研究半导体激光器稳频技术，下面仅介绍与本论文研究内容相关的国内外发展情况。

半导体激光器的稳频技术主要指稳定激光的振荡频率，其基本原理是：频率堤差信号是通过鉴频器接收激光器输出的光井与参考频率相比较得到的，然后频率误差信号被送入伺服系统ｔｐ，最后激光频牢通过反馈控制系统稳定到参考频率上，达到稳定激光器频率的目的。

６０年代中期．激光稳频技术以原子谱线的中心频率作为参考标准。而１９６６年．则采用外界参考频率作为标准进行稳频。２００５年．原子分子物理国家重点实验室与中国科学院和数学研究所联合做出了将光反馈方法和原予吸收组合在一起完成半导体激光器稳频的实验。因为原子祛拉第反常色散光学滤波器具有超窄带的选频透射特性．因此选择它作为选频元件。通过采用光反馈的方法．抑制透射率低的激光频率分量．增

强透射率高的激光频率分量．从而有效地实现光反馈激光稳频口…。１．５０ｍ波段是兜通信波段。对于大容量的波分复用光通信系统，更迫切需要此波段的稳频激光器。２００６年．对Ｉ５９ｍ波段外腔半导体激光器稳频技术的研究国内有几家．其中天律大学的盒杰等人就，ｒ展了这方面的研究１１”。同时清华大学的周丌军等人利用乙炔吸收稳频方法术稳定１５３０ｍ波段光纤光栅外腔半导体激光器，其频率稳定度达１０４Ｈｌ。２００８年－燕山大学用乙炔吸收方法实现光纤光栅外腔式半导体激光器稳频，频率稳定度达１０４∞１．７０年代初，美国的｝ｆＰ公司研制出了第一台利用纵向塞曼稳频方法稳定的激光器．为精密长度测量提供了新工具口Ｉ。８０年代术，美国的Ｌｕｃｅｎｔ、英国的ＢＴ和开本的Ｆｕｒｋａｗａ等有不少著名的公司都对激光器稳频技术进行了研究。１９８８年ｔＹ．ＣＣｈｕｎｇ和Ｃ．Ｂ．Ｒｏｘｏ实现对ＤＦＢ激光器稳频．它利用的足气体放电下的Ⅺ原子１５３３９ｍ跃迁谱线来做稳频『６】。１９８９年，Ｍ．Ｏｈｔｓｕ等人实现１．５６１ａｎＤＦＢ激光器稳频，它利用的是二倍频信号锁定在Ｒｕ原子谱线上『７Ｉ。同年．用本ＮＴＴ公司也报道实现分布反馈激光器稳频．它利用的是”Ｃ２Ｈ２在１．５３ｐ．ｍ和６Ｃ２Ｈ２在１．５５９ｉｎ的吸收谱线㈣。自９０年代开始ｒ通过采用气体分子饱和吸收稳频的方法，同本东京理工学院１ｌｇｌ已成功地实现了对１．５“ｍ波段可调谐激光二极管光源的高精度稳频，它能达到１５０ｋＨｚ的绝对精度，同时得到在±１ＭＨｚ内变化的长期稳定度。１９９４年．ＮｕｒａｎＤｏｇｔｕ等人实现了光纤光栅外腔半导体激光器９８０ｎｍ波长和功率的稳定控制，摄夫输出功牢为１００ｍＷ¨”。２００４年，Ｋ．ＮＡＫＡＧＡＷＡ报道了采用调制转移光莆技术柬稳定１５４２ｎｍ自由调制的己炔稳频激光器１２“。２００６年。通过选择铷原子的饱和吸收线作为参考频宰，开本ＹＯｈｔａａ．ｓＭａｅｈａｒａ等人对一台半导体激光器进行了稳频，在００４＜．【Ｅ－６５ｓ内．通过对半导体激光器进行稳频控制，得到它的频率稳定度位于２１２ｘ１０－“～５８８×１０“１之间““。

