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1、利用铷吸收线的法拉第效应实现半导体激光器的稳频Shinichi ItO*a, Toshiya iffl?fla Akihiko Sawamuraa, Takashi SatobMasashi Ohkawa, Takeo Maruyamaado Sato 实验室, 科技研究院，Niigata大学工程学院教师，Niigata大学8050 Ikarashi 2-no-cho, Niigata 市, 950-2 1 8 1 , 日本摘要：我们通常把精确的电流反馈到激光器的电流输入端，以实现半导体激光器的稳频。采用这种方法通常需要在激光器的电流输入端上加上一个小的调制电流，以便获得误差信号。这在一定程度
2、上加大了激光器的输出线宽，也许某些时候是有利的，比如激光通信，但是大多时候我们需要的是较窄的线宽。为了获得误差信号，稳定激光器的频率使其具有较窄线宽，我们应用铷吸收线的法拉第效应。下面的任务就是如何实现稳频，1. 简介半导体激光器在通信与测量中得到了广泛的应用，这在一定程度上是由于改变激光器的输入电流和工作温度，可以方便、精确地调节激光器的输出频率。在目前最先进的应用中，这些方面的灵活都是很有用的，下一代相干光通信系统，对激光的线宽要求更窄，我们使用Rb-D2吸收线作为外部参考频率，可以把半导体激光器的频率稳定在780nm (384THz)。这样，半导体激光器的频率和参考频率的差异就作为误差信
3、号，并把误差信号反馈到激光器的输出入端。误差信号是通过对Rb-D2吸收线作鉴相而得。我们就可以大地改善激光器的频率稳定，通过给电流输入端加上调制。因为从这里，我们得到误差信号。然而，这种方法有着某些缺点，在应用过程中增加了频率的不稳定性，加大了激光器的输出线宽。为了避免这种情况，我们采用基于法拉第效应的碰场调制方法，通过调制外部参考频率，代替对激光器振荡频率的直接调制，从而避免了对激光器线宽的加宽。从而，实现激光器输出可控和稳定的频率。在本论文中，我们把法拉第效应和先前提到的锁峰方法一起运用，获得跟参考频率一样易控且稳定的激光器输出频率。 2利用法拉第效应实现稳频的原理21 参考频率共振跃迁的
4、原子和分子常常被作为参考频率，因为它们的频率稳定，不易受外界环境的干扰。我们已经发现了一种原子或者说分子，共振时其产生的激光波长在1.5um附近，这很适用于当今的光纤通信系统。Latrasse et al.利用Rb-D2吸收线（780.02nm）的第二次谐波输出，成功的使他们的激光器波长稳定在1.56um。在我们的研究中，我们会用Rb-D2吸收线作为参考频率去稳定半导体激光器的输出频率。下图1即为Rb-D2吸收线。22法拉第效应和碰场调制原理为了实现半导体激光器的频率稳定，需要一个误差信号，这个误差信号反映了激光器频率与参考频率之间的差值。在我们的研究中，稳频是通过磁光效应实现的，当线性光通过
5、非均匀介质，并穿过与其平行的磁场区时，则光振动方向将发生偏振，这就是法拉第效应。图2显示的是基于法拉第效应的磁场调制原理。当激光束，平行于磁场通过Rb原子时，如果激光的频率与吸收频率相匹配，则光振动方向将发生偏振。偏振角度取决于磁场的强度和激光的频率。透射的光强I由下式给出式中为偏振角度，为未通过磁场时的光强。如果足够小，则上式可近似的表示成然后，我们就可以通过调制磁场来调制激光，图3显示的就是图2中的光强。虚线表示的是不经过Rb原子的光强。在图（a）中，是光通过6Ox1O t直流偏置磁场，发生+45度偏振的情况。图（b）显示示的是光在H1和H2磁场下通过Rb原子，产生-45偏振的情况。透射光
6、的强度在图4（a）中。在B点，磁场并没有对光强构成影响，在A和C点则存在影响，在这两点磁场调制正好相反。在图4（b）显示的调制磁场的作用，并通过锁相放大器检查透射光的光强，我可就可以获得误差信号（图4（c）项）。激光的输出频率就稳定在图4（c）中的零点，即B点。这种方法有效的防止了激光谱线变宽。在测试过程中，我们得到如图5所示的结果。我们可以把激光频率稳定在与零输出点相对应的P点，误差信号曲线中，零点附近的曲线表示了稳定范围，我们称为，其值有下示给我出越大，其稳定范围越大。 3通过锁峰实现激光器的稳频31锁峰的原理采用“锁峰”实现稳频，比较两个吸收峰信号，选择其中较大的一个。采用同步检测获得微
