用于POP铷原子钟的DFB激光器自动稳频技术研究

鱼志健，薛文祥，赵文宇，李孝峰，陈江，阮军，杜志静，张首刚

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；12.中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3.中国科学院大学，北京 100049）

用于POP铷原子钟的DFB激光器自动稳频技术研究

鱼志健1，2，3，薛文祥1，2，赵文宇1，2，3，李孝峰1，2，3，陈江1，2，3，阮军1，2，杜志静1，2，张首刚1，2

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；12.中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3.中国科学院大学，北京 100049）

针对传统手动稳频需要有人值守的弊端，基于饱和吸收谐波稳频的原理，设计了一套可实现对分布反馈式（distributed feedback，DFB）半导体激光器频率长期锁定的自动稳频系统。整套系统以STM32微控制器为核心，在此基础上进行自动稳频软件程序设计，具有体积小和抗干扰强的特点。经实验测试，该系统能够实现自动稳频，并在失锁后快速自动回锁。在实验室环境下，连续稳定工作超过一个月仍然保持锁定状态，失锁后能在1 s内重新锁定，锁定后线宽为5 MHz。作为抽运和探测光源，DFB激光器长期连续锁定的实现，为实现脉冲激光抽运（pulsed optically pumped，POP）铷原子钟在空间应用环境下长期无人干预稳定运行奠定了技术基础。

激光器自动稳频；饱和吸收光谱；POP铷原子钟；DFB激光器

0　引言

半导体激光器作为脉冲光抽运（pulsed optically pumped，POP）铷原子钟的泵浦源，其频率的稳定度直接影响着钟的中长期稳定度[1-3]。激光器的长期连续可靠运行是POP铷原子钟从原理转向实用的关键，而自由运转的半导体激光器，其频率受到外界温度、工作电流、机械振动以及大气变化等因素的影响，存在波动和漂移[3]。

为保证原子钟长期可靠地稳定运行，需要确保激光器频率长期稳定，同时要求激光器失锁后能快速地自动回锁。传统稳频系统多采用模拟电路，需要手动调节其工作参数，人工判别失锁状态；一旦失锁，也只能人工调节后手动锁定。POP铷原子钟作为新型星载钟，在空间应用环境下要求长期无人干预稳定运行，必须能够自动判别激光器的锁定状态，传统的手动锁频系统无法满足要求。因此，研究激光器自动稳频是保障星载POP铷原子钟长期可靠运行的关键。

与外腔半导体激光器（external cavity diode laser，ECDL）相比，分布反馈式（distributed feedback，DFB）半导体激光器内置了布拉格光栅（Bragg Grating）。因此，DFB激光器对机械振动不敏感，但线宽相对较宽[4-5]。在研制POP星载铷原子钟的原理样机阶段，我们采用了外腔半导体激光器，而在现阶段的小型化过程中，必须去除用来隔振的光学平台，采用DFB激光器更为合理。实验选用德国Eagleyard Photonics公司生产的EYP-DFB-0795-00080-1500-TOC03-000x型激光器作为POP铷原子钟的抽运光源。该激光器的标称阈值电流为38.8 mA，允许最大驱动电流为170 mA。输出功率80 mW处的中心波长为794.6 nm（接近铷原子D1线的波长），自由运转时标称线宽为2 MHz，电调率为1.42 GHz/mA。它抗机械振动能力强，体积小，功耗低，驱动及稳频电路也相对简单，有利于光学系统的小型化和工程化。

