張 胤，王斯琦

(1.北京大學信息科學技術(shù)學院，北京100871;2.吉林大學通信工程學院，長春130012)

0 引言

半導體激光器自問世以來，以其體積小、效率高、成本小、結(jié)構(gòu)簡單和便于調(diào)諧等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于光纖通信、高分辨率激光光譜、新型量子頻標、激光探測等前沿科學研究方面。但半導體激光器輸出頻率對其工作環(huán)境極其敏感，使半導體激光器的實際應用受到了限制。因此半導體激光器的穩(wěn)頻控制研究具有重要意義和應用價值，這將會為半導體激光器開辟更廣闊的應用前景［1］。

筆者設(shè)計的半導體激光器三次微分穩(wěn)頻系統(tǒng)是以C8051F020單片機為控制模塊，集成采集、放大、運算、判斷及輸出控制電路，還可進一步實現(xiàn)穩(wěn)頻控制系統(tǒng)和測試單元間的數(shù)據(jù)交換和存儲，通過其控制激光器尋找譜線，繼而鎖定譜線，并在失鎖后迅速找回譜線重新鎖定，達到長期穩(wěn)頻的目的。

1 半導體激光器穩(wěn)頻的基本原理及方法

半導體激光器在外界環(huán)境的干擾下，其輸出的激光頻率經(jīng)常隨時間變動。影響半導體激光器輸出頻率的因素有很多，如注入電流、工作溫度、載流子濃度、腔長、增益、能隙和折射率等。但在諸多影響因素中，工作溫度和注入電流是較容易控制的參量，所以通常會采取溫度控制和電流控制技術(shù)穩(wěn)定半導體激光器的輸出頻率［2，3］。半導體激光器的穩(wěn)頻是個動態(tài)的平衡過程，控制系統(tǒng)通過比較激光頻率和參考頻率，產(chǎn)生誤差信號用于控制激光器的驅(qū)動電流或外腔長度，達到要求的輸出頻率。目前比較常用的穩(wěn)頻方法主要有外腔穩(wěn)頻方法、F-P腔穩(wěn)頻法和原子(或分子線)穩(wěn)頻法等。其中原子(或分子)基準穩(wěn)頻法是利用原子或分子的飽和吸收特性，將激光器的頻率鎖定在原子或分子的飽和吸收峰上。使激光器的頻率保持穩(wěn)定，這種方法可以獲得長期的頻率穩(wěn)定性［4，5］。

筆者利用原子或分子躍遷線作為頻率標準實現(xiàn)激光頻率鎖定，采用飽和吸收譜三次諧波穩(wěn)頻技術(shù)，消除多普勒背景的影響，并用C8051F020單片機產(chǎn)生三次諧波參考信號及調(diào)制信號進行鑒相及調(diào)制，利用誤差信號進行反饋，從而控制激光器的控流模塊，達到穩(wěn)定激光頻率的目的。

2 半導體激光器穩(wěn)頻系統(tǒng)的設(shè)計

穩(wěn)頻技術(shù)的關(guān)鍵是采集并檢測輸出頻率的變化量并將其轉(zhuǎn)化為電信號，通過計算判斷得到誤差信號，再反饋以控制半導體激光器的注入電流和工作溫度，使輸出的激光頻率基本保持不變。當發(fā)現(xiàn)半導體激光器輸出頻率的中心頻率發(fā)生偏移時，電流的調(diào)節(jié)速率高，但頻率補償范圍小;溫度的調(diào)節(jié)速率低，但頻率補償范圍大，該實驗采取先調(diào)節(jié)電流后調(diào)節(jié)溫度的方式，使輸出激光頻率穩(wěn)定地逐次接近中心頻率。整個控制過程通過C8051F020單片機數(shù)字輔助完成。

2.1 光路系統(tǒng)設(shè)計

該實驗采用飽和吸收信號的三次微分穩(wěn)頻方法實現(xiàn)，光路部分如圖1所示。由分布式反饋(DFB:Distributed Feedback Laser)激光器產(chǎn)生激光，經(jīng)過偏光分束鏡(PBS:Polarized Beam Splitter)分成兩束:一束用做飽和吸收產(chǎn)生飽和吸收光譜信號;另一束作為激光器的激光輸出。用做飽和吸收的光束經(jīng)過一個PBS作為泵浦光進入吸收池(CELL)，再經(jīng)過衰減片(ATT:Attenuator)和λ/4玻片(QWP:Quarter Wave Plate)到達反射鏡(MIRROR)，由反射鏡返回的光束再次經(jīng)過ATT及QWP作為探測光進入CELL并與泵浦光重合，產(chǎn)生飽和吸收效應，再經(jīng)PBS后進入光電探測器(PD:Photo Diode)得到飽和吸收信號［6-8］。得到的飽和吸收譜線(SAS:Saturated Absorption Spectroscopy)如圖2所示。

