基于双F-P标准具的波长锁定
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摘 要：提出了一种基于双法布里-珀罗（F-P）标准具的波长锁定方法，利用Littman结构的外腔型可调谐激光器、标准具、波长计等搭建了一套波长锁定实验系统，将激光器调至波长范围内任意波长，分别在关闭和开启波长锁定的两种情况下记录波长变化，实验结果表明，该波长锁定方法能显著提高Littman结构可调谐激光器的波长稳定性。
关键词：波长锁定;F-P标准具;可调谐激光器
中图分类号：TN248 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）11-0030-03
Abstract： Propose a wavelength locking method based on double Fabry-Perot （F-P） etalon. A wavelength locking experimental system is set up by using the external cavity tunable laser of Littman structure， Fabry-Perot etalon and wavelength meter. The laser is adjusted to any wavelength in the wavelength range， and the wavelength changes are recorded under the conditions of switching off and on wavelength locking respectively. The experimental results show that Wavelength stability of a Littman structure tunable laser can be significantly improved by the wavelength locking method.
Keywords： wavelength locking; Fabry-Perot etalon; tunable laser
引言
可调谐激光器包括分布反馈型可调谐激光器（DFB）、分布布拉格反射型可调谐激光器（DBR）、可调垂直腔面发射型可调谐激光器（VCSEL）和外腔型可调谐激光器（ECDL）。其中外腔型可调谐激光器具有调谐范围宽，光谱分辨率高，光谱质量高等优点，适合作为测试仪器，广泛应用于高速光通信、雷达、电子对抗、光纤传感等领域的设备研制、试验与生产测试。波长稳定性是可调谐激光器的重要技术指标，波长锁定是实现波长稳定性的重要技术手段，研究波长锁定具有重要意义。
波长锁定的功能是提供实时的波长误差信号，并提供反馈信号调节波长，保证激光器输出波长稳定，目前对波长锁定的研究较多，论文[1]介绍了一种多普勒吸收光谱波长锁定方法，在特定波长点实现了0.0006nm的波长锁定精度，论文[2]使用ZEMAX软件设计、模拟和分析了可调谐DBR激光器进行锁定的光路系统，论文[3]设计了可调谐三段式DBR激光器波长锁定系统，论文[4-5]介绍了基于F-P标准具的波长锁定。其中基于F-P标准具的波长锁定占用空间小、可实现连续波长范围的波长锁定，但是当波长处于F-P标准具峰值点时无法实现波长锁定，而可调谐激光器要求波长连续可调，需要实现其波长范围内任意波長点的锁定，针对这个问题，本文提出了基于双F-P标准具的波长锁定方法，并利用Littman结构的外腔型可调谐激光器搭建实验装置进行验证。
1 实验原理
1.1 Littman结构的外腔型可调谐激光器原理
Littman结构的外腔型可调谐激光器包含四个部分：增益介质、耦合镜、端面反射镜和滤波器件。增益介质采用外腔半导体芯片，产生光放大，同时需要避免增益介质引起的内部震荡;耦合镜用于光束变换，提高外腔的耦合效率;端面反射镜为外腔两端的反射镜片，可以是反射镜，也可以直接通过外腔半导体芯片的端面进行反射，通过反射镜产生外腔震荡。采用光栅作为滤波器件，通过光栅衍射进行滤波，产生单波长输出。如图1所示，光栅位于基座上，反射镜M2和增益介质产生自发辐射光，入射到光栅上，产生衍射，零级衍射光输出，作为激光输出，或者用于信号检测;一级衍射光和光栅法线的夹角为θλ，一级衍射光通过反射镜M1反射，反射光通过光栅回馈到增益介质中，产生激光振荡，形成光放大，获取激光。激光输出可以通过零级衍射光或者反射镜M2输出。
外腔的作用是在外部形成一个可调的滤波器，帮助激光器进行模式选择，光栅为色散元件，是腔体的选频元件，它引起腔体的损耗产生改变，如图2所示，在低损耗区域内，纵模模式会产生竞争，形成单频的激光输出。