目前国内外有不少机构对半导体激光器长期稳频进行研究，国际上主要有瑞士C.Affolderbach小组和法国F.Allard小组，国内主要有中国计量科学研究院、北京大学、山西大学以及中国科学院国家授时中心铯喷泉钟小组。其中，瑞士C.Affolderbach对795 nm DFB激光器采用饱和吸收谐波稳频的方法，万秒稳定度低于1× 10-10，但并未详细介绍稳频系统的硬件电路和软件程序设计[6-7]；法国F.Allard小组采用饱和吸收稳频方法，由计算机、微控制器、数模转换模块（digital analog converter，DAC）以及直接数字综合器（direct digital synthesizer，DDS）搭建稳频电路，实现了对ECDL的自动稳频，该激光器用于Cs原子喷泉钟，能确保钟可靠运行很长时间[8]；中国计量科学研究院以STC89C58单片机为核心设计了ECDL稳频系统，该系统连续工作时间超过7 d，自恢复时间小于3 s[9-10]；北京大学以C8051F020作为主控芯片，利用饱和吸收稳频方法，实现对DFB激光器的长期自动稳频，根据最新报道结果，已连续锁定超过180 d，失锁后能在10 s内重新锁定[11-13]。山西大学用LabView借助数据采集卡开发了通用性强的自动稳频系统，超过100 min的测试时间内，频率波动小于5.7 MHz[14]。中国科学院国家授时中心铯喷泉钟小组借助LabWindows CVI和数据采集卡，实现了对ECDL的长期自动稳频，20 s频率稳定度为8.7× 10-11，失锁后能在1 s内重新锁定[15]。

POP铷原子钟对抽运光源的线宽要求不是很高（MHz量级）[6]；但作为新型星载钟，对其频率的长期稳定性有很高要求。故要求稳频系统必须能够实时监控稳频状态，自动稳频和回锁，且能够与原子钟频率闭环锁定伺服控制单元通讯，一旦激光器失锁则断开原子钟频率伺服控制闭合环路。据此，我们利用饱和吸收光谱谐波稳频的方法，以STM32F103ZE微控制器为核心设计了稳频电路，实现开机后自动锁频，实时监控锁频状态，失锁后快速自动回锁的功能，同时辅以按键，旋钮，TFT液晶显示屏等外围设备，界面友好方便操作。所设计的稳频系统达到了长期锁定激光器频率的目的，各项性能指标也满足了我们的实验需求。

1　自动稳频系统整体介绍

根据课题要求，我们选用795 nm的DFB激光器作为抽运光源，采用典型的饱和吸收光谱稳频技术，将激光器的频率锁定到87Rb原子的D1跃迁线5S1/2，F=2→5P1/2，F'=1上。所设计的自动稳频系统的系统框图如图1所示。

图1　自动稳频系统框图

由图1可知，系统主要包括DFB激光器、电流源模块、LD温控模块、100 kHz信号源模块、主控模块、锁频模块（包括PI处理模块和误差解调模块）、饱和吸收装置以及外围输入/输出设备。

系统的光路部分主要是饱和吸收装置。DFB半导体激光器输出795 nm激光经过光隔离器IO，再经过λ/2波片被偏振分光棱镜PBS分成两束：分出的反射光射入铷泡中，经λ/4被0°半反镜反射回来再经过铷泡穿过PBS，用光电探测器PD探测得到饱和吸收信号；另外一束透射光作为稳频激光器的输出。

系统所用激光器为无外腔的DFB激光器，因此锁频过程中对激光频率的扫描和修正只能作用到激光器的注入电流上。为了得到鉴频信号，需要对激光器的注入电流进行调制。本设计中通过按键和旋钮设定相位信息，经主控芯片STM32译码后，再将该相位信息通过串口UART5发送给CPLD，由CPLD输出含有设定的相位信息的100 kHz正弦信号。也就是说，CPLD加滤波电路产生两路相位连续可调的100 kHz正弦信号：一路输入激光器电流源给激光器加上电流调制；另外一路输入给同步解调器，与交流耦合并放大后的光电探测信号相乘，再经低通滤波电路滤去高频分量，得到饱和吸收信号对应的一次微分误差信号。误差信号经比例-积分（proportional-integral，PI）模块运算处理后得到控制信号；将该信号加到调制信号中和直流偏置一起作为激光器的驱动电流，调节电流大小，从而实现对激光器输出激光频率的控制。

