1 引言

随着光电子技术的发展,窄线宽光纤激光器和固体激光器广泛应用于光纤传感、激光探测和成像等领域。与光纤激光器和固体激光器相比,半导体激光器具有体积更小、价格更低、输出光功率和量子效率更高的优势。然而,半导体激光器较低的波导端面反射率和较小的尺寸使其噪声性能相对较差^[1-2]。在电磁透明技术、精密光谱以及物质波干涉等研究领域,均需要两束频率偏差非常精准的激光。在很多情况下,如果要实现特定的能级跃迁,需要对每一个激光器进行稳频操作,从而增加了技术复杂度和系统成本。为解决这些问题,采用光学锁相环(OPLL)电路实现数据信号和本振传输的载波相位同步技术引起人们的广泛关注^[3-5]。OPLL技术能够将2个独立光源发出的激光变为相位相干,实现从激光器相位噪声的大幅度降低,即线宽的压窄^[1],并且两束激光的频率偏差可以灵活控制^[6]。该技术在光通信、精密光谱学测量、光与原子相互作用、微波光子学、光纤传感^[7-10]等领域正逐步得到广泛的应用。

在典型的外差OPLL中,半导体激光器作为电流控制的振荡器,其频率和相位被锁定在频率和从激光器有一个射频(RF)频率偏差的主激光器上。为了实现稳定的锁相操作,环路带宽要大于主从激光器的线宽之和。在环路带宽内,通过环路反馈可以消除从激光器与主激光器之间的相位误差。利用外腔激光器和固体激光器等线宽较窄的激光器,很容易就能实现主从激光器之间稳定的锁相^[2,11],然而对于线宽相对较宽的半导体激光器,实现环路锁相则较为困难^[12]。

以单段式分布式反馈(DFB)半导体激光器为从激光器的OPLL,其环路带宽受限于从激光器的频率调制响应带宽。在低频区,热效应引起激光波长向长波方向变化,导致单段式半导体激光器的频率调制响应曲线出现红移;在高频区,载流子的注入引起材料折射率的变化,使得激光波长向短波方向变化,从而导致单段式半导体激光器的频率调制响应曲线出现蓝移。两者的综合作用使得在0.1~5 MHz的调制频段出现180°的相移,导致单段式DFB半导体激光器的锁相难以实现。为解决该问题,研究人员提出了双环或者边带锁定的方法,并获得了良好的锁相效果^[12-13]。本文采用在单环反馈回路中加入可调超前移相功能电路并优化相移参数的方法,实现MHz量级线宽半导体激光器相位与光纤激光器相位的锁定。采用超前移相功能电路实现反馈到从激光器电流驱动端电压信号相位的超前移相,抵消或降低180°相位反转对闭环锁相的影响,实现了稳定的锁相性能。此外,通过在反馈环路中增加可调增益功能单元,研究环路增益对OPLL锁相性能的影响,并给出最优的环路增益控制参数。

2 锁相原理

图1为单段式DFB半导体激光器外差OPLL结构原理图,反馈环路中增加了超前移相功能电路和可调增益电路。

图 1. 外差式OPLL原理图

Fig. 1. Principle diagram of heterodyne OPLL

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主、从激光器输出光波的光场可以表示为

Ei(t)=E0iexp(j2πΩit+ϕi),(1)

式中i=1代表主激光器,i=2代表从激光器;E_0i、ϕ_i分别为两激光器输出光波光场的幅度和相位;t为时间;Ω_i为光波的角频率。光电探测器输出的光电流可以表示为

Imm(t)=IDC+R'E01E02cos[ωmmt+(ϕ1-ϕ2)],(2)

式中ω_mm=Ω₂-Ω₁,R'为探测器的响应度。利用环路滤波器滤除鉴相所得的相位误差信号中的高频成分,相位误差信号经增益单元和超前移相功能单元后的反馈信号可以表示为

Ierr=KmaLOR'E01E02sin[(ωLO-ωmm)t+(ϕ2-ϕ1)-ϕLO+ϕPL(ωLO-ωmm)],(3)

式中K_m为鉴相器的电流响应度;a_LO、ϕ_LO分别为本地参考信号源的电流幅度和相位;ϕ_PL(ω_LO-ω_mm)为超前移相功能电路产生的相移量。反馈电路的开环传输函数可以表示为

Hop=GdcHF(jω)HFM(jω)exp[jωτ+ϕPL(ω)]jω,(4)

