X波段内可调的半导体激光器锁频方案与实现

梁春辉，姜媛媛，李曙光，姜文宁，邹卫文，陈建平

（1．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;2．上海航天电子通讯设备研究所，上海201109）

X波段内可调的半导体激光器锁频方案与实现

梁春辉1，姜媛媛2，李曙光2，姜文宁1，邹卫文1，陈建平1

（1．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;2．上海航天电子通讯设备研究所，上海201109）

提出了一种可用于两台半导体分布式反馈激光器的高稳定宽带锁频方案，介绍了该方案的应用领域。详细描述了锁频方案实现两台半导体激光器互锁定的基本原理，并通过实验验证了差频频率的锁定性能和大范围可调谐性。

锁频；半导体激光器；可调谐；A D F4159；FPG A

0 引言

半导体激光器凭借其诸多优点已广泛应用于光纤通信、光纤传感及光信号处理等领域。但是，半导体激光器自身驱动电流和温度的变化都对其输出波长有很大影响[1]，长期使用存在一定的波长漂移。因此，在某些应用中，需要使两台激光器的输出保持长期相对稳定，如在基于光纤的时频传递系统中[2～4]，可通过锁定两地的激光器（两台激光器的输出光频率保持同步）使其输出保持相对稳定，从而降低收发两地激光器输出光频率的相对抖动，提高测量精度。另外，在光生微波信号领域，两台激光器的输出光经过互相锁频、拍频和光电转换后，可产生连续可调谐的微波信号[5，6]。此类光生微波方法在军事上有重要应用，如用于空中管制、反导弹防御和空间通信的相控阵雷达系统[7，8]等。文献[9]对一种可用于两台半导体激光器的锁频方案进行了设计和原理性验证[9]，但该方案体积较大、成本较高，不利于实际使用。本文提出一种在X波段范围内连续可调的半导体激光器互锁频改进设计和实现方案。

1 大范围连续可调谐的半导体激光器互锁频方案的原理

本文设计的X波段范围内连续可调谐激光器互锁频方案原理图如图1所示。主、从半导体激光器具有独立的温度和电流控制驱动电路（设计在同一块电路板上），能输出较为稳定的光信号。从激光器以主激光器的输出光频率为参考，通过反馈控制环路调节其输出频率，使之与主激光器的输出光频率完成锁定，从而保持稳定的光频率差。反馈控制环路由偏振控制器（PC）、隔离器（ISO）、光衰减器、光电探测器、电功率放大器、鉴频鉴相模块和环路滤波器等构成。

图1 X波段内连续可调谐的锁频方案原理图

系统运行时，两台激光器输出的两束光信号经ISO和PC后通过一个光纤耦合器。耦合器输出的一路信号通过光频谱仪（OSA）实时监测光频谱变化，另一路经光衰减器接入20GHz的高速光电探测器，被转换为电拍频信号。电信号经放大器放大功率后通过一个电信号功分器，功分器的一路输出接入频谱仪（监测拍频信号的频谱），另一路输出进入鉴频鉴相模块，与外部晶振电路产生的高精度参考信号进行数字鉴频鉴相从而获取误差信号（产生的误差信号与当前拍频频率和参考信号频率的差值有关 ）。该误差信号经环路滤波器后被转换为控制电压信号，控制从激光器驱动电路的输入电压，进而调节从激光器的输出光频率。当系统的反馈增益与响应时间达到理想状态时，两台激光器的相关频率抖动会大幅减小，且它们的拍频频率锁定在外部参考振荡源上，即两台激光器同步锁定。其中，FPGA控制单元用于控制鉴频鉴相模块内部的分频比，进而控制两台激光器的输出差频频率。

本方案中的鉴频鉴相模块采用ADI公司的ADF4159芯片，该芯片能满足本文要求的X波段大范围设计要求，产生的差频频率可表示为：

其中，RFOUT是两台激光器的差频频率，INT是12位分频器的预设分频比（23～4095），FRAC是小数分频的分子 （0～225-1），PFD频率fPFD即为外部晶振电路的参考信号频率。

2 关于锁频方案性能的实验测试

本文为验证激光器频率互锁定方案的可行性，根据图1搭建了系统模型，对该方案的频率锁定效果、稳定性及可调谐性进行了实验测试。

2.1 目标差频频率为9.75GHz时方案的锁频性能

我们预设目标差频频率为9.75GHz。已知参考信号频率为100MHz（即fPFD），根据式（1）可计算出INT和FRAC的值，FPGA单元发送控制指令到ADF4159芯片将分频比写入分频寄存器。实验得到两台激光器差频频率锁定在9.75GHz时，差频频率与功率及时间之间的关系,其三维图如图2所示。测试时间约20min,经测试和计算得到差频平均值约为9.7493GHz，和目标差频频率的误差为700kHz。从该误差可以看出，本方案频率锁定性能稳定度较高、准确性良好。在主峰附近大约200MHz范围内有类似毛刺的频率分量，这是因为主、从激光器输出的光频率有一定谱宽，并非单一频率，其光谱边带分量经高速光电探测器相互拍频产生了相应的电频率分量。