主控芯片STM32F103ZE作为整个系统的核心，在整个稳频过程中使各个模块协同工作的同时，控制外围输入/输出设备，给系统提供了友好的人机交互接口：实时读取旋钮值和按键值并进行译码，键盘和旋钮配合方便输入；将相关参数、物理量以及锁定状态在TFT液晶屏上进行显示，便于实时观察工作状态；同时通过串口实现和上位机之间的通信，使相关数据得以上传，便于存储和分析。

2　自动稳频程序设计

在自动锁频之前，先将激光二极管（laser diode，LD）的工作参数设定到其工作点。温控模块把激光二极管的工作温度控制在设定温度值；调节恒流源模块输出电流值，使LD输出激光的频率处在要锁定的跃迁线附近。在实验中，激光器的工作温度设定为34.8 ℃并保持恒定，起伏为±0.001 ℃，注入电流设定值约138.4 mA，控制精度为±0.001 mA，扫出饱和吸收信号，并由同步解调模块对饱和吸收信号进行相敏检波，得到饱和吸收信号的一次微分，将其作为误差信号。利用主控芯片STM32内置的ADC高速采样通道（12位逐次逼近型模拟数字转换器，其最大转换速率可达1 MHz）采集饱和吸收信号和误差信号，并以数组的形式存储到内存单元，同时通过串口发送到上位机。图2是对串口发送的数字量进行归一化，在Matlab中绘制出的饱和吸收信号和误差信号。

图2　饱和吸收信号和误差信号

图2中第1条曲线为三角波扫描信号，第2条曲线为饱和吸收信号。饱和吸收信号最右边用圆圈标记的峰，就是我们要锁定的F=2→F'=1峰。通过观察曲线的特点，要找到最右边的参考峰，可以先找到整条曲线的最小值即位于中间的交叉峰，找到最小值后，从最小值标号开始对误差信号后半段做3点相邻平均和后向差分，得到差分平均误差信号，在该曲线上加粗标记的部分找其最大值，此最大值标号就是要锁定的参考峰的标号，将该标号对应的扫描电压以直流的方式加到激光器的注入电流上，实现对激光器频率的锁定。

软件设计主要包括两部分：①自动锁频：扫描得到饱和吸收信号，从中找出要锁定的参考峰，然后输出TTL控制信号，闭合锁定开关，实现稳频环路的闭环；②失锁后重新锁定：判别激光器失锁后快速自动回锁。自动锁频的整个流程如图3所示，其具体步骤详述如下：

图3　自动锁频流程图

①通过串口设定DFB激光器的初始参数，包括驱动电流、外腔温度，激光二极管温度，设定扫描范围和点数。

②扫描饱和吸收信号和误差信号，将信号以数组的形式存储。

③查找饱和吸收信号的最小值以及最小值的标号。

④判断饱和吸收信号的最小值是否在扫描范围的中间位置。若在中间位置，说明扫描得到的饱和吸收信号是完整的，3个峰均被扫描到；若偏离中间位置太多，说明扫描得到的饱和吸收信号不完整，通过调整所加的初始扫描电压进行调整。

⑤以最小值标号为起点，以扫描终点为终点，截取误差信号的后半段加粗部分（见图2），并对其进行3点相邻平均和后向差分，得到图2中最下面的差分平均误差信号曲线。

⑥查找差分平均误差信号曲线后半段加粗部分的最大值和最大值标号，由此得到参考峰即要锁定的峰F＝2→F′＝1的标号。

⑦据此计算得到参考峰对应的扫描电压，将该扫描电压以直流方式加载到激光器的注入电流上。

⑧向继电器输出TTL控制信号，闭合锁定开关，实现稳频环路的闭环。

失锁后自动回锁的整个流程如图4所示，其具体步骤详述如下：

图4　失锁后自动回锁流程图

①将锁定时参考峰的峰值记录下来。考虑到激光功率的抖动，故以此峰值为中心，给上下500个数字量（约为250 mV）的浮动范围，避免把由激光功率抖动引起的峰值起伏误判为失锁。在锁定开关闭合的情况下，周期性地查询饱和吸收信号是否超出此范围，若已超出，则认定激光器已失锁。

