DFB激光器的高稳定宽带锁频方案设计和实现

DFB激光器的高稳定宽带锁频方案设计和实现
李乐逊;邹卫文;吴龟灵;陈建平
【摘要】This paper proposes a scheme to lock the frequency difference between two distributed feedback (DFB)laser diodes with high stability and wide bandwidth.The locked wide bandwidth with high stability ranges from 50MHz to 11GHz.An error frequency is first evaluated by measuring the net difference of the targeted frequency and the beating frequency between two lasers.Second,based on the proportional-integral-derivative (PID) control algorithm,the feedback control of temperature and current of one laser is implemented to coarsely and finely tune the beat frequency between two lasers as well as the net difference,respectively.The experimental result indicates that the stability of the locked frequency difference within the wide bandwidth is below 5MHz RMS under a two-hour measurement,which approaches the theoretical limitation.%提出了一种可用于两台半导体分布反馈(DFB)激光器的高稳定宽带锁频方案,高稳定光频锁定范围可覆盖50MHz至11GHz.通过测量和计算得出两台DFB激光器的光频差与目标频率之间的误差,然后基于比例-积分-微分(PID)控制算法反馈控制其中一台DFB激光器的温度和电流,分别粗调和微调其输出光频率,最终实现两台激光器的光频差锁定.实验结果表明,在连续工作2小时内宽带锁频稳定度的均方根误差优于
5MHz,接近理论极限.
【期刊名称】《光通信技术》
【年(卷),期】2013(037)003
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】锁频;激光器驱动电路;PID算法;LabVIEW
【作者】李乐逊;邹卫文;吴龟灵;陈建平
【作者单位】上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上
海200240;上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海200240;上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海200240;上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海200240
【正文语种】中文
【中图分类】TN248
0 引言
半导体分布反馈式（DFB）激光器具有线宽窄、频率稳定等优点，已在光纤通信、光信号处理和光纤传感等领域广泛应用。

某些特殊应用需要长期稳定两台激光器的输出光频率之差，但由于DFB 激光器的输出频率不仅受自身驱动电流稳定性的影响，同时受外界温度变化等因素的影响亦很大[1]。

比如，在长距离的光纤时频传
递应用中，虽然使用双向时间比对原理能有效补偿传输链路抖动引起的时延差[2-4]，但由于光纤链路存在色散，且受环境温度等因素影响，收发两地激光器输出频率的相对抖动及漂移会带来色散延时的抖动，进而导致系统测量精度的恶化，因此，对收发单元的两台激光器输出频率进行频率锁定提出了要求。

在基于布里渊散射的分布式光纤传感系统中[5-7]，布里渊探测信号的光频率较泵
浦信号约低11GHz，超过了传统外差接收机的带宽，无法使用传统方法直接检测。

一般采用外调制方法产生稳定的11GHz 附近的频率差，该方法价格高、复杂度大。

通过精确锁定和稳定调谐两个DFB 激光器的频率差，可有效降低系统成本和复杂度，对布里渊分布式光纤传感的实际应用推广起到关键作用。

目前，激光器的稳频技术包括原子或分子线稳频法、法布里-珀罗腔稳频法、外腔
稳频法以及直接电控稳频技术等[8]。

直接电控稳频技术简单有效，但是仅仅通过
调整激光器的驱动电流[8]，输出频率带宽有限。

需要进一步调节激光器的驱动温
度才能实现较大的输出带宽。

因此，我们设计并实现了一种将温控PID 算法和流
控PID 算法相结合的高稳定宽带锁频方案。

该方案首先通过控制DFB 激光器内的温度控制模块（TEC）对输出频率进行粗调，接着改变激光器的驱动电流微调输出频率。

实验证明，此方案不仅可以调整宽带频率，还具有良好的准确度与稳定性。

1 高稳定宽带锁频原理与方案设计
DFB 激光器的高稳定宽带锁频方案的系统结构示意图如图1 所示。

主、从DFB 激光器在各自的电流和温度控制电路的驱动下输出波长较稳定的光信号，从激光器的输出频率以主激光器的输出频率为参考。

为了有效地抵消由电源噪声等不对称因素导致的两激光器光频差抖动，主、从DFB 激光器被设计在同一块印制电路板（PCB）上。

反馈控制环路由隔离器（ISO）、偏振控制器（PC）、光电探测器（PD）、信号分析仪（ROHDE &SCHWARZ FSUP）、电脑终端以及精密电源
A/B（PWS4323）等构成，实时控制从激光器的输出频率。

图1 DFB 激光器高稳定宽带锁频方案的系统框图
系统工作时，主激光器和从激光器各自输出波长约为1550nm 的光信号，两束光
通过一个50：50 的光纤耦合器拍频产生光拍频信号，耦合器的一个输出接入光谱仪（OSA）监测，另一个输出经过一个高速光电探测器转换为电信号后，由FSUP 测得光拍频信号的频差。

电脑终端运行LabVIEW 程序控制FSUP 信号分析仪，通过网络接口读取信号分析仪实时采集的频谱数据，计算得到当前差频频率和目标频
率的差值。

该差值作为待补偿频率误差，由电脑终端使用PID 控制算法反馈调整
从激光器的温度控制或电流控制单元（即输出频率），从而稳定主、从激光器之间的差频，达到自动锁频目的。

在本系统中，主、从DFB 激光器的最大输出光功率均为10mW，3dB 线宽约为
3MHz，输出光频率与温度的关系约为12GHz/K，与驱动电流的关系约为
1GHz/mA。

