1、利用銣吸收線的法拉第效應實現半導體激光器的穩頻Shinichi ItO*a, Toshiya iffl?fla Akihiko Sawamuraa, Takashi SatobMasashi Ohkawa, Takeo Maruyama'ado Sato 實驗室, 科技研究院，Niigata大學工程學院教師，Niigata大學8050 Ikarashi 2-no-cho, Niigata 市, 950-2 1 8 1 , 日本摘要：我們通常把精確的電流反饋到激光器的電流輸入端，以實現半導體激光器的穩頻。采用這種方法通常需要在激光器的電流輸入端上加上一個小的調制電流，以便獲得誤差信號。這

2、在一定程度上加大了激光器的輸出線寬，也許某些時候是有利的，比如激光通信，但是大多時候我們需要的是較窄的線寬。為了獲得誤差信號，穩定激光器的頻率使其具有較窄線寬，我們應用銣吸收線的法拉第效應。下面的任務就是如何實現穩頻，1. 簡介半導體激光器在通信與測量中得到了廣泛的應用，這在一定程度上是由于改變激光器的輸入電流和工作溫度，可以方便、精確地調節激光器的輸出頻率。在目前最先進的應用中，這些方面的靈活都是很有用的，下一代相干光通信系統，對激光的線寬要求更窄，我們使用Rb-D2吸收線作為外部參考頻率，可以把半導體激光器的頻率穩定在780nm (384THz)。這樣，半導體激光器的頻率和參考頻率的差異就

3、作為誤差信號，并把誤差信號反饋到激光器的輸出入端。誤差信號是通過對Rb-D2吸收線作鑒相而得。我們就可以大地改善激光器的頻率穩定，通過給電流輸入端加上調制。因為從這里，我們得到誤差信號。然而，這種方法有著某些缺點，在應用過程中增加了頻率的不穩定性，加大了激光器的輸出線寬。為了避免這種情況，我們采用基于法拉第效應的碰場調制方法，通過調制外部參考頻率，代替對激光器振蕩頻率的直接調制，從而避免了對激光器線寬的加寬。從而，實現激光器輸出可控和穩定的頻率。在本論文中，我們把法拉第效應和先前提到的鎖峰方法一起運用，獲得跟參考頻率一樣易控且穩定的激光器輸出頻率。 2利用法拉第效應實現穩頻的原理21 參考頻率

4、共振躍遷的原子和分子常常被作為參考頻率，因為它們的頻率穩定，不易受外界環境的干擾。我們已經發現了一種原子或者說分子，共振時其產生的激光波長在1.5um附近，這很適用于當今的光纖通信系統。Latrasse et al.利用Rb-D2吸收線（780.02nm）的第二次諧波輸出，成功的使他們的激光器波長穩定在1.56um。在我們的研究中，我們會用Rb-D2吸收線作為參考頻率去穩定半導體激光器的輸出頻率。下圖1即為Rb-D2吸收線。22法拉第效應和碰場調制原理為了實現半導體激光器的頻率穩定，需要一個誤差信號，這個誤差信號反映了激光器頻率與參考頻率之間的差值。在我們的研究中，穩頻是通過磁光效應實現的，當

5、線性光通過非均勻介質，并穿過與其平行的磁場區時，則光振動方向將發生偏振，這就是法拉第效應。圖2顯示的是基于法拉第效應的磁場調制原理。當激光束，平行于磁場通過Rb原子時，如果激光的頻率與吸收頻率相匹配，則光振動方向將發生偏振。偏振角度取決于磁場的強度和激光的頻率。透射的光強I由下式給出式中為偏振角度，為未通過磁場時的光強。如果足夠小，則上式可近似的表示成然后，我們就可以通過調制磁場來調制激光，圖3顯示的就是圖2中的光強。虛線表示的是不經過Rb原子的光強。在圖（a）中，是光通過6Ox1O ' t直流偏置磁場，發生+45度偏振的情況。圖（b）顯示示的是光在H1和H2磁場下通過Rb原子，產生-

6、45偏振的情況。透射光的強度在圖4（a）中。在B點，磁場并沒有對光強構成影響，在A和C點則存在影響，在這兩點磁場調制正好相反。在圖4（b）顯示的調制磁場的作用，并通過鎖相放大器檢查透射光的光強，我可就可以獲得誤差信號（圖4（c）項）。激光的輸出頻率就穩定在圖4（c）中的零點，即B點。這種方法有效的防止了激光譜線變寬。在測試過程中，我們得到如圖5所示的結果。我們可以把激光頻率穩定在與零輸出點相對應的P點，誤差信號曲線中，零點附近的曲線表示了穩定范圍，我們稱為，其值有下示給我出越大，其穩定范圍越大。 3通過鎖峰實現激光器的穩頻31鎖峰的原理采用“鎖峰”實現穩頻，比較兩個吸收峰信號，選擇其中較大的一

