基于C8051F020单片机的半导体激光器稳频系统

张 胤，王斯琦

(1.北京大学信息科学技术学院，北京100871;2.吉林大学通信工程学院，长春130012)

0 引言

半导体激光器自问世以来，以其体积小、效率高、成本小、结构简单和便于调谐等优点，已经广泛应用于光纤通信、高分辨率激光光谱、新型量子频标、激光探测等前沿科学研究方面。但半导体激光器输出频率对其工作环境极其敏感，使半导体激光器的实际应用受到了限制。因此半导体激光器的稳频控制研究具有重要意义和应用价值，这将会为半导体激光器开辟更广阔的应用前景［1］。

笔者设计的半导体激光器三次微分稳频系统是以C8051F020单片机为控制模块，集成采集、放大、运算、判断及输出控制电路，还可进一步实现稳频控制系统和测试单元间的数据交换和存储，通过其控制激光器寻找谱线，继而锁定谱线，并在失锁后迅速找回谱线重新锁定，达到长期稳频的目的。

1 半导体激光器稳频的基本原理及方法

半导体激光器在外界环境的干扰下，其输出的激光频率经常随时间变动。影响半导体激光器输出频率的因素有很多，如注入电流、工作温度、载流子浓度、腔长、增益、能隙和折射率等。但在诸多影响因素中，工作温度和注入电流是较容易控制的参量，所以通常会采取温度控制和电流控制技术稳定半导体激光器的输出频率［2，3］。半导体激光器的稳频是个动态的平衡过程，控制系统通过比较激光频率和参考频率，产生误差信号用于控制激光器的驱动电流或外腔长度，达到要求的输出频率。目前比较常用的稳频方法主要有外腔稳频方法、F-P腔稳频法和原子(或分子线)稳频法等。其中原子(或分子)基准稳频法是利用原子或分子的饱和吸收特性，将激光器的频率锁定在原子或分子的饱和吸收峰上。使激光器的频率保持稳定，这种方法可以获得长期的频率稳定性［4，5］。

笔者利用原子或分子跃迁线作为频率标准实现激光频率锁定，采用饱和吸收谱三次谐波稳频技术，消除多普勒背景的影响，并用C8051F020单片机产生三次谐波参考信号及调制信号进行鉴相及调制，利用误差信号进行反馈，从而控制激光器的控流模块，达到稳定激光频率的目的。

2 半导体激光器稳频系统的设计

稳频技术的关键是采集并检测输出频率的变化量并将其转化为电信号，通过计算判断得到误差信号，再反馈以控制半导体激光器的注入电流和工作温度，使输出的激光频率基本保持不变。当发现半导体激光器输出频率的中心频率发生偏移时，电流的调节速率高，但频率补偿范围小;温度的调节速率低，但频率补偿范围大，该实验采取先调节电流后调节温度的方式，使输出激光频率稳定地逐次接近中心频率。整个控制过程通过C8051F020单片机数字辅助完成。

2.1 光路系统设计

该实验采用饱和吸收信号的三次微分稳频方法实现，光路部分如图1所示。由分布式反馈(DFB:Distributed Feedback Laser)激光器产生激光，经过偏光分束镜(PBS:Polarized Beam Splitter)分成两束:一束用做饱和吸收产生饱和吸收光谱信号;另一束作为激光器的激光输出。用做饱和吸收的光束经过一个PBS作为泵浦光进入吸收池(CELL)，再经过衰减片(ATT:Attenuator)和λ/4玻片(QWP:Quarter Wave Plate)到达反射镜(MIRROR)，由反射镜返回的光束再次经过ATT及QWP作为探测光进入CELL并与泵浦光重合，产生饱和吸收效应，再经PBS后进入光电探测器(PD:Photo Diode)得到饱和吸收信号［6-8］。得到的饱和吸收谱线(SAS:Saturated Absorption Spectroscopy)如图2所示。