7、分信号（图6（a）,我们期望在那一点，鉴频曲线的，然而，激光的线宽是有限的，同时电路中也存在着延时，误差信号的斜率也只能是有限的。32实验装置图7显示的是光学装置图，激光束经过平面透镜，然后通过BS1进行分光。通过BS1到BS2的激光束随后通过LP1和cell 1，穿过调制磁场，通过LP2然后输出，然后通过雪崩光电探测二极管（APD1）进行探测。LP2和LP5分别被放置在Rb-cell 1和Rb-cell 2的后面，被设置在45度，以便能改偏振角度，从而把微小的偏振角度变化量转变成显著的光强变化量。然后光强在通过透镜聚集，用APD2进行探测。为了测量两个稳定的激光的差频，我们把BS1和BS3反
8、射的光聚焦后打到APD3上。在APD3上输出的就是稳定的差频信号。实验装置图如图8所示。从APD和APD2出来的信号，首先经过“峰”电路处理，然后再送到锁相放大器。用这些信号，同步检波就可以在一个低的调制下实现，从而获得一次微分信号。这里的微分信号即为误着信号，它反映了频率频率参考点的量，然后再把误差信信经由比例和积分电路（PI控制）反馈到激光器的控制端。当增加，误差信号就越灵敏；总之激光器的频率就越稳定。锁相放大器的时间常数是30ms，而积分控制的时间常数是47ms或5ms。为了方便，我们把这种方法称为“锁峰”。33结果图9显示的是锁相放大器的输出信号。我们把激光频率稳定在P点。图10中（b
9、）显示了稳频的结果。锁峰方法在短时间（少于10秒）比采用法拉第效应稳频效果要好。然而，当时间长了（大于10秒）其稳定性就变差。锁峰方法能防止频率出现多模，因为它能使控制信号具有一个较高的值。但是锁峰方法中的稳频点，是通过两个电信号混合产生的，会发生移动通过改变探测到的光的功率，或者改变透射光的光强。换言之，稳频点的任何位置移动都会降低频率的长期稳定性。当两个信号的能量被改变时，透射光强和锁相放大器输出的信号曲线都会发生变化。为了控制这个过程，我们可以调整Rb原子后面的线性偏光器。为了获得相似的信号，要求每次实验条件都完全一样，但要做到这一点是很困难的。但是，我们可以尽量优化峰到我们获得相似输出
10、曲线的那一点，下面我们将提到这一点。 4改进误差信号和稳定性在上一段中，我们描述了怎么在各种磁场强度下形成频率稳定点，但通过种方法产生相同的控制信号并不是一件容易的事。因此我们在下面将介绍“峰-b”。41“峰-b”方法的原理我们调整偏振器LP5的角度在-45度（图7），对Rb原子1和2加上同样强度的直流偏置磁场。当偏振角度反相后，光强参数也随之反相。因此将从锁相放大器得到反相的误差信号。图11显示的是在测试“峰-b”方法时所采用的条件。42结果图12显示了锁相放大器的输出特性。图10中（c）显示了 “峰-b”方法比“峰-a”方法不管在短时间和长时间稳频上都具有优越性。当在“峰-a”方法中，长时
11、间稳频即使锁相放大器有一个很小的输出变差，然而在“峰-b”方法中锁相放大器却仍有稳定和干净的信号输出，并具有高的值，从而改进了频率稳定性。但不幸的是，用“峰-b”方法实现长时间稳频同样是很困难的。当APD探测到的光能量或者透射光强改变时，P点同样会发生移动。因此，这个问题同样还待解决，为了改进长时间的稳定性我们必须得去解决这些问题。 5使用的单一的Rb原子锁峰方法虽然加强了频率的稳定性，但它仍然存在问题，我们必须还得对其进行改进，在这里，我们在测试一种新的方法，把它叫“峰-c”，用这种方法，光学装置比较简单，只要单一的Rb原子。51实验装置光学装置如图13所示，激光束通过透镜，然后再经过BS1
12、分光。激光束通过BS1，LP1，然后经过加上了调制磁场的Rb原子，再通过BS2分光。经BS2的光通过LP2，LP2被设定在+45度角。BS2反射的光经过LP3，其方向设定在-45度。然后激光束聚集打在APD1或APD2上。为了测量两个独立的稳定的激光间的差频，两束光都要打到APD3上。得到的差频将用来实行稳频。52结果图10中（d）显示了采用“峰-c”方法的稳定性，从图中我们可以清楚的看出它较其他方法更优越。当外界温度或者Rb原子上的磁场变化时，透射光强也会变化。采用这种方法，不仅限制了稳定点的变化，同时其实验装置较少，并且便于操作，即使有噪声对其影响也不大。6 结束在研究中，我们已经完全实现了基于法拉第效应的锁峰稳频，从而实现了对半导体激光器频率的稳定。我们发现通过改变实验装置，可以改进整个系的S/N比率。经验告诉我们，采用峰方法，较高的值能提高短时间的稳定性，我们得出下一步，介绍了“峰-b”方法，它在锁相放大器端具有稳定、干净的输出。然而，由于温度和加在两处Rb原子上的磁场的变化，采用“峰-a”和“峰-b”方法都并不太稳定。此时我们介绍了“峰-c”方法，我们设计它的光学系统具有整套的功能，但却只有一个Rb原子；一个处理就大大的改进了激光频率的稳定性。然而，由于获得稳定点需要两个精确的信号结合在一起，所以就必须要求温度具有一点的稳定度。