圖1 實驗光路結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental optical structure

圖2 飽和吸收光譜Fig.2 Saturated absorption spectroscopy

2.2 三次微分穩(wěn)頻系統(tǒng)的硬件設(shè)計

穩(wěn)頻電路系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖3所示。由C8051F020單片機控制產(chǎn)生穩(wěn)頻所需要的調(diào)制信號，調(diào)制信號進入激光器控流模塊，經(jīng)飽和吸收光路得到光譜信號再進入電路部分，經(jīng)過隔值、放大、帶通濾波、次級放大后進入鑒相模塊，與單片機提供穩(wěn)頻的鑒相參考信號(三次諧波)進行鑒相。帶通濾波放大的作用是對得到的光電信號進行選頻放大，濾掉其余的頻率成分，對于三次穩(wěn)頻方法，帶通濾波放大的作用是選出相應鑒頻信號(三次諧波成分)。鑒相器相當于乘法器，實現(xiàn)參考信號和相應鑒頻信號的乘法運算，從而得到誤差信號［9］。誤差信號經(jīng)過低通濾波、放大，其作用相當于積分放大器，對輸入信號在基頻信號的周期上進行積分運算，得到輸入信號的直流成分［10，11］。對直流成分進行放大，進入PID(Proportional Integral Differential)運算，由單片機控制將其運算結(jié)果反饋給激光器控流模塊，電流調(diào)整可以達到很高的精細度，但幅度不宜過大，所以，在電路上同時設(shè)計了溫度粗調(diào)的功能，這部分功能也由單片機控制完成。通過溫度粗調(diào)、電流細調(diào)兩者相結(jié)合的方式實現(xiàn)對激光管工作點的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)半導體激光器的穩(wěn)頻。

圖3 三次微分穩(wěn)頻系統(tǒng)電路原理框圖Fig.3 Stabilization schematic diagram of the third harmonic frequency

2.3 C8051F020單片機找譜流程設(shè)計

在整個C8051F020單片機控制穩(wěn)頻程序中，最重要的是找譜機制。經(jīng)溫度、電流初始化后，開始進行電流掃描，利用零點判斷及過零點斜率判斷是否為譜線，通過對譜線位置的判斷是否為實驗需要的譜線，當確定為實際所需則鎖定。另外不斷校驗信號的幅度，以判斷是否失鎖，一旦發(fā)生失鎖，返回電流掃描重新尋找并鎖定譜線。按照圖4所示流程進行微控制器的程序編寫，實現(xiàn)找譜機制。

圖4 C8051F020控制程序流程Fig.4 C8051F020 program flow

3 穩(wěn)頻結(jié)果的測試

該系統(tǒng)通過拍頻實驗進行測試，實驗裝置如圖5所示。穩(wěn)頻激光器輸出的激光經(jīng)反射鏡反射，由一塊λ/2片調(diào)整偏振方向，通過一塊PBS與穩(wěn)頻激光器二輸出的激光合束拍頻，拍頻光信號通過雪崩光電探測器(APD:Avalanche Photo Diode)接收，APD接收的拍頻信號通過微波線接入HP53131A頻率計進行測量。頻率計的測量結(jié)果通過GPIB(General-Purpose Interface Bus)接口用LabVIEW 軟件自動采集，并進行計算［12，13］。

圖6同時給出了133Cs的D2躍遷超精細能級結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)要求穩(wěn)頻激光器1鎖定在銫原子的F=4—F'=4譜線上(圖6中A線所示)，穩(wěn)頻激光器2鎖定在銫原子的F=4—F'=5譜線上(圖6中B線所示)。兩臺穩(wěn)頻激光器拍頻信號的中心頻率應在251 MHz左右。

圖5 頻率穩(wěn)定度測量實驗裝置Fig.5 Beat frequency experimental facility

圖6 133Cs的D2躍遷超精細能級結(jié)構(gòu)Fig.6 133Cs D2transition hyperfine structure

通常用穩(wěn)定度描述穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定性。短期穩(wěn)定度定義為所測頻率的相對差值y(t)的N次取樣方差

其中m是測量的總次數(shù)，yk是第k次測量的頻率值。測試中，設(shè)定頻率計fGATE=1 s，連續(xù)采集940 000個數(shù)據(jù)(約26 h)，計算頻率穩(wěn)定度。圖7a為通過軟件計算得到的該實驗設(shè)計的激光器頻率穩(wěn)定度測試曲線，圖7b為阿倫方差，當積分時間τ=1 s時，秒級穩(wěn)定度為8.39×10-11;當積分時間τ=1 024 s時，穩(wěn)定度為7.99×10-12，達到了預期設(shè)計要求。

