基于FPGA的可调谐光纤激光器频率锁定控制电路

郭庆亮，李宏伟，湛 晖，张昕明，黄 妍，吕国辉,*

(黑龙江大学 a.光纤传感技术国家地方联合工程研究中心;b.电子工程学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

在光纤传感、通信和精密干涉测量等领域中，通常对激光光源的频率稳定性要求较高。由于光纤激光器的自身特性以及外界环境因素的干扰，导致正常工作的光纤激光器输出激光存在各种频率噪声，不能直接满足实际的工程应用[1]。为了获得频率稳定的激光光源，需要采取一定的措施来抑制激光器的频率漂移[2]。PDH稳频技术最早由Pound提出并率先应用于微波稳频，之后Drever和Hall将其发展到激光稳频领域[3]。随着光纤传感技术的不断发展，光纤激光器稳频技术已成为重要的研究方向[4]。本文对PDH稳频技术的原理进行理论分析，建立频率误差信号解调仿真模型，设计基于FPGA的频率锁定控制电路，通过实验测试可以快速地解调出激光器输出频率误差信号，为光纤激光器的频率锁定技术奠定了基础。

1 PDH稳频技术原理

假设光纤激光器的输出激光频率为ω，光强大小为

E=E0eiωt

(1)

通过调整相位调制器的调制深度，使功率主要集中在载波和边带激光上。此时入射到FP腔的入射光场强为

Ein=E0[J0(β)eiωt+J1(β)ei(ω+Ω)t-J1(β)ei(ω-Ω)t]

(2)

其中:Ω为相位调制器的调制频率。经过FP腔后反射光的场强为

Er=E0[F(ω)J0(β)eiωt+F(ω+Ω)J1(β)ei(ω+Ω)t-F(ω-Ω)J1(β)ei(ω-Ω)t]

(3)

经过光电探测器转换之后，可以得到反射光的强度为

(4)

(5)

2 PDH频率锁定系统设计

PDH稳频技术系统见图1，红色箭头为光信号传播示意图，黑色箭头为电信号传播示意图。选取窄线宽的FP腔作为系统的鉴频标准，将光纤激光器输出的激光通过隔离器后，利用耦合器将大部分激光输出，剩余小部分激光进入偏振控制器进行频率锁定。从偏振控制输出的激光在相位调制器的正弦波电压调制下产生两束边频激光，通过耦合器之后进入窄线宽的FP腔进行频率鉴定，将反射光通过光电探测器转换为相应的电信号后由解调电路解调出频率误差信号[6]。通过频率误差信号计算出反馈调节光纤激光器的PZT控制电压，将输出激光频率锁定在鉴频FP腔的谐振峰处[7]。

图1 PDH稳频系统原理Fig.1 Schematic of PDH frequency stabilization system

3 PDH误差信号解调电路设计与仿真

根据PDH稳频系统原理，利用Matlab/Simulink搭建了误差信号解调电路的仿真模型，整体结构见图2。调用正弦波信号发生器产生余弦波信号表示FP腔反射光经过光电探测器转换之后的电信号和用于混频的本征信号；调用乘法器表示混频器，用于产生和频和差频直流信号；调用Digital Filter设计数字FIR(Finite Impulse Response)低通滤波器用于滤除和频信号，提取频率误差信号。

图2 解调电路仿真模型Fig.2 Simulation model of demodulation circuit

根据误差信号解调原理，设置本征信号的幅度为2 mV，模拟FP腔反射光电信号幅度为0.1 mV，频率为0.8 MHz；考虑到实际实验时，FP腔反射光电信号会存在一定的噪声干扰，设置随机信号发生器的平均值为0，其方差为0.000 1代表噪声干扰信号；设置低通滤波器的类型为Kaiser窗函数，滤波器阶数为20阶，采样频率为10 MHz，截止频率为0.1 MHz，仿真结果见图3。模拟本振结果见图3(a);模拟采集信号见图3(b);A/D采集信号与本振信号经过混频运算之后输出结果见图3(c)；低通滤波器滤除和频信号，提取出的差频直流误差信号值见图3(d)。

图3 解调电路仿真结果Fig.3 Simulation results of demodulation circuit

由图3可见，混频滤波运算之后能够有效地解调出误差信号的值，证明了频率误差信号解调理论的正确性[8]。根据Simulink仿真结构图设计了基于FPGA的误差信号解调电路见图4。FPGA控制AD9653采集光电探测器转换之后的电信号，依据DDS技术在FPGA内部实现产生正弦波调制信号和本征信号，分别作用于相位调制器和混频器，在FPGA内部实现混频器和低通滤波的功能[9]。