Ｉ３本文研究内容及目的

研究的目的：

半导体激光嚣刁；仅能运用在激光通信领域．在医疗、数字成像／数据存储、质量检测朋Ｉ量．军事都有报广泛的应用”…。但在实际使用中，由于受到电流和温度变化的影响．将使输出功率玎：稳定。半导体激光器要应用到ｋ述领域．井作为一种重要光源得到应用，ｉＳ／ｚ，维持半导体激光器输出功率稳定，及输出频率保持不变从而使半导体激光器能订三常运作就盟掰尤为重要。为了保ｉｉＥ！Ｉ＂导体激光器输出频率的稳定性．我们可以通过控制半导体激光器的驱动电流以保持功率输出的稳定来达到目的。因此本课题研究基于电流、温度自动控制的半导体激光器稳频技术具有很现实的意义ｔ井能为半导体激光器的发展提供更加广阔的市场前景。

本文的主要研究内容：

首先阐述半导体激光器稳频国内外发展现状．论述半导体激光器稳顿具有的重要意义。从第二章开始，我们简要介绍半导体激光器的工作原理，及温度，电流与输出

功率的关系，分析半导体激光器的稳频原理．了解影响半导体激光器工作稳定的因素，对稳频的三类方法，我们通过比较各类稳频方法的优缺点，最后确定用ＦＡＤＯＦ作为选频元件，并采用光反馈和电反馈熟同作用的稳频方案。第三章主要分析利用ＦＡＤＯＦ滤波器作为选频元件的直接光反馈稳频原理，同时简要介绍了ＦＡＤＯＦ滤波器的工作原理。出于光反馈稳频短期稳定性好．但不能保持长期稳定性，为此可以我们通过采用补偿电路对其技进行控制，使半导体激光器的长期稳定性得到改善。而第四章则通过分析温度、电流对波长的影响，我们分别设计了恒流源和恒温控制电路对系统进行补偿。第五章对半导体激光嚣的频率变化进行了补偿实验．同时对控制装置的稳频性能进行比较．表明通过采用光反馈和电反馈稳频．半导体激光器的短期稳定性和长期稳定性得到了改善。

第二章半导体激光器稳频技术

我们要想对激光器进行稳频，并使半导体激光器工作时的长期稳定性等到提高，掰ｉ么我们有必要先了解一下半导体激光器的结构及工作原理．以便为研究稳频技术提供理论保证。下面我们就来着重介绍半导体激光器的工作原理及影响频率稳定的困素。２Ｉ半导体激光器的基本结构及工作原理

半导体激光器（简称ＬＤ）主要是由ＰＮ结或ＰＩＮ结为工作介质的一种小型化的激光器，而半导体材料构成其工作介质嗍。ＬＤ有电注入式、光泵浦式和高能电子束激励式等三种激励方式。目前电注入式是绝大多数半导体激光器采用的激励方式，它通过向ＰＮ结施加正向电压从而在结平面区域受激发射激光。半导体激光嚣的结构如图２所示。ｌ

光

幽２Ｉ半导体谶光嚣结构示意嘲

ＬＤ是一种相干辐射光源。要产生相干辐射．必须具备三个基本条件。即：

Ｉ、串ｉ【子数反转：ＬＤ除了有Ｐ区和Ｎ区之外．中间还有一个不搀杂的有源区。当Ｐ－Ｎ结加币向偏艇时．降低了异质鲒之间的势垒．导致从Ｐ区和Ｎ区向有源区有电子和空穴注入，低能态价带项的空穴数比高能态导带底的电子数小，从而形成粒子数反转（图２上）。

～乏善基溢豳２．２粒于数反转≮一样一要筘一２、谐振腔：在ＬＤ中通过解理产生两个平行的光滑平面构成了垂直于Ｐ－Ｎ结平面的两端．从而构成谐振腔（圈２．３）。在有源区内，在谐振腔两端面上来回反射的光是电子由导带向价带跃迂时产生的，它通过结区时叉引起新的电子跃迁从而不断增强光强ａ釜

幽２．３光学谐振腔结构币冠船ｐ≥三甩Ｐ

（２１）３、闽值条件：为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，使光增益等于或大于各种损耗之和。稳定振荡的闽值条件为：ｅｌｈ－ｕ）２１Ｒ＝ｌ

口；谐振腔内工作物质损耗系数：，。：增益系数；Ｒ：腔内两镜面反射率乘积。由阈值条件明知，通过降低激光器的阐值条件。可以减小激光器的内部损耗，使激光器更容易起振。半导体二极管激光器的特性：ｌ、半导体激光器的ＰｉＶ曲线