图1 实验光路结构Fig.1 Experimental optical structure

图2 饱和吸收光谱Fig.2 Saturated absorption spectroscopy

2.2 三次微分稳频系统的硬件设计

稳频电路系统的硬件设计如图3所示。由C8051F020单片机控制产生稳频所需要的调制信号，调制信号进入激光器控流模块，经饱和吸收光路得到光谱信号再进入电路部分，经过隔值、放大、带通滤波、次级放大后进入鉴相模块，与单片机提供稳频的鉴相参考信号(三次谐波)进行鉴相。带通滤波放大的作用是对得到的光电信号进行选频放大，滤掉其余的频率成分，对于三次稳频方法，带通滤波放大的作用是选出相应鉴频信号(三次谐波成分)。鉴相器相当于乘法器，实现参考信号和相应鉴频信号的乘法运算，从而得到误差信号［9］。误差信号经过低通滤波、放大，其作用相当于积分放大器，对输入信号在基频信号的周期上进行积分运算，得到输入信号的直流成分［10，11］。对直流成分进行放大，进入PID(Proportional Integral Differential)运算，由单片机控制将其运算结果反馈给激光器控流模块，电流调整可以达到很高的精细度，但幅度不宜过大，所以，在电路上同时设计了温度粗调的功能，这部分功能也由单片机控制完成。通过温度粗调、电流细调两者相结合的方式实现对激光管工作点的调节，实现半导体激光器的稳频。

图3 三次微分稳频系统电路原理框图Fig.3 Stabilization schematic diagram of the third harmonic frequency

2.3 C8051F020单片机找谱流程设计

在整个C8051F020单片机控制稳频程序中，最重要的是找谱机制。经温度、电流初始化后，开始进行电流扫描，利用零点判断及过零点斜率判断是否为谱线，通过对谱线位置的判断是否为实验需要的谱线，当确定为实际所需则锁定。另外不断校验信号的幅度，以判断是否失锁，一旦发生失锁，返回电流扫描重新寻找并锁定谱线。按照图4所示流程进行微控制器的程序编写，实现找谱机制。

图4 C8051F020控制程序流程Fig.4 C8051F020 program flow

3 稳频结果的测试

该系统通过拍频实验进行测试，实验装置如图5所示。稳频激光器输出的激光经反射镜反射，由一块λ/2片调整偏振方向，通过一块PBS与稳频激光器二输出的激光合束拍频，拍频光信号通过雪崩光电探测器(APD:Avalanche Photo Diode)接收，APD接收的拍频信号通过微波线接入HP53131A频率计进行测量。频率计的测量结果通过GPIB(General-Purpose Interface Bus)接口用LabVIEW 软件自动采集，并进行计算［12，13］。

图6同时给出了133Cs的D2跃迁超精细能级结构图。该系统要求稳频激光器1锁定在铯原子的F=4—F'=4谱线上(图6中A线所示)，稳频激光器2锁定在铯原子的F=4—F'=5谱线上(图6中B线所示)。两台稳频激光器拍频信号的中心频率应在251 MHz左右。

图5 频率稳定度测量实验装置Fig.5 Beat frequency experimental facility

图6 133Cs的D2跃迁超精细能级结构Fig.6 133Cs D2transition hyperfine structure

通常用稳定度描述稳频激光器的频率稳定性。短期稳定度定义为所测频率的相对差值y(t)的N次取样方差

其中m是测量的总次数，yk是第k次测量的频率值。测试中，设定频率计fGATE=1 s，连续采集940 000个数据(约26 h)，计算频率稳定度。图7a为通过软件计算得到的该实验设计的激光器频率稳定度测试曲线，图7b为阿伦方差，当积分时间τ=1 s时，秒级稳定度为8.39×10-11;当积分时间τ=1 024 s时，稳定度为7.99×10-12，达到了预期设计要求。

图7 稳定度的测试曲线Fig.7 The stability test curve

4 结语

笔者采用C8051F020单片机控制，设计了三次微分数字辅助稳频激光器。通过温度粗调与电流细调相结合的方法进行频率控制，实现了开机自动稳频，并且能连续稳定工作。在失锁后，能实现重新锁定。系统的频率稳定度达到秒稳8.39×10-11，千秒稳7.99×10-12，满足实际工程需要。此外，通过C8051F020单片机的辅助控制，激光器稳频更加智能、稳定和可靠，而且外设高度集成，为实现稳频半导体激光器的小型化和模块化提供了参考和借鉴。

［1］周炳琨，高以智，陈倜嵘，等.激光原理［M］.6版.北京:国防工业出版社，2011.ZHOU Bingkun，GAO Yizhi，CHEN Zhourong，et al.Laser Principle［M］.6th ed.Beijing:National Defence Industry Press，2011.