式中G_dc为环路增益,H_F(jω)为滤波器的频率响应函数,H_FM(jω)为从DFB激光器的频率响应函数,(jω)^-1为相位噪声随时间的积分。由(4)式可以看出,通过改变ϕ_PL(ω),即改变超前移相电路的移相参数,可让从激光器相位始终跟随主激光器的相位,实现了主从激光器相位的锁定,减小了从激光器相位噪声。

3 OPLL系统链路

单段式DFB半导体激光器OPLL系统结构如图2所示。在该系统结构中,主激光器采用线宽为10 kHz量级的光纤激光器,输出光功率约为1 dBm;从激光器选择线宽为MHz量级的DFB半导体激光器FRL15DCW,输出光功率约为3 dBm。主从激光器拍频所得的光信号经过宽带光电探测器,再经光电转换后转变为高速电信号。经高通滤波器滤掉直流成分的高速电信号被送入OPLL鉴相控制系统,通过现场可编程逻辑门阵列(FPGA)控制大带宽鉴相器件(ADF4118,ADI公司,美国)的分频系数,对拍频信号经光电转换后的RF信号和基准参考信号分别进行分频。利用ADF4118对分频后的信号进行鉴相,所得的误差信号经低通环路滤波器滤波后被送入比例-积分-微分(PID)伺服控制系统,经过可调增益电路和超前移相功能电路反馈后被送入从激光器驱动电路中,实现OPLL的闭合环路反馈功能。PID反馈带宽要小于低通滤波器的截止频率;相位鉴频器(PFD)采用ADF4118芯片,该芯片具有极低的相位噪声,在1 Hz带宽内的相位噪声基底为-213 dBc/Hz,所选用的PFD芯片鉴相频率高达104 MHz,能在大宽带的链路中工作,调谐频率的最小步进为100 kHz,环路滤波器的带宽为23 kHz。ADF4107对主从激光器拍频所得的信号和鉴相参考信号进行不同分频系数的分频,得到鉴相器鉴相工作频率之内的频率值,对主从激光器的拍频信号经光电转换所得的电RF信号和基准参考信号进行鉴相,所得的误差信号经低通环路滤波器滤波后被送入PID反馈回路,PID反馈回路的输出信号经可调增益电路和超前移相功能电路后被反馈到从激光器的驱动控制端。通过调节和优化超前移相功能电路和可调增益电路参数,实现从激光器对主激光器频率和相位的跟随。

图 2. (a)单段式DFB半导体激光器OPLL结构;(b)超前移相功能电路

Fig. 2. (a) OPLL structure of single section DFB semiconductor laser; (b) function circuit of lead phase shift

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合适的增益选择对实现锁相至关重要,较大和较小的增益都无法实现锁相。超前移相电路是DFB半导体激光器能否实现锁相的关键所在。本装置中PID伺服反馈控制部分的比例系数P<1,设置为0.2;积分常数I要大于DFB从激光器的频率响应带宽,设置为0.5 μs。

图 3. 单段式DFB半导体激光器频率调制幅度/相位响应曲线

Fig. 3. Frequency modulation amplitude/phase response curve of single section DFB semiconductor laser

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4 锁相实验

实验采用FITEL公司的DFB半导体激光器,其频率调制幅度/相位响应曲线如图3所示。由图3可知,该单段式DFB半导体激光器的调制频率在0.1~3 MHz范围内时,其相位响应出现180°的相位反转。在调制频率为1.5 MHz时,其相位响应出现90°的相移,该调制频率小于DFB半导体激光器2 MHz的线宽,因此使用常规OPLL技术无法实现此类单段式DFB半导体激光器相位的锁定。

为解决相位反转导致的OPLL相位难以锁定的问题,在反馈环路中加入了超前移相功能电路,对鉴相误差反馈信号进行超前移相,并合理优化相移参数,成功实现了单段式DFB半导体激光器的锁相。图4为主从激光器实现锁相后的拍频信号线宽与从激光器自由运转时的线宽测量比较图,由图4(a)可知,从DFB半导体激光器在自由运转时的线宽约为2 MHz,环路带宽为2 MHz。锁定后的从DFB半导体激光器线宽在环路带宽内被有效地压窄至主光纤激光器的线宽。图4(b)为在主峰中心频率±50 kHz范围内的频谱细节,图中锁相后主从激光器拍频信号旁边的2个小峰是由光纤激光器的弛豫振荡峰与从激光器的拍频信号所产生的。在 OPLL中,残余相位噪声是衡量OPLL锁相性能优劣的重要表征量,可以由拍频信号的载波功率频谱计算获得,其计算公式为^[9]

exp[-(Δϕ2)]=P(0)∫-∞∞P(υ)dυ,(5)

