摘 要

目前在单频光纤激光器中，频率连续可调的单频光纤激光器在OFDR(光频域反射计)和信号探测等一些高精尖领域已经发挥着不可替代的作用。设计和制造频率连续可调的单频光纤激光器具有理论和实际的应用意义。

本文设计并制作了一种可频率调制的1550nm单频光纤激光器。该光纤激光器采用一种PZT的频率调制DBR线性短腔，其结构简单且避免了对光纤光栅造成影响。在单频光纤激光器设计和制作过程中，首先设计了一种PZT驱动电路。该驱动电路使得驱动信号能够正常地驱动PZT,同时提高了PZT的频率响应能力；然后设计了单频光纤激光器的控制电路，该控制电路采用STM32微控制器作为主控芯片，实现了对激光器泵浦源驱动电流的控制、激光腔温度的维持、相关参数的采集与显示等功能。这最后对几个模块进行组合和封装，并对该频率可调的单频光纤激光器性能进行测试，结果表明设计与制作的激光器在功率稳定性上、单纵模工作状态上、频率调制范围上均满足要求，具有重要的实际应用意义。

关键词：光纤激光器；PZT驱动电路；STM32微控制器

Abstract

Currently, in the field of single-frequency fiber lasers , single-frequency fiber lasers with continuously adjustable frequency have played an irreplaceable role in some sophisticated fields ,such as OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometer) and signal detection and so on. Designing and manufacturing frequency-tunable single-frequency fiber lasers will be very significant in theoretical practical and manufacture .

This paper focus on how to designs and manufactures a frequency-modulated 1550nm single-frequency fiber laser. The fiber laser adopts a PZT frequency modulation DBR linear short cavity, which has a simple structure and avoids influence on the fiber grating.In the design and manufacture of a single-frequency fiber laser, a PZT drive circuit was first designed.The driving circuit enables the signal to drive the PZT normally ,and improves the frequency response capability of the PZT.Finally, the laser's control circuit was designed.The control circuit uses the STM32 microcontroller as the main control chip, which realizes the control of the laser pump source driving current, the maintenance of the laser cavity temperature, and the acquisition and display of related parameters.Finally, several modules are combined and packaged, and the performance of the single frequency fiber laser with adjustable frequency is tested.The interactions between these parts constitute a whole frequency-modulated single-frequency fiber laser that can work properly.The laser meets the requirements in terms of power stability, single longitudinal mode operation, and frequency modulation range, and has important practical application significance.

Key Words：Fiber laser; PZT drive circuit; STM32 microcontroller

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 单频光纤激光器 2

1.3 频率调制单频光纤激光器的研究现状 4

1.4 本文研究内容与章节安排 7

第2章 可频率调制单频光纤激光器 8

2.1 可频率调制单频光纤激光器的实现方案 8

2.2 频率调制原理 10

2.3 LD驱动模块 11

2.4 本章小结 12

第3章PZT驱动电路设计 14

3.1 PZT选型 14

3.2 PZT驱动电路的设计 14

3.2.1 电压放大电路的设计 15

3.2.2 隔离级电路的设计 16

3.2.3 高响应电路的设计 17

3.3 本章小结 19

第4章 控制电路及主控软件设计 21

4.1 激光器温控电路 21

4.2 主控系统设计 22

4.2.1 主控电路设计 22

4.2.2 主控软件设计 26

4.3 本章小结 27

第5章 可频率调制单频光纤激光器的封装及测试 28

5.1 光纤激光器的封装 28

5.2 PZT驱动电路测试 29

5.3 频率可调单频光纤激光器性能测试 30

5.4 本章小结 33

第6章 总结 34

参考文献 35

附录A 36

致 谢 38

第1章 绪论

• 1. 研究背景与意义

以掺杂光纤做增益介质的光纤激光器在20世纪60年代首次出现以后，得到了广泛地关注并取得了不断地发展。从现在的发展趋势来看，光通信在低成本、大容量、宽带宽等方面的要求越来越高。但是，从目前在光通信领域中普遍使用的半导体激光器而言，其有着较难满足ITU-T建议的WDM的缺点，同时其还具有安装尺寸较大，较难与其他系统兼容的问题。在这样的背景下，光纤激光器作为光通信的另一种高效实用的光源而得到了大量研究并取得了大量优秀的研究成果。

