利用铷吸收线的法拉第效应实现半导体激光器的稳频分析报告.doc

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 Satob Masashi Ohkawa, Takeo Maruyama ado 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 2．1 参考频率 共振跃迁的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。 2．2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 3．1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。 3．2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cel