图4 误差信号解调电路设计Fig.4 Design of error signal demodulation circuit

4 PDH频率锁定电路实验测试

结合PDH稳频系统原理，依据实验室实际条件搭建了实验测试平台。由于实验所需FP腔的线宽单位数量级在MHz级，实验室的FP腔线宽不能满足实验要求，而现有的π相移光栅谐振峰的线宽能够达到MHz级，故鉴频元件选用π相移光栅等效替代窄线宽FP腔，利用其透射谐振峰作为鉴频标准进行频率误差信号的获取。光纤激光器选用上海科乃特激光科技有限公司的CoSF-D型台式窄线宽单频光纤激光器，采用分布反馈布拉格光栅(DFB)型结构，能够输出稳定的线偏振、单纵模，光频谱线宽可达kHz量级的超窄线宽激光，可以方便地进行功率调节、温度调谐和PZT快速调谐，PZT控制电压为0～150 V，对应调谐范围为8 GHz。

根据π相移光栅提供的参数信息，对透射谐振峰进行了理论仿真，结果见图5。进行实验扫描鉴频标准π相移光栅的谐振峰，利用温度粗调谐将输出激光波长粗调至光栅谐振峰附近1 550.320 nm处，然后通过精确控制PZT(Piezoelectric ceramics)调谐电压进行细调，利用三角波电压扫描谐振峰实验测试结果见图6。

图5 π相移光栅谐振峰仿真Fig.5 Simulation of resonance peak of π-phase shifted grating

图6 PZT扫描谐振峰透射实验结果Fig.6 Transmission experiment results of PZT scanning resonant peak

根据实验结果计算线宽，PZT调谐端三角波控制电压的扫描时间为5 ms，根据PZT调谐信号的频率得出对应时间激光器的波长调谐为0.384 pm，即此π相移光栅透射谐振峰的线宽为48 MHz。

获得透射谐振峰线宽之后，对透射激光波长为1 550.384～1 550.391 nm的误差曲线进行仿真，仿真结果见图7。

图7 透射峰误差曲线仿真Fig.7 Transmission peak error curve simulation

利用频率误差信号解调电路获取频率误差曲线，改变相位调制器的调制频率和PZT三角波扫描电压信号的频率进行多次实验测试。当PZT扫描信号频率为40 Hz，相位调制器的调制频率为0.8 MHz时，能够获取到稳定的频率误差曲线，见图8。

图8 PZT调谐与误差信号Fig.8 PZT tuning and error signal

由图8可见，实验测得的误差曲线与理论模拟仿真获得的误差信号具有一致性。在谐振峰峰值附近可以明显看到一条线性区域[10],此区间PDH误差信号大小随激光频率偏移量的改变而变化，当激光频率等于谐振峰峰值时，解调得到PDH误差信号大小为0[11]。控制PZT调谐信号扫描π相移光栅谐振峰进行频率锁定测试，同时利用误差信号解调电路实时观察其频率误差信号，得到谐振峰与误差曲线实验测试结果见图9。

图9 锁频实验结果分析Fig.9 Analysis chart of frequency locking experiment results

根据锁频系统原理和实验结果可知，只需要找到当PDH误差信号为0时刻(即图中红色锁频点)对应的PZT控制电压，将PZT调谐端电压稳定在该值即可实现可调谐光纤激光器与谐振峰峰值的频率锁定功能[12]。

5 结 论

分析了PDH稳频技术原理，搭建了误差信号解调电路仿真模型，设计了基于FPGA的误差信号解调电路。利用π相移光栅谐振峰代替窄线宽FP腔作为鉴频标准，搭建PDH稳频系统实验平台，实验测试中可调谐光纤激光器的PZT调谐精度可达0.426 7 pm·V-1，实验结果显示π相移光栅谐振峰的线宽为48 MHz。当稳频电路输出控制电压采用16位D/A时，理论上该套稳频系统的调谐精度可达3.256×10-5pm。通过改变不同的相位调制频率与PZT调谐端三角波信号频率多次实验测试，最终在0.8 MHz 的低频调制和40 Hz的三角波电压扫描下获取合理的PDH频率误差曲线，且与模拟仿真结果相符，可以应用于光纤激光器频率锁定控制。