圖7 穩(wěn)定度的測試曲線Fig.7 The stability test curve

4 結(jié)語

筆者采用C8051F020單片機控制，設(shè)計了三次微分數(shù)字輔助穩(wěn)頻激光器。通過溫度粗調(diào)與電流細調(diào)相結(jié)合的方法進行頻率控制，實現(xiàn)了開機自動穩(wěn)頻，并且能連續(xù)穩(wěn)定工作。在失鎖后，能實現(xiàn)重新鎖定。系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度達到秒穩(wěn)8.39×10-11，千秒穩(wěn)7.99×10-12，滿足實際工程需要。此外，通過C8051F020單片機的輔助控制，激光器穩(wěn)頻更加智能、穩(wěn)定和可靠，而且外設(shè)高度集成，為實現(xiàn)穩(wěn)頻半導體激光器的小型化和模塊化提供了參考和借鑒。

［1］周炳琨，高以智，陳倜嶸，等.激光原理［M］.6版.北京:國防工業(yè)出版社，2011.ZHOU Bingkun，GAO Yizhi，CHEN Zhourong，et al.Laser Principle［M］.6th ed.Beijing:National Defence Industry Press，2011.

［2］藍信鋸.激光技術(shù)［M］.3版.北京:科學出版社，2009.LAN Xinju.Laser Technology［M］.3rd ed.Beijing:Science Press，2009.

［3］韓順利，仵欣.半導體激光器穩(wěn)頻技術(shù)［J］.紅外與激光工程，2013，42(5):1189-1193.HAN Shunli，WU Xin.Frequency Stabilization Technologies of Semiconductor Laser［J］.Infrared and Laser Engineering，2013，42(5):1189-1193.

［4］ZHOU Xiaoji，CHEN Xuzong，CHEN Jinbiao，et al.Microwave Atomic Clock in the Optical Lattice with Specific Frequency［J］.Chin Phys Lett，2009，26(9):090601-1-090601-4.

［5］GUO Tao，DENG Ke，CHEN Xuzong，et al.Atomic Clock Based on Transient Coherent Population Trapping［J］.Appl Phys Lett，2009，94(15):151108-1-151108-3.

［6］XIONG Wei，ZHANG Yin，MA Zhaoyuan，et al.Estimating Optical Lattice Alignment by RF Spectroscopy［J］.Chin Opt Lett，2012，10(9):090201-1-090201-5.

［7］DUAN Jun，QI Xianghui，ZHOU Xiaoji，et al.Detection of Saturated Absorption Spectroscopy at High Sensitivity with Displaced Crossovers［J］.Opt Lett，2011，36(4):561-563.

［8］DENG Ke，CHEN Xuzong，WANG Zhong.Minimization of the Temperature Coefficient of Resonance Frequency Shift in the Coherent Population Trapping Clock ［J］.Opt Lett，2011，36(10):1740-1742.

［9］DENG Ke，GUO Tao，HE Dingwu，et al.Effect of Buffer Gas Ratios on the Relationship between Cell Temperature and Frequency Shifts of the Coherent Population Trapping Resonance［J］.Appl Phys Lett，2008，92(2):211104-1-211104-3.

［10］YI Lin，QI Xianghui，CHEN Wenlan，et al.Enhancing the Signal-to-Noise Ratio of Optical Frequency Beating Using Open-Loop Photonic Crystal Fiber［J］.Optics Communications，2009，281(8):4081-4087.

［11］黃家強，顧源，張胤，等.DFB半導體激光抽運銣原子頻標［J］.時間頻率學報，2012，35(2):66-69.HUANG Jiaqiang，GU Yuan，ZHANG Yin，et al.A DFB Laser-Pumped Rubidium Atomic Frequency Standard［J］.Journal of Time and Frequency，2012，35(2):66-69.

［12］代壽剛，王剛，常永偉，等.基于虛擬技術(shù)的嵌入式無線教學互動系統(tǒng)［J］.吉林大學學報:信息科學版，2011，29(3):191-195.DAI Shougang，WANG Gang，CHANG Yongwei，et al.Embedded Wireless Teaching Interaction System Based on Virtual Technology［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2011，29(3):191-195.

［13］趙玲，田小建，梁磊，等.基于自動頻率跟蹤的虛擬數(shù)字鎖相放大器［J］.吉林大學學報:信息科學版，2012，30(1):5-11.ZHAO Ling，TIAN Xiaojian，LIANG Lei，et al.Virtual Digital Lock-in Amplifier Based on Automatic Frequency Tracking［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2012，30(1):5-11.

［14］DAVID W ALLAN.Statistics of Atomic Frequency Standards［J］.Proceedings of the IEEE，1996，54(2):221-230.