圈２．４为半导体激光器的Ｉ．ｖ特性图。在破向偏压较低的区域内，由于受激发射屡的载流子密度不够高．不足以形成密度转化，此时以自发发射为主。受激发射随着偏置程度增加，受激层形成了密度转化．它在某个偏置点成为主要的，而这一偏最点所对应的电流叫瞬值电流ｋ．在阐值点，撒光嚣的工作方式从ＬＥＤ变成ＬＤ的工作方式。圈２．５为理想的输出Ｐ－１特性曲线。它描述了激光嚣光功率Ｐｏ随注入电流ＩＦ的变化规

律，为设计半导体激光器的系统提供了重要依据。耍产生激光，半导体激光器必颈在其ＰＮ结Ｊ二加大于闽值电流的注入电流。ＬＤ之所以能等效为纯阻元件是由于ＬＤ管芯上下台面的总电容Ｐｃ通常是皮法量级，而管脚对地的电容ｓｃ的值更小。串联电ＩＮＳＲ可以通过犬电流下的正向Ｉ－Ｖ特性估算出，发光管的难向电压．反向电流及反向电ＪＪ：等参数也可以用同样的方法得划。

幽２４半导体濑光器】一Ｖ特性曲线蹦崩２５半导体擞光器Ｐ—Ｊ特性曲蛙

２、半导体激光器的温度特性Ｉ圳

ＬＤ是一个对温度很敏感的器件，它的工作温度对其工作特性较大的影响。从图２．６中可以看出：

ｈｈ＾

２，６激光输山功率与驱动电流的关系

（１）在同一温度下 当‘＜厶，昂。０－而，，）Ｌ时 Ｒ随１，的增长直线上升，其中，聃为ＬＤ的闽值电流：‘随着温度升高而升高．温度的改变将使特性曲线平移移动：如果ＬＤ在恒流一ＦＬＥ作．输出功率将随着温度的变化而发生较大的改变。

２．２半导体激光器稳频原理

２．２．ＩＬＤ稳频原理

半导体激光器频率变化的主要琢困足山就驱动电流和工作温度的变化导致的。随着半导体激光嚣温度的升高，激光波【∈向长波长方向漂移，如图２７。随着激光器驱动电

流的增加．激光波长向短波长方向漂移。由激光器的微分蜃子效率定义…Ｉ：

驴≠尝－％２订ｊｊ万

电流：ｅ为电荷单位。可见，光频率ｆ的变化是由闽值电流Ｉｍ的变化引起的。（２∞旺。２’式中 Ｐ为激光输出功率；ｈ为普朗觅恒量：Ｉ为驱动电流；Ｉ。ｈ表示温度为Ｔ时的闽值

Ｔ（Ｋ）

闰２７髓温座变化的激光中心波长曲线

激光器要想达到稳定的输出频率，必须首先采取措施，将半导体激光器输出频率的变化量转化为可控制的电流量或者电压量，然后利用电压量或电流量，选到控制檄光器的温度和驱动电流的目的，最终维持激光器输出频率的稳定。下式决定半导体激光器的频率变化：

ａｒｊ，

Ｖ；告×△ｒ＋等ｘＡ／删ａ』（２．３）

其中 ｑ－／ａｒ为频率一温度变化率．０ｒ，ａ，为频率一电流变化率。根据Ｌ式可知．如果频率发生偏移，要使激光器的输出光频率达割稳定，我们可采取改变偏置ｉ电流或采用稳定激光器温度的方法束达割目的ｉ“ｉ。

２．２２激光频率稳定性参数

周围环境各种困素的扰动会造成半导体激光器的输出额率经常随时问波动。我们可以通过采取一定的稳频措施来抑制外界扰动，此时半导体激光器的输出频率将改变很小。但采用不同的稽频技术，稳频效果不尽相同。那么为了选到一个统一的标准．激光频率稳定的程度用频率的稳定性和复现性柬衡量。