PID 控制算法通过控制精密电源A/B 分别调谐温度控制驱动电路和电流控制驱动电路的设置电压，其变化分别反映出激光器温度和驱动电流的变化。

其中，精密电源A/B 的最小设置分辨率均为1mV。

实验测得单个DFB 激光器驱动
电路的温度最小分辨率约为0.025K，驱动电流最小分辨率为10μA。

反馈控制环
路首先通过调谐激光器温度对输出频率进行粗调整，较大的温度控制能够实现宽带范围内的锁频应用。

进一步，通过调谐激光器驱动电流对输出频率进行精细调整，实现高精度、高稳定锁频。

LabVIEW 程序流程图如图2 所示。

程序循环计算当前差频频率fp 和目标频率fs 之间的误差，若误差频率|fp-fs|大于电脑终端设置的死区频率范围（Dead Zone），程序自动启用温度PID 算法调谐温控驱动电路的设置电压，直到温度变化使得差频频率进入目标频率的死区频率范围内。

当差频频率进入死区频率范围后，温控PID 自动关闭，开启电流PID 控制算法调谐流控驱动电路的设置电压，进行
频率微调。

当误差频率在0Hz 附近波动时，即实现了实时、动态地锁定差频频率
fp 和跟踪目标频率fs。

图2 宽带锁频系统的LabVIEW 程序流程图
2 实验测试
图3 宽带锁频实验平台
宽带锁频实验平台如图3 所示，单一驱动电路板驱动的主、从DFB 激光器输出两路光信号，通过光纤耦合器、光电检测器后得到差频电信号。

光谱仪（AQ6370）
实时监测当前主激光器和从激光器的光频谱。

FSUP 信号分析仪测量当前差频电信号的频谱。

如前节所叙，该差频的频率以及温控和流控电路的设置电压等数据由PC 终端的LabVIEW 程序设置与记录。

如图4（a）所示，死区频率范围被设置为200MHz，先后设置目标频率为
400MHz、1GHz 和500MHz（光电探测器为DET01CFC，2.5GHz 带宽）。

当差频被调谐到目标频率的死区频率范围内时，温控PID 自动关闭（图中白色区域）。

仅仅使用温控粗调的缺点在于温度控制的设置分辨率较大，无法确保差频在死区频率范围内的准确度与稳定度。

可以看到实测差频和目标频率400MHz 大约有50MHz 的频率误差。

当差频调谐到死区频率边缘时，甚至容易产生振荡（如图4(a)中差频处于500MHz 附近时）。

为了解决这个问题，当差频被调谐至死区频率范围后，温控PID 算法自动关闭，同时自动开启流控PID 算法，系统通过调谐激光器驱动电流的大小对死区频率范围内的差频进行微调，如图4（b）所示。

可以看到经过流控反馈控制后，差频能够更准确地锁定目标频率（图中虚线方框区域）。

图4 在400MHz、1GHz 和500MHz 时的差频锁定测量结果
与图4（b）相对应的温控驱动调谐电压和流控驱动调谐电压如图5 所示。

白色区域表示温度控制开启，此时电流控制算法关闭；当差频被调谐至死区频率范围后，关闭温控PID 算法，同时开启流控PID 算法（灰色区域表示）。

图5 温控及流控PID 算法的设置电压曲线
当系统长期运行时，流控PID 算法实时补偿由周围环境温度变化所导致的频率漂移。

图6（a）、图（b）中的上半部分曲线分别对应当目标差频设置为400MHz 和1GHz 时的长期稳定性测试结果，下半部分曲线对应从激光器电流驱动电路的设置电压调谐曲线。

测试时间均约2 小时，当目标频率设置为400MHz 时所测得
的差频平均值（Mean）为399.994MHz，误差6kHz，均方根（RMS）为
4.8262MHz。

当目标频率设置为1GHz时所测得的差频平均值为1000.03MHz，误差30kHz，均方根为4.34717MHz，两种情形都达到了较高的稳定度与准确度。

此时从激光器的流控电路调谐电压曲线可以反映出周围环境温度的变化情况。

图6 目标频率为400MHz 和1GHz（b）时的长期稳定性测量结果和流控调谐电
压曲线
为了验证目标频率为11GHz 时的锁频效果，我们采用20GHz 的高速光电探测器
探测差频光信号。

图7（a）和图7（b）左半部分记录了差频20MHz～11GHz
左右的粗调效果。

温度在2～4 分钟内进行了大幅度调整，使得频差大致接近
11GHz 附近的死区频率范围。

其后，流控开始工作。

两者的差频稳定度如图7（a）右半部分所示，测量时间约35 分钟，计算得到差频平均值为11.0003GHz，误差300kHz，均方根为4.7667MHz。

验证了当差频设置在11GHz 处依然具有良好的频率锁定效果。

图8 给出了差频被锁定在目标频率为11GHz时，主、从激光器的输出光频谱。

主、从激光器的波长分别为1550.758nm 和1550.846nm，频率差约为10.98GHz，和自动锁频结果吻合。

图7 目标差频为11GHz 时的稳定性测量结果
图8 目标差频为11GHz 时的光频谱
3 结束语
本文使用了一种温控PID 算法和流控PID 算法相结合的锁频技术，降低了两台激
光器输出差频因环境温度等因素影响导致的不稳定性。

设计实现了具有宽带可调谐的DFB 激光器锁频方案，以实验手段验证了该方法的有效性。

实验结果表明，该
方案能够快速控制激光器温度对其输出频率进行粗调整，接近目标频率后转换成电流控制模式进行微调，进而提高准确度。

长期稳定性测试表明，该方案的锁频精度
与稳定度虽受限于流控PID 算法的参数设置以及电流源驱动的最小设置分辨率，
但已接近激光器线宽（3MHz）的理论极限。

下一步计划采用线宽更窄的激光器、优化PID 控制算法等措施，进一步提高系统性能，设计可代替FSUP 信号分析仪、电脑终端的差频测量和控制电路，使系统集成化、小型化。

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