图2 差频频率锁定在9.75GHz时频率、功率与时间之间关系的三维图

图3 差频频率锁定在9.75GHz时峰值功率与时间变化关系图

差频频率锁定在9.75GHz处的峰值功率与时间的关系图如图3所示，峰值功率与时间的关系趋于水平直线，且较为稳定，测得的峰值功率平均值约为-5.81dBm。在测试时间内峰值功率有少许抖动，这是因为驱动电流和温度变化不仅会影响激光器的输出光功率，而且还会引起一定的光频率变化[9]。差频频率锁定在9.75GHz时的光谱图如图4所示，两波峰分别对应的波长为1551.282nm和1551.36nm，换算成差频约9.74GHz，与电频谱仪观察的实验结果吻合。

图4 差频频率锁定在9.75GHz处的光谱

受限于实验条件，本文无法直接测量从激光器自由运行到主、从激光器同步锁定耗费的时间和锁定检测电压的变化情况。利用实验所得的系统参数，我们采用ADIsimPLL对激光器互锁频方案的锁定过程进行了仿真，仿真结果如图5所示。两台激光器同步锁定消耗的时间约90μs，表明本方案能实现快速锁定。

图5 目标差频频率为9.75GHz时激光器锁定过程的仿真曲线

2.2 目标差频频率为11GHz时方案的锁频性能

为了进一步验证本方案的锁频性能，本文将预设目标差频频率更改为11GHz。参考信号频率依然为100MHz，根据式（1）可得INT和FRAC的值。FPGA单元发送控制命令并将新的分频比写入ADF4159芯片寄存器，电频谱仪监测的频谱结果表明，差频频率从9.75GHz迅速跳至11GHz。

系统正常运行差频频率锁定在11GHz时，差频频率与功率及时间的关系如图6所示。测试时间约20min，经测试和计算得到差频平均值约10.9990GHz，误差为1MHz，这表明频率锁定在11GHz时同样能达到较高的稳定度和良好的准确性。在主峰附近大约200MHz范围内有许多类似毛刺的频率分量，这是由两台激光器的谱宽导致的。

图6 差频频率锁定在11GHz时频率、功率与时间之间关系的三维图

差频频率锁定在 11GHz处峰值功率与时间的关系图如图7所示。峰值功率与时间的关系趋于水平直线，且较为稳定，测得的峰值功率平均值约为-7.47dBm。这证明本方案在差频频率设置为11GHz时仍有良好的频率锁定效果。差频频率锁定在11GHz时的光谱图如图8所示。两波峰分别对应的波长为1551.272nm和 1551.36nm，换算成差频约10.98GHz，与电频谱仪测得的结果基本吻合。

图7 差频频率锁定在11GHz时峰值功率与时间变化关系图

图8 差频频率锁定在11GHz处的光谱

我们基于实验参数，使用ADIsimPLL进行了进一步仿真，得到输出信号频率为11GHz时，差频频率和锁定监测电压与时间的关系，具体如图9所示。两台激光器频率达到锁定消耗的时间约70μs，进一步验证了本方案能实现快速锁频。

图9 目标差频频率为11GHz时激光器锁定过程的仿真曲线

2.3 锁频方案的频率可调谐性验证

为了验证本方案在X波段大范围内的连续可调谐性，我们利用FPGA控制目标分频比，调整输出的差频频率，分别在目标差频频率预设为 9.5GHz、9.75GHz、10GHz、10.5GHz和11GHz时进行了实验，实验结果如图10所示。可以看出，本方案利用FPGA控制鉴频鉴相模块的分频比，不仅能根据不同目标频率的要求实现输出差频频率可调谐，而且还能保持长时间的频率锁定效果。

图10 实验得到的电信号频谱

3 结束语

本文在文献[9]的基础上对一种用于两台半导体激光器的锁频方案进行了改进和实现，设计了相应的差频测量、计算及反馈控制电路替代信号分析仪、电脑终端等设备，降低了系统成本并使系统模块化、小型化和集成化。我们使用FPGA控制具有高模数小数分频器的低噪声数字鉴频鉴相模块，实现了输出差频频率大范围可调谐。实验结果表明，本方案可根据不同目标频率的要求实现输出差频频率可调谐，并具有良好的频率锁定效果。根据实验参数进行仿真得到的结果可以看出，本方案的锁频效果具有快速响应的能力。今后的研究可将鉴频模块、FPGA反馈控制回路、温度和电流控制驱动模块及半导体激光器等布局在同一块印制电路板上，为半导体激光器大范围锁频的模块化和实用化提供技术保障。

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[10]帕勒里斯.光纤通信[M].北京：电子工业出版社,2006.

Design and implementation of tunable frequency-locked scheme for semiconductor lasers within X band

LIANG Chun-hui1,JIANG Yuan-yuan2,LI Shu-guang2, JIANG Wen-ning1,ZOU Wei-wen1,CHEN Jian-ping1
(1.State Key Lab of Advanced Optical Communication Systems and Networks,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2.Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute,Shanghai 201109,China)

The paper proposes a frequency-locked scheme for two semiconductor distributed feedback lasers with high stability and wide bandwidth,introduces the application field of the scheme.It describes the frequency-locking principle of the scheme for two semiconductor lasers in detail,the experiment verifies the locking performance and the tunability of the beating frequency with a broadband frequency range.

frequency-lock,semiconductor lasers,tunable,ADF4159,FPGA

TN248.4

A

1002-5561（2016）04-0023-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.008

2015-12-11。

国家自然科学基金项目 (61571292，61535006，61127016)资助；“先进航天电子技术”联合实验室项目资助；“区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室”自主课题（2014ZZ03016）资助。

梁春辉（1982-），男，硕士研究生，主要研究方向为激光锁频技术。