7、個。采用同步檢測獲得微分信號（圖6（a）,我們期望在那一點，鑒頻曲線的，然而，激光的線寬是有限的，同時電路中也存在著延時，誤差信號的斜率也只能是有限的。32實驗裝置圖7顯示的是光學裝置圖，激光束經過平面透鏡，然后通過BS1進行分光。通過BS1到BS2的激光束隨后通過LP1和cell 1，穿過調制磁場，通過LP2然后輸出，然后通過雪崩光電探測二極管（APD1）進行探測。LP2和LP5分別被放置在Rb-cell 1和Rb-cell 2的后面，被設置在45度，以便能改偏振角度，從而把微小的偏振角度變化量轉變成顯著的光強變化量。然后光強在通過透鏡聚集，用APD2進行探測。為了測量兩個穩定的激光的差頻，

8、我們把BS1和BS3反射的光聚焦后打到APD3上。在APD3上輸出的就是穩定的差頻信號。實驗裝置圖如圖8所示。從APD和APD2出來的信號，首先經過“峰”電路處理，然后再送到鎖相放大器。用這些信號，同步檢波就可以在一個低的調制下實現，從而獲得一次微分信號。這里的微分信號即為誤著信號，它反映了頻率頻率參考點的量，然后再把誤差信信經由比例和積分電路（PI控制）反饋到激光器的控制端。當增加，誤差信號就越靈敏；總之激光器的頻率就越穩定。鎖相放大器的時間常數是30ms，而積分控制的時間常數是47ms或5ms。為了方便，我們把這種方法稱為“鎖峰”。33結果圖9顯示的是鎖相放大器的輸出信號。我們把激光頻率穩

9、定在P點。圖10中（b）顯示了穩頻的結果。鎖峰方法在短時間（少于10秒）比采用法拉第效應穩頻效果要好。然而，當時間長了（大于10秒）其穩定性就變差。鎖峰方法能防止頻率出現多模，因為它能使控制信號具有一個較高的值。但是鎖峰方法中的穩頻點，是通過兩個電信號混合產生的，會發生移動通過改變探測到的光的功率，或者改變透射光的光強。換言之，穩頻點的任何位置移動都會降低頻率的長期穩定性。當兩個信號的能量被改變時，透射光強和鎖相放大器輸出的信號曲線都會發生變化。為了控制這個過程，我們可以調整Rb原子后面的線性偏光器。為了獲得相似的信號，要求每次實驗條件都完全一樣，但要做到這一點是很困難的。但是，我們可以盡量優

10、化峰到我們獲得相似輸出曲線的那一點，下面我們將提到這一點。 4改進誤差信號和穩定性在上一段中，我們描述了怎么在各種磁場強度下形成頻率穩定點，但通過種方法產生相同的控制信號并不是一件容易的事。因此我們在下面將介紹“峰-b”。41“峰-b”方法的原理我們調整偏振器LP5的角度在-45度（圖7），對Rb原子1和2加上同樣強度的直流偏置磁場。當偏振角度反相后，光強參數也隨之反相。因此將從鎖相放大器得到反相的誤差信號。圖11顯示的是在測試“峰-b”方法時所采用的條件。42結果圖12顯示了鎖相放大器的輸出特性。圖10中（c）顯示了 “峰-b”方法比“峰-a”方法不管在短時間和長時間穩頻上都具有優越性。當在

11、“峰-a”方法中，長時間穩頻即使鎖相放大器有一個很小的輸出變差，然而在“峰-b”方法中鎖相放大器卻仍有穩定和干凈的信號輸出，并具有高的值，從而改進了頻率穩定性。但不幸的是，用“峰-b”方法實現長時間穩頻同樣是很困難的。當APD探測到的光能量或者透射光強改變時，P點同樣會發生移動。因此，這個問題同樣還待解決，為了改進長時間的穩定性我們必須得去解決這些問題。 5使用的單一的Rb原子鎖峰方法雖然加強了頻率的穩定性，但它仍然存在問題，我們必須還得對其進行改進，在這里，我們在測試一種新的方法，把它叫“峰-c”，用這種方法，光學裝置比較簡單，只要單一的Rb原子。51實驗裝置光學裝置如圖13所示，激光束通過

12、透鏡，然后再經過BS1分光。激光束通過BS1，LP1，然后經過加上了調制磁場的Rb原子，再通過BS2分光。經BS2的光通過LP2，LP2被設定在+45度角。BS2反射的光經過LP3，其方向設定在-45度。然后激光束聚集打在APD1或APD2上。為了測量兩個獨立的穩定的激光間的差頻，兩束光都要打到APD3上。得到的差頻將用來實行穩頻。52結果圖10中（d）顯示了采用“峰-c”方法的穩定性，從圖中我們可以清楚的看出它較其他方法更優越。當外界溫度或者Rb原子上的磁場變化時，透射光強也會變化。采用這種方法，不僅限制了穩定點的變化，同時其實驗裝置較少，并且便于操作，即使有噪聲對其影響也不大。6 結束在研究中，我們已經完全實現了基于法拉第效應的鎖峰穩頻，從而實現了對半導體激光器頻率的穩定。我們發現通過改變實驗裝置，可以改進整個系的S/N比率。經驗告訴我們，采用峰方法，較高的值能提高短時間的穩