在一定的时川Ｍ隔内．我们把平均频率（；）与ｉＩｉ时【口Ｊｌ崎频率的变化量（△ｒ）之比称为激光器的频率稳定性Ｉ“。用下武表示：

ｓ＝÷ｕｖ

度脚删用ｓ的倒数袁征。如下式：（２．４）由上述袁选式我们看到为使ｓ越大及频率的稳定性越好，则变化矗Ａ＇＇麻该越小。稳定

一：竺（２５）

我们把在观测取样Ｉｔ，寸＿ｆｕｌ１秒以内的频率变化用短期稳定度表示，长期稳定度则指频率变化大于１秒。

半导体撇光器在不同的时间、地点等条件下自由运转频率重复和再现的精度我们用频率的复现性表示。如下式：

月：垒

Ｖ（２６）

不同条件下，频率改变量为却．３Ｆ均频率为ｖ。

稳定度和复现性在半导体激光器输出频率的改变时，要同时考虑这两个指标。２．２３激光器频率变化的数学模型‘嘲

通过激光原理的分析．我们知道原子跃迁谱线频率■ｔ光学谐振腔谐振频率Ｉ对激光振荡频率都有影响。忽略饱和效应，激光振荡频率可表示为：

ｒ：生竺垫生±垒生！

Ａ■■＋‘Ａｔ（２７）

在近红外和可见光波段，其△匕２１０４～１旷９．而Ａｔ。１０４～ｌ旷７，上式可以简化为：

ｒ＝Ｉ＋（吒一Ｉ’茁ＡＶ（２８）上式说ｎＪＴ：ｒ的变化是由△■及△Ｉ的变化共同决定的ａ由式（２８）中的第二项以频率牵引效应表示出米谱线对Ｖ的影响，牵引效应的比例系数为ＡＶ＜／Ｊ屹 在通常情况下由于频率牵引效应很小．而△ｒ对环境影响很敏感．因此ＡＶ，的稳定性决定了Ｖ的稳定性。

在不考虑原于跃迁｛｛警线频率微小变化的情况下，Ｖ主要由ＡＶ，决定．即有ｖ—ｇ轰

长或腔内的折射率ｎ发生变化，则ｒ也将变化。（２９）式中．腔长Ｌ；光速ｃ；腔内介质的折射率ｎ：纵横的序数ｑ。从式中可以看出，若腔

如一州券＋舄一Ｖ等＋争ｃ：．㈨

Ｈ＝ｌ等Ｈ等Ｉ

ｆｌ：３上式我们可以看到，通过保持腔长和折射率。可以使激光器的频率稳定。

２２（２１１）３影响激光频率稳定的因素

半导体激光器实际工作条件比较复杂，它耍适应不同的极端环境，外界干扰较多，加上ＬＤ长时问工作自身产生的各种噪声也会对其稳定性产生较大影响。从上面分析可以看出，激光输出频率的稳定性受到谐振腔的长度和折射率发生改变的影响．具体的影响有以下儿个方面：

（１１温度改变的影响

温度变化会影响半导体激光器输出频率的长期稳定性。因为随着周围环境温度的变化，半导体激光器工作时会产生热量，它影响着谐振腔材料的伸缩性，会造成激光频率的漂移．但是这种改变比较缓慢删。

（２）大气变化的影响

由于大气折射率受到气压、温度、湿度的改变会发生变化．对于一部分暴露在大气中的外腔式激光器．它的激光振荡频率将发生相应的变化。因而要求外腔激光器应尽可能少豹暴露在大气中．并屏蔽直接通风。

（３）磁场的影响

殷钢材料作为激光谐振腔删隔器的材料能减小温度的影响，但谐振腔腔长的变化－是由它的磁致伸缩性质引起的，因此，我们在考虑对激光器的稳频时，必须要考虑杂散磁场的影响．而它是由地磁场效应和周围电子仪器产生的。

（４）机械振动的影响

半导体激光器谐振腔的支架外界机械振动时．谐振腔的光学长度会随之改变．因而坊震是稳频激光器必须采取的措旌．来避免造成振荡频率的漂移

综上所述．机械振动、环境温度的变化等外界干扰影响激光频率的稳定性，影响严重的话会使激光器工作失常。由此我们看到，采取必要的稳频措施是半导体激光器能稳定工作的前提。虽然采取了恒温、稳定电源等稳频方法，然而其稳定性和复现性在自由运转时很难达到ＩＯ呻量绂。因而我们有必要使用主动稳频来对半导体激光器进行控制，能对频率稳定性和复现性得到进一步改善。主动稳频方法有很多，下面我们简单介绍几种．井分析下每种方法的优劣。