式中P(0)为窄拍频信号中心功率,P(υ)为频率为υ的功率。由图4中的数据和(5)式计算得到OPLL实验中单段式DFB半导体激光器残余相位噪声为0.012 rad²,实现了性能优异的锁相效果。图5为采用160 MHz移频的声光调制器延时自外差法测量所得的锁相前和锁相后从DFB半导体激光器输出光波的线宽测量结果图。由图4可知,在没有锁定前,从DFB激光器处于自由运转状态,其输出激光的线宽为2 MHz。通过闭合环路并调节PID、超前移相各参数,实现环路的相位锁定,此时主从激光器具有相同的线宽输出,通过操控从激光器的频率可以实现对主激光器频率的操控。主从激光器以固定的频率差牢牢地锁定在一起。相位锁定后,从激光器的输出线宽具有与主激光器相同的输出线宽,为10 kHz。主激光器、自由运转状态下从激光器及相位锁定后的从激光器输出光波的频率噪声功率谱密度如图6所示。由图可知,主激光器的相位噪声最低,环路闭合并实现锁相后,从激光器在35 kHz带宽内具有与主激光器几乎完全相同的低噪声特性,因而从激光器线宽被有效地压窄。在10² Hz量级带宽内,从激光器频率噪声相对于其自由运转时的频率噪声降低了10 dB以上。第④、⑤条线是调整不同相移参数后得到的从激光器输出光波频率噪声功率谱密度曲线。第③条线是超前移相电路相移参数最优的情况下从激光器输出光波频率噪声谱曲线,此时超前移相功能电路的电阻为300 Ω,电容为100 pF。由图可知,超前移相电路对环路相位锁定有至关重要的影响,这在实现单段式DFB半导体激光器OPLL实验中也得到了印证。在没有加入超前移相电路时,无论怎样调节PID参数,始终无法实现锁相,只能实现锁频效果^[14]。锁频只能使主从激光器的频率锁定在相同的频率差,无法实现主从激光器的锁相,即无法实现对从激光器线宽的压窄。

图 4. (a)自由运转与相位锁定情况下主从激光器的拍频信号;(b)相位锁定情况下在100 kHz视频带宽内的主从激光器拍频信号

Fig. 4. (a) Beating signals of master and slave lasers under free-running and phase-locked states; (b) beating signal of master and slave lasers under phase-locked state in 100 kHz view bandwidth span

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图 5. 锁相前后从激光器线宽测量图。(a)自由运转状态;(b)相位锁定状态

Fig. 5. Line width measurement results of slave laser before and after phase locking. (a) Free-running state; (b) phase-locked state

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图 6. 主激光器、自由运转状态及不同相移参数下锁频及锁相状态从激光器的频率噪声功率谱密度曲线

Fig. 6. Frequency noise power spectrum density curves of master laser and slave laser in free-running and frequency/phase-locked state with different phase shift parameters

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图 7. OPLL中反馈环路不同增益系数对从激光器输出频率噪声功率谱密度的影响

Fig. 7. Influence of different gain coefficients on frequency noise power spectrum density of slave laser in feedback loop of OPLL

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实验中还验证了不同环路增益系数对锁相性能的影响,如图7所示。由图7可知,不同环路增益系数对锁相性能具有不同的影响。当环路增益系数大于4且继续增大时,环路无法维持锁相;当环路增益系数为7时,环路仅能维持锁频状态,此时相位已经失锁;当环路增益系数为5时,相位处于最佳的锁定状态,此时从激光器的输出光波在±40 kHz频率范围内具有与主激光器相同的频率噪声谱。环路增益系数会对OPLL闭合环路的环路传递函数产生影响,进而影响拍频信号的相位噪声谱密度^[15],最终影响OPLL链路的锁相性能。

5 结论

对单段式DFB半导体激光器作为从激光器的OPLL进行了研究。单段式DFB半导体激光器在MHz量级带宽附近具有180°的相位反转,使得其锁相难以直接实现。通过使鉴相误差反馈信号经超前移相功能电路及环路增益电路反馈到从激光器的驱动端,并优化相移及环路增益参数,实现了优异的锁相性能,所实现的OPLL锁相残余相位噪声低至0.012 rad², DFB从激光器线宽也从2 MHz被压窄至与主激光器线宽相同的输出线宽,为10 kHz,实现了从DFB激光器在±40 kHz的频带内具有与主激光器相同的超低频率噪声性能。