②判定激光器失锁的情况下，断开锁定开关。

③考虑到在实际中激光器的失锁，很多情况下都是由外界瞬时干扰比如连续对实验平台敲击引起的强烈振动等因素引起的。当外界干扰停止后，激光器的工作点并未漂移很远。因此判定激光器失锁后，首先采取的措施是，将锁定时的反馈电流重新输出，闭合锁定开关。

④闭合锁定开关后，用和①同样的方法再次判断激光器是否失锁。若激光器依旧失锁，则说明激光器的工作点已经漂远，此时断开锁定开关，重新扫描、查找峰值进行锁定。

⑤若重新锁定两次还未锁定，则退出自动锁定程序。这主要是为了避免程序死在自动锁频环节中。此时应由操作人员检查系统可能存在的问题。但在我们的实验中，这种情况并未出现过。

其实在判定激光器失锁后完全可以重复激光器锁定的整个过程，直接省去步骤③。但通过上面的自动锁频流程不难看出，整个频率锁定过程相对比较耗时，因此结合实际情况加入了步骤③。这主要是考虑到，相当一部分的失锁情况，特别是在激光器锁定后短期内出现的失锁情况，此时激光器的工作点一般还在锁定时的附近，就不需要重新扫描、搜峰、计算得到工作点，直接等待外界干扰因素消除后，重置原来的工作点。这样的程序设计大大缩短了自动回锁所耗时间，更符合实际应用的要求。

在系统调试的初期，我们是用误差信号来判断激光器是否失锁的：周期性地读取误差信号，若误差信号不在0上下浮动，则说明激光器失锁。但在调试的过程中发现，偶尔会出现激光器已经失锁但误差信号还是在0上下浮动的情况。为了确保系统稳频的可靠性，我们在后期调试的过程中用饱和吸收信号来判断激光器是否失锁，有效地避免了上述情况的发生。

为了减小激光器失锁对原子钟稳定度的影响，在原子钟闭环锁定电路中，必须有一个输入端口来提供TTL控制信号，当激光器失锁后，将原子钟的伺服环路断开；重新锁定后，再次闭合原子钟伺服环路。因此，在激光器稳频程序中，我们设计了频率锁定标志位，频率锁定时将其置位；失锁后立即将其清0；重新锁定后再将其置位。后续实验中只需将该标志位通过主控芯片的一个I/O口输出给原子钟闭环锁定电路的TTL控制输入端口即可实现该功能。

3　稳频结果的测试与分析

为了检测所设计的激光自动稳频系统的长期锁定频率性能，我们在实验室环境下进行了为期一个多月的测试。测试期间，实验室温度为23℃，起伏约±2℃，用该系统实现了对激光器的连续锁定，长期频率锁定测试结果如图5所示。

图5　长期锁频的误差信号

在为期一个多月的测试过程中，总共出现3次较大的毛刺（为更明显地标识，将毛刺进行了加粗），表示在这3个时间点激光器失锁，而后又快速自动回锁。从图5中可以看到每次误差信号波动后迅速恢复。测试期间，随机地给激光器一些扰动（如挡光，敲打实验平台等），激光频率并没有发生跳变或漂移，说明稳频系统具有一定的抵御突发扰动的能力。由于后续其他实验需要继续进行，系统经过33 d测试后，人为地终止了测试，但激光器仍然锁定在设定的参考频率上，说明所设计的自动稳频系统具有良好的长期稳频性能。

为检测稳频系统自恢复能力，人为地让激光器失锁。失锁后自动回锁的过程如图6所示。从图6中可以看到，失锁后激光器的频率仍然可以回到预设的参考频率上，并且锁定时间很快，能够在1 s内重新锁定。