２．３ＬＤ的主动稳频方法

主动稳频是稳定山于电流，温度等环境周素影响ＬＤ的输出波长．从而保持谐振腔光程长度的稳定性．使输出光柬的质赫得到改善而采取的措施。下面对稳频方法做以简单介绍：

一、光反馈

要达到半导体激光器的输出频率稳定，我们可以通过使激光震荡腔Ｑ值的提高束达到目的。其中光栅光反馈稳频和标准具光反馈稳频应用较为广泛，下面我们主要介绍第一种。

光栅光反馈稳频指激光射到一个光栅上．输出光为零绂衍射光，而一级衍射光直接被反射回去．因此只需改变输出光到达光栅上的角度（转动光栅）就能实现调谐．光栅的光学反馈将输出线宽压窄到大约１ＭＨｚ口Ｊ。

幽２．８Ｌｉｔｔｒｏｗ结构中的光棚调精

光栅光反馈稳频主要应用于光谱工作。它的可调性好．但存在频率漂移问题，并且反馈稳定行‘线宽）较差。我们可以通过光反馈。将输出频率锁定到有绝对频率的参考频率一ｈ．从而能获得很好的频率长期稳定性。

二、电反馈稳频方法

这种稳频方往依据进择参考频率的不同分为两类。第一类、将激光频率琐定到以原子跃迁的中心频率作为参考频率。属于这类方法的有：兰姆凹陷法、塞曼效应法、双纵模热稳频等。这类方法简单易行．可以得到１矿的稳定度，能够满足一般精密测量的需要，但是复现度不高．只有１０一。另一类、把震荡频率锁定在外界的参考频率上，例如参考频率选用原子或分子的吸收线。属于这类方法的有：饱和吸收法。这种稳频方法较为复杂．但可以得到较高的稳定度和复现度。

】、兰姆凹陷稳频

图２．９为兰姆凹陷稳频系统示意图，兰姆凹陷法参考频率选择增益曲线中心频率‰为使频率稳定于ｖｏ．激光器的腔长利用电子伺服系统通过压电陶瓷进行控制。

惟也附瓷姑圯器

Ｉ！Ｉｌ２．９兰姆凹陷稳频系统示意幽

图２１０示出丁输出功率．频率曲线。频率稳定点我们选择在原子谱线中心频率Ⅶ处输出功率的极小值。其稳频过程如下：加控制激光工作频率ｖ的直流偏压和控制腔长Ｌ的频率为ｆ的调制电压于压电陶瓷上。当ｖ＝Ⅶ时．无附加的电压输送到雎电陶瓷上，是由于选频放大器输出为零．而造成这一结果是由于输出功率ｐ以２ｆ作周期性变化，调制电雎使激光频率在”ｏ附近变化造成的。因而，此时半导体激光器工作频率为ｎ并继续工作于ｖｏ。当Ｖ＞Ｖｏ时．调制电压与激光输出功率按ｆ变化的调制频率的相位相同。送入相敏检波嚣进行选频放大的电信号颁经光电接收器转化而来，馈送到压电陶瓷外表面上的是负的直流电压经直流放大、调制升压与整流后的值。而负的直流电压是由相敏检波器输出来的。馈送的压电陶瓷上的电压值通过使压电陶瓷缩短，而达到控制腔长伸长的目的．这时激光震荡频率饿复到中心频率ｖｏ。当Ｖ＜Ｖ０时。电压调制相位与输出功率的调制相位相差ｚ．使压电陶瓷伸长的正的直流电压由相敏检波器输出．并使激光震荡频率ｖ自动回到中心频率Ⅶ口Ｉ。

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幽２１０兰螂凹陷稳捌原理示意闰

采用此种方法使频率的稳定性得到改善。要求兰姆凹陷窄而深，凹陷深度应达ｆ，８．使频率漂移能产生足以将频率拉回％的误差信号，此时频率稳定性优于４，。２、饱和碾收稳频

图２．１Ｉ表示了反兰姆凹陷形成的过程。饱和吸收及为反兰姆凹陷，指把吸收管放在谐振腔内，在ｖ。处激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰的现象。这种方法与兰姆凹陷稳频类似，但它具有比兰姆凹陷更窄的宽度，较大斜率的凹陷．能达到更好的稳频效果。另外，由于低压气体吸收峰的频率在吸收管内很稳定，因而频率复现性好‘”ｌ。

月∽

Ｏ

图２１１反兰姆凹陷

３、塞曼效应稳频

塞曼效应指处于磁场中的发光原子系统，在磁场的作用下其原子谱线会发生分裂的现象。双频输出屉指由于原子谱线的分裂，产生具有一定频差的右旋光和左旋光。利用双频稳频的激光器。它的鉴额的误差信号是利用二圆偏振光输出功率之差值而得到的。我们要使得激光频率稳定在措线的中心频率处，需要鉴频误差信号通过伺服系统来控制激光器的腔长。双频激光器稳频的频率稳定性可迭１０叫ｏ～１０叫１，频率复现性为１０～～１０一Ｓ１３５ｌ。

