窄线宽半导体激光器的研究

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近年来半导体激光器快速发展,由于具有很高的可靠性,寿命长,低成本,体积小,性能高等优点,被广泛应用于光纤传感和光通信、雷达等领域。一般半导体激光器的线宽很大达到几百kHz、相位噪声很高,从而限制了在各个领域的应用。因此窄线宽激光器成为目前研究的热点。要得到功率稳定的窄线宽输出,需要有良好的驱动电路,以及设计良好的结构减少激光器的相位噪声和频率噪声。本文主要致力于激光器功率稳定输出电路和实现激光器窄线宽的研究,并进行了一系列的理论和实验的研究。本文的主要内容如下:(1)阐述了半导体激光器的发展现状、工作原理,对比了半导体激光器与光纤激光器的特性,总结了半导体激光器实现窄线宽的方法,分析了半导体激光器的工作特性。(2)分析半导体激光器的温度特性,得出温度对激光器的阈值电流有很大的影响。提出一种温度控制的方法,系统采用专用激光器温度控制芯片LTC1923驱动H桥式电路,通过控制制冷器电流的方向来控制激光器的温度,为保证温度具有一定的稳定度,在芯片前端对差分信号进行放大。通过比例积分控制电路来控制输出信号,实现对制冷电路的控制。(3)提出两种激光器功率控制的方法,包括温度补偿法和自动功率控制的方法,两种方法各有其优缺点。并测试了激光器在室温条件下和温度变化条件下的长期稳定度,结果显示激光器的输出功率稳定,能够达到0.1%的稳定度。(4)提出了一种实现窄线宽半导体激光器的方法—电反馈法。电反馈的方法是采用π相移的光纤光栅作为鉴频器,然后将反馈回来的光信号通过光电探测器转化为电信号,与激光器内部信号比较,得出的差分信号进入环路滤波器反馈到激光器。得到窄线宽的半导体激光器。此方法实现的关键是环路滤波器的设计和鉴频器的选取。为了更好的抑制差分信号上的纹波,实验中采用了三阶无源环路滤波器。鉴频器的选择上对比多种鉴频器,最后选择π相移的光纤光栅。经测量将原始线宽0.5nm的激光器线宽降低到0.08nm。
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