图6　失锁后自动回锁过程图

为验证该系统对激光器频率漂移的抑制，我们利用拍频的方法对系统中DFB激光器在锁定时输出的激光线宽进行了测量。实验中，用两套稳频系统把两台同型号DFB激光器的频率分别锁定到F=2→F′=1和F=2→F′=2两个不同的饱和吸收峰上，则拍频信号的中心频率为两峰值频率之差约为408 MHz。探测器选用ET-2030A，其响应时间小于500 ps。所得的拍频信号如图7所示，图7中虚线所表示的信号由FSH4-105582/014频谱仪测得，未经平均，测试时频谱分辨率设为300 kHz。

所得拍频信号的曲线符合洛伦兹线型，对其进行拟合后可计算出拍频信号的3 dB线宽约为10 MHz。对于两台同型号激光器拍频信号做洛仑兹拟合，可以认为每台激光器的线宽约为拍频信号线宽FWHM的一半[16]，即：

图7　两台DFB激光器拍频信号曲线

由此可计算出锁定时激光器的线宽约为5 MHz。这和2012年意大利国家计量院Godone小组报道的用于POP铷原子钟抽运光源的DFB半导体激光器[17]的线宽（≤6 MHz）[6]相当，这样的线宽完全可以满足POP铷原子钟的应用要求。

4　结语

星载钟在空间应用环境下要求长期无人干预，首先必须确保激光器能够实现自动稳频。激光频率的稳定是星载钟长期稳定可靠运行的关键。如文中所述，我们设计的激光自动稳频系统以STM32F103ZE为主控芯片，通过对激光器的注入电流加调制的方法，实现了对谱线的自动查找、锁定，能在开机后自动锁频并长期监控锁频状态，失锁后快速自动回锁，从而达到长期稳频的目的。经初步实验测试，该激光自动稳频系统能够保证激光器连续稳定工作超过一个月且仍然锁定在设定的参考频率上，失锁后能够在1 s内重新锁定，工作点稳定，集成度高，抗干扰能力强，人机交互界面友好方便调节。整套系统以数字控制为主，相较之前的手动锁频系统更为稳定可靠，可实现长期无人值守，满足现阶段POP铷钟小型化的实验要求，也为下阶段星载POP铷钟的工程化奠定了基础。

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Automatic frequency stabilization system of DFB diode laser for POP Rb atomic clock

YU Zhi-jian1，2，3， XUE Wen-xiang1，2， ZHAO Wen-yu1，2，3， LI Xiao-feng1，2，3，
CHEN Jiang1，2，3， RUAN Jun1，2， DU Zhi-jing1，2， ZHANG Shou-gang1，2（1.National Time Service Center， Chinese Academy of Science， Xi′an 710600， China；2.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards， National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

With the purpose of avoiding the shortcoming of the traditional manual frequency stabilizationsystem which needs to be attended manually， a compact digital automatic frequency stabilization system is proposed， based on the theory of the saturated absorption harmonic frequency stabilization， which can keep the DFB diode laser frequency locked to a rubidium line（795 nm） for a long time.The STM32 micro controller，being the core component of the system， lays the hardware foundation of digital loop software design， and the system is characterized by small volume and strong anti-interference capacity.The experimental test indicated that the system can automatically achieve frequency stabilization and quickly relock the diode laser.Under the laboratory environment， the DFB diode laser can be locked to Rb line stably and continuously for more than a month and relocked again within one second， with a bandwidth of 5 MHz.The DFB diode laser is used to be as the pumping and detecting laser source of POP Rb atomic clock， and the realization of its long-time automatic stabilization makes it possible that the POP Rb atomic clock works stably for long time without manned intervention under the space-borne circumstance.

auto-stabilization of diode laser； saturated absorption spectrum； pulsed optically pumped（POP）Rb atomic clock； distributed feedback（DFB） diode laser

TM935

A

1674-0637（2015）03-0129-10

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-03-0129-10

2015-01-15

国家自然科学基金资助项目（11303030）；国家杰出青年科学基金资助项目（61025023）

鱼志健，男，硕士，主要从事星载铷原子钟控制电路方面的研究。