主动锁模光纤激光器的锁相稳定方法

　　0　引言

　　在光纤通信技术中,主动锁模掺铒光纤激光器因能工作在光纤通信的最低损耗窗口而备受青睐。但目前,主动锁模光纤激光器腔内存在短期和长期不稳定性,导致其工作稳定性差,这是制约其应用的一个主要因素。长期不稳定性的危害与短期不稳定性相比更加严重。短期不稳定性只是在脉冲幅度及时间上的抖动,脉冲波形依然存在,在实际通信系统中表现为误码率增加;而造成长期不稳定性的因素,如等效腔长的漂移和微波频率的漂移,虽然变化缓慢但一旦失谐量达到一定程度,激光器将完全失锁,导致脉冲崩溃消失,在实际通信系统中表现为通信中断[1]。为使主动锁模光纤激光器长期稳定运转,如何稳定腔长成为保证主动锁模光纤激光器稳定工作的关键[2],也是国内外研究的热点。

　　目前采用再生锁模技术稳定主动锁模激光器的腔长,是提高光纤激光器稳定性的一种行之有效的方法[3-4],在此基础上发展了利用压电陶瓷(PZT)改变光纤腔长的锁相控制技术。该技术是在主动锁模光纤激光器中加入锁相控制电路。该锁相控制电路可将误差信号以闭环反馈的形式反馈到激光腔内,从而稳定控制谐振腔的光学长度以克服腔长失谐[5-6]。为克服传统锁相技术的捕获、锁定速度慢和噪声大等缺点,提出了一种变带宽的锁相稳定方法———变带宽锁相环(transformable bandwidth phase-locked loop, TBPLL)可实时监控激光器的输出信号,实时改变环路捕捉带宽,当输出信号的频率变化时,锁相环能及时将其牵引到期望频率点上,实现在频率差较大的范围内快速捕捉和锁定信号,从而提高主动锁模光纤激光器的稳定性。

　　1　锁相反馈主动锁模光纤激光器

　　图1是锁相反馈锁模光纤激光器的结构[7],其中锁相电路由锁相环本身的自振荡回路组成,由产生外部时钟信号的频率合成器、高频压控晶体振荡器(VCO)、双平衡混频器(DBM)及环路滤波器(LF)四部分组成。时钟提取电路由速光探测器、频率为10 GHz的高Q(1 400)电介质滤波器和高增益放大器组成。锁模光纤激光器本身起光电压控制振荡器的作用,光纤腔的一部分被缠绕在PZT上,腔长随加在PZT上控制电压而改变,激光器的输出脉冲频率也就随其改变。

　　来自激光器的正弦时钟信号与频率合成器的参考信号混频,输出的频率差接近零时,环路锁定.为了从激光器中获得期望输出脉冲,激光器输出光束的一部分被耦合到时钟提取电路中,经过相位控制器调节后,射频信号被放大,再反馈到LiNbO3强度调制器中,实现锁相反馈锁模。如果激光器的时钟信号与频率合成器的参考信号存在相位差,通过锁相环路的锁相作用及PZT对激光器光纤腔长的调节作用,激光器本身自动移相,使其输出信号与参考信号同频同相。一旦激光器系统被锁定,输出信号的频率会准确跟踪参考信号频率,使相位差Φe(t)θe(t)恒为零,这样在合成器的稳定范围内,输出脉冲频率被锁相环稳定在合成器的时钟频率的稳定度上,因此输出脉冲的频率稳定性与频率合成器的稳定性相同。如此反复调节就可以使激光器输出光脉冲的重复频率始终保持不变,实现激光器的长时间稳定工作,克服由于腔长变化引起的长期不稳定性,从而改善激光器的稳定性[8]。