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幽２１２为塞曼散心稳撷原理刚

４、无源腔稳额

图２－１３是利用Ｆ－Ｐ干涉仪稳定半导体激光器的示意图。参考频率选择外界无源腔的特征频率，而Ｆ．Ｐ干涉仪光功率的变化是由激光频率的变化引起的。要使激光频率稳定于无源腔的瑗佳透过频率，误差信号采用与兰姆凹端稳频类似的鉴频方法得到，

然后我们利用得到的误差信号去控制激光器的腔长１…１。用作频分复用光通信的发射光源及频率间隔固定的多蹄激光，他们是由不同级次帕透过峰经多个激光器频率稳定其上而得割的。

Ｆ－Ｐｉ。涉仪

幽２．１３无谭腔稳频示意瞰

电反馈通过使用标准的激光稳频方法，激光频率的调制特性不会受到影响．但在压窄激光线宽方面存在困难。它的调谐范围不能像光反馈那样进行扩展。

三、混合稳频系统

利用上述两种方法相结合的稳频系统称为混合稳频系统。它有两种基本类型：第一类，外腔光反馈控制输出激光的频率，而腔长由电反馈进行调节。第二类、在光反馈的基础上．将外腔模锁定到原子或分子的跃迁谱线上．可以获得更好的长期稳定性。混合系统能同时获得很好的长期稳定性和短期稳定性。

在简单比较三种类型方法的优缺点后，我们采用第二类混合稳频的方法，及在光反馈的基础上．通过采用ＦＡＤＯＦ滤波嚣作为原子稳频基准，来共同稳定激光器的频率输出．获得良好的长期稳定度。

奉章主要介绍了半导体激光器的结构及工作原理，通过温度、电流与输出光功率曲线的分析，阐述了稳频的基本原理。同时分析了三种类型的稳频方法的优缺点。下章我们分析以ＦＡＤＯＦ滤波器为稳频基准的直接光反馈稳频方法，同时在直接光反馈稳频方法的基础上，提出半导体激光嚣稳频系统的设计方案。

第三章半导体激光器稳频总体框架

通过上章稳频方法的研究，我们在光反馈的基础上．将外腔模锁定到咀ＦＡＤＯＦ滤波器作为原子稳频基准的透射峰上．使半导体激光器能长期稳定工作。下面我们先来介绍以ＦＡＤＯＦ滤波嚣作为选频元件的半导体激光器光反馈理论，然后介绍电反馈的实施方案。

３．Ｉ半导体激光器的ＦＡＤＯＦ原子稳频

近年来发展起来的新型半导体稳频激光器是直接利用原子ＦＡＤＯＦ稳频的半导体激光器。ＦＡＤＯＦ滤波器主要用作该稳频激光器的选频元件，它不像其它的原子器件那样在原子跃征频率酣近，表现为对光吸收，而是在原子跃迁频率附近．表现为对光透射。本文通过宜接光反馈的办法和腔内选频实现半导体激光器的稳频．腔内选频元件选择法拉第反常色散滤光器（ＦＡＤＯＦ）。这种稳频方案的优点是短期稳定性好、结构简单１２６Ｉ。

由于采用ＦＡＤＯＦ直接光反馈稳频作为稳频方法，因而有必要先对所选用的原子ＦＡＤＯＦ选频元件作一简要介绍。

３１１法拉第反常色散滤波器的原理和理论

法拉第反常色散滤光器（ＦＡＤＯＦ）是利用麸振光通过置于纵向磁场的原予蒸汽时，偏振面使入射光发生旋转这一共振法拉第效应制成的。它被广泛应用于激光通信，高速光调制等领域是因为具有工作频率在一定范围内可调谐、尚透射率、超窄带宽等优点ｔ３”。

圈３】为法拉第反常色散滤光器的工作原理结构示意图，ＦＡＤＯＦ出三部分组成：偏振棱镜，它由两个偏振方向ｉＦ．交的偏振嚣构成：原子蒸汽泡ｔ轴向蒸汽泡中的气体由ｃｓ原子构成；均匀磁场．为保证通光方向与磁场方向一致．我们采用永磁铁来提供ｔ而体积大、功耗大的电磁型一般用于磁光调制。