［2］蓝信锯.激光技术［M］.3版.北京:科学出版社，2009.LAN Xinju.Laser Technology［M］.3rd ed.Beijing:Science Press，2009.

［3］韩顺利，仵欣.半导体激光器稳频技术［J］.红外与激光工程，2013，42(5):1189-1193.HAN Shunli，WU Xin.Frequency Stabilization Technologies of Semiconductor Laser［J］.Infrared and Laser Engineering，2013，42(5):1189-1193.

［4］ZHOU Xiaoji，CHEN Xuzong，CHEN Jinbiao，et al.Microwave Atomic Clock in the Optical Lattice with Specific Frequency［J］.Chin Phys Lett，2009，26(9):090601-1-090601-4.

［5］GUO Tao，DENG Ke，CHEN Xuzong，et al.Atomic Clock Based on Transient Coherent Population Trapping［J］.Appl Phys Lett，2009，94(15):151108-1-151108-3.

［6］XIONG Wei，ZHANG Yin，MA Zhaoyuan，et al.Estimating Optical Lattice Alignment by RF Spectroscopy［J］.Chin Opt Lett，2012，10(9):090201-1-090201-5.

［7］DUAN Jun，QI Xianghui，ZHOU Xiaoji，et al.Detection of Saturated Absorption Spectroscopy at High Sensitivity with Displaced Crossovers［J］.Opt Lett，2011，36(4):561-563.

［8］DENG Ke，CHEN Xuzong，WANG Zhong.Minimization of the Temperature Coefficient of Resonance Frequency Shift in the Coherent Population Trapping Clock ［J］.Opt Lett，2011，36(10):1740-1742.

［9］DENG Ke，GUO Tao，HE Dingwu，et al.Effect of Buffer Gas Ratios on the Relationship between Cell Temperature and Frequency Shifts of the Coherent Population Trapping Resonance［J］.Appl Phys Lett，2008，92(2):211104-1-211104-3.

［10］YI Lin，QI Xianghui，CHEN Wenlan，et al.Enhancing the Signal-to-Noise Ratio of Optical Frequency Beating Using Open-Loop Photonic Crystal Fiber［J］.Optics Communications，2009，281(8):4081-4087.

［11］黄家强，顾源，张胤，等.DFB半导体激光抽运铷原子频标［J］.时间频率学报，2012，35(2):66-69.HUANG Jiaqiang，GU Yuan，ZHANG Yin，et al.A DFB Laser-Pumped Rubidium Atomic Frequency Standard［J］.Journal of Time and Frequency，2012，35(2):66-69.

［12］代寿刚，王刚，常永伟，等.基于虚拟技术的嵌入式无线教学互动系统［J］.吉林大学学报:信息科学版，2011，29(3):191-195.DAI Shougang，WANG Gang，CHANG Yongwei，et al.Embedded Wireless Teaching Interaction System Based on Virtual Technology［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2011，29(3):191-195.

［13］赵玲，田小建，梁磊，等.基于自动频率跟踪的虚拟数字锁相放大器［J］.吉林大学学报:信息科学版，2012，30(1):5-11.ZHAO Ling，TIAN Xiaojian，LIANG Lei，et al.Virtual Digital Lock-in Amplifier Based on Automatic Frequency Tracking［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2012，30(1):5-11.

［14］DAVID W ALLAN.Statistics of Atomic Frequency Standards［J］.Proceedings of the IEEE，1996，54(2):221-230.