1.2 基于双F-P标准具的波长锁定原理
首先介绍基于单F-P标准具的波长锁定原理，图3为其示意图，横坐标为波长，纵坐标为功率，曲线为不同波长的光经过F-P标准具后的功率曲线，λlock为可调谐激光器波长范围内的某一波长点，P为波长λlock的光经过标准具的功率，当可调谐激光器输出波长由于环境温度改变等原因而偏离λlock时，经过标准具的光功率会发生改变，设变为P'，计算光功率偏差？驻P=P'-P，利用？驻P可推出激光器输出波长偏差，进而计算出激光器芯片的补偿电流值对激光器波长进行补偿，达到波长锁定的目的。
基于单F-P标准具的波长锁定方法能够实现部分波长点的锁定，但是当要锁定的波长处于标准具峰值点时，不管波长变大还是变小，P'均小于P，因此无法根据功率的变化判断波长偏移的方向，也就无法对波长进行补偿。本文提出的基于双F-P标准具的波长锁定方法可以解决这一问题。 基于双F-P标准具的波长锁定方法使用两个标准具，如图4所示，曲线1和曲线2分别为光经过标准具1和标准具2后的功率曲线，λlock为可调谐激光器波长范围内任意波长点，P1为波长λlock的光经过标准具1的功率，P2为波长λlock的光经过标准具2的功率。可以看出，λlock处于标准具2的峰值波长点附近，此时，可以利用标准具1实现波长锁定。同理，当λlock处于标准具1的峰值波长点附近时，可利用标准具2实现波长锁定。
2 实验及结果分析
2.1 实验装置
实验装置主要由计算机、采集卡、腔体、标准具等组成，如图5所示，其中腔体包含光源和其它外腔部件构成，光源采用一面镀有增透膜（反射率小于0.01）的半蝶式封装SAF1550S2 （Thorlabs，Inc激光器，中心波长为1550 nm，允许通过的最大电流为500 mA），驱动该芯片的LD控制器采用Arroyo公司的6310半导体激光控制器，其最大输出电流为1A，腔体其它部件采用Thorlabs公司的Littman腔体组件，提供了步进电机控制器，可以实现腔体中步进电机的控制，推动腔体中的反射镜转动，实现波长调节。由于该腔体没有温控功能，因此波长会随环境温度的改变而产生漂移。采集卡采用NI公司的9223数据采集卡，可以实现最大1MS/s的采样速率，耦合器1采用10：90耦合器，耦合器2采用50：50耦合器，标准具采用两个频率均为100G但波长-功率曲线相差1/4周期的标准具。
在实验中，计算机控制LD控制器，驱动激光器芯片发光，控制步进电机控制器，调节输出光波长，输出光通过耦合器1分为两路，一路进入波长计，一路进入耦合器2，耦合器2又将光分为两路，一路进入标准具1，一路进入标准具2，并分别进入ADC1和ADC2，计算机通过采集卡获取ADC1和ADC2的信号数据，通过調用波长偏差计算算法得到当前的波长偏差，进而计算出激光器驱动电流所需的变化量，通过LD控制器改变激光器芯片输入电流，改变输出波长。循环执行这一过程，最终使波长偏差小于阈值，达到波长锁定目的。
波长锁定算法流程图如图6所示，其中λlock为锁定波长点，λpeak（1，i）为标准具1的某一峰值波长，P1为波长λlock的光经过标准具1的功率，P2为波长λlock的光经过标准具2的功率。
2.2 实验结果分析
按照图5搭建外腔型可调谐激光器波长锁定实验系统，开展波长锁定实验。利用波长计对波长进行实时监测，控制步进电机控制器调节腔体内的步进电机位置，使输出光波长为1550.528nm，该波长为标准具2的峰值波长点，关闭波长锁定系统，每隔1分钟记录波长计显示的波长值，记录下51个波长数据，结果显示，输出波长随时间变化产生周期性漂移，波长变化达20pm以上，如图7所示。然后开启波长锁定系统，将波长调至1550.528nm，同样每隔1分钟记录一次波长值，共记录51个数据，结果显示，波长变化幅度小于2pm，如图8所示。
3 结束语
针对可调谐激光器的波长锁定问题，本文提出了一种基于双F-P标准具的波长锁定方法，并利用Littman结构的可调谐激光器进行了实验验证，实验结果表明，本方法可以实现可调谐激光器波长范围内任意波长点锁定，锁定精度2pm以内。
参考文献：
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[4]林屹.可调谐半导体激光器波长检测与控制的研究[D].武汉：华中科技大学，2015：14-18.
[5]杨兴，高飞，陈海清，等.基于法布里-珀罗标准具实现波长锁定的可调谐激光器的光学系统设计与实现[J].光学与光电技术，
2016，14（05）：29-33.
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