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～秒≥㈣召。ｉｌ．３．１．２ｋ峄～＿盟蹦３ｌＦＡＤＯＦｒ作原理一黪７、导■偏振面发生旋转的现象．是偏振光通过原子蒸汽泡时产生的，为获得窄带宽的最大透射谱应适当调节工作参数。ＦＡＤＯＦ之所以受到格外的重视，得到迅速研究和发屣，是由于ＦＡＤＯＦ滤光器的优异的滤光性能【ｌ”。ＦＡＤＯＦ器件的工作环境

由于ＦＡＤＯＦ受到温度和电磁场的影响｝艮大，其中由于本文采用永磁体提供均匀磁场．则磁场的影响可以忽略．则主要影响来自温度，因此我们有必要使ＦＡＤＯＦ在恒温条件下工作。因为只有它稳定工作．才能用作半导体激光嚣光反馈的原子稳频基准，使半导体激光器能更好的稳定工作。本论文采用圆柱形的ＦＡＤＯＦ样品池。温度控制山一电子控温系统实现。磁场的方向应与泡轴方向平行．袍体的温度由铂金丝热敏电阻直接测泡壁中段的温度，按无磁场绕制的方法绕制加热炉中铠装加热丝，并与温控器相联实现自动控温加热。由铝合金骨架起到固定隔热玻璃套以及磁体部份作用的真空玻璃圆筒来提供保温层【Ｉ”。

３．１．３Ｃｓ原子ＦＡＤＯＦ光反馈稳定半导体激光器

上面主要介绍丁ＦＡＤＯＦ滤波器工作原理即对工作环境的要求．下面我们来介绍ＦＡＤＯＦ是如何通过光反馈对半导体进行稳频的。

３．１．３．１ＦＡＤＯＦ的光反馈稳频原理

在９０８ｎｍ附近，相隔９．２ＧＨｚ的两个吸收线的两翼，各有一对翼状的透射峰，他们可直接用于光反馈．主要是由于透射率高、透射带宽窄（约ＯＨｚ盈级），井作为绝对频率基准。

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圈３．２Ｃｓ原子Ｆ＾ＤＯＦ挫射谱

图３３所示为光反馈原子ＦＡＤＯＦ稳频的稳频原理，激光二极管ＬＤ的外腔出靠左的解理面与反射镜Ｒ构成．选频元件选择外腔中放置的ＦＡＤＯＦ滤光器。只有在ＦＡＤＯＦ某一透射通带内，激光器发射的激光频率，才能通过ＦＡＤＯＦ滤光器，井到达反射镜ｔＦＡＤＯＦ对反射光进行选频后．它通过反射回激光器而形成光反馈。由于半导体激光器对光反馈报敏感．困此半导体激光器的输出功率通过报弱的反馈光就能得到控制。

圈３．３稳频系统原理图

３．１３．２光反馈实验

图３．４为实验原理图．半导体激光器采用ＬＤＭ－８０８－１２０，１２０ｒｏｗ的最大输出功率。用于准直的镀膜短焦距透镜Ｌ，Ｔ＝１００＂Ｃ，Ｌ＝２ｃｍ．Ｂ＝２００Ｇ，优化状态下ＦＡＤＯＦ器件透射谱阁如罔３．２所示。Ｒ是反射率为３０％的耦台输出镜。用于激光稳定性测量的光由分束镜ＢＳｌ分出．进入扫描标准具，自山谱范围为３００ＭＨｚ。同步信号由堪过从数字示波器ＣＨＩ通道输入的光信号经扫描信号衰减扁得到．用作触发源同步的信号从数字示波器ＣＨ２接八。分柬镜ＢＳ２分出的光，首先要经过光电探测器ＰＤ２，将接收的光信号转化为电信号，此电信号在通过数据采集单元，最后通过ＲＳ２３２送入计算机中．计算机在对其进行存储和处理，它主要的作用是监视随时间变化的激光器输出光功率。上面我们介绍了在８３０ａｍ附近．ＦＡＤＯＦ有四个透射峰．３９．４３ｍＡ、４２．７２ｍＡ，４８．０２ｍＡ、４９．２８ｍＡ分别为他们的中心所对应的电流。在温度一定的情况下．通过改变半导体激

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