光纤激光器的是利用光纤本身的非线性或者是以光纤放大器作为基础并加上各种形式的谐振腔的形式，同时由泵浦源等部分构成的产生激光的器件，其按谐振腔按照其构成的形状与结构可以分为环型腔、F-P腔、DFB光纤激光器等。光纤激光器具有可调谐范围宽、体积小、结构简单、具有较高的光束质量的特点,因而在农业、通信、医学、国防和工业领域都获得了极大的关注和广泛的应用。虽然光纤激光器已经成为继半导体激光器之后的又一光通信的光源，但是其仍然有着较难实现产业化和商品化的问题。未来光纤激光器的发展方向必将是进一步提高光纤、光栅的制作工艺，提高光纤激光器的光束质量、输出功率和改善其它在实验以及实际应用中所注意的相关参数。

光纤传感器因其对恶劣环境适应性、强抗电磁干扰和原子辐射的能力等优良的特性，正在很多领域中逐渐地取代传统的电子传感器发挥着重要的作用。从目前的应用情况来看，多数的光纤传感器网络是依赖于OTDR技术的，也即光时域反射仪。但是由OTDR所构成的传感器网络，在技术层面上不能达到空间分辨率、其信噪比等参数的一致优良性。所以，OTDR系统的空间分辨率受到了制约，一般在m的量级内。OFDR技术，即光频域反射仪，在OTDR不能很好的达到测量需求时应时而生。与OTDR不同的是，因其空间分辨率与接收机带宽的反比关系，OFDR能够做到很高的信噪比，从而提高了空间分辨率。但是，OFDR对其光源有着更为严格的要求，即光源频率能够连续、线性地在较大的频率范围内可调制。因此，作为OFDR技术实现的基础，可频率调制的单频光纤激光器的研制是十分重要的。

另外，可频率调制的单频光纤激光器在实现微弱信号的检测、超远距离相关信号的测量等领域中均发挥着举足轻重的作用。

因此，本设计将进行可频率调制单频光纤激光器的研究与制作，设计出一种结构较为简单，且工作稳定的单频光纤激光器。在设计的激光器的波长方面，选择的是目前作为最低衰减波长的1550nm光波。

• 1. 单频光纤激光器

在光纤激光的技术领域中，单频光纤激光器作为近年来的研究热点之一取得了快速的发展和受到了广泛的应用。单频光纤激光器，也被称为单纵模光纤激光器，顾名思义，这指的是在谐振腔中只有一个纵模振荡的一类激光器。单频光纤激光器相比较与其他类型的激光器主要的特点就是其超窄光谱线宽以及超长相干长度，这使得其在一些对激光线宽有着更高要求的超高精尖领域有着广泛的应用前景，如在引力波探测、光晶格、相干激光、相干光通信中均有着广泛的应用。

目前，在研究或者应用于实际生产的单频光纤激光器按照波段分类主要包括1.0μm、1.5μm、2.0μm以及中红外波段等几类，这几类波段的激光器在相应的应用领域之中均扮演着重要的角色。为实现光纤激光器的单频输出，主要的实现方式有线性腔、环形腔和复合腔。其中，复合腔是以环型腔和线性腔为基础进行演变的结构，所以可以说线性腔和环形腔是实现光纤激光器单模输出主要的技术。

环形腔是一种行波腔，即腔内振荡激光只工作在行波状态。常见的环形腔有Sagna环形谐振腔、光纤环形谐振腔、光纤环行器环形腔等等。环形腔能够消除由于驻波状态引起的模式竞争，从而避免了出现空间烧孔效应。由于环形腔具有低成本、功率输出大的特点，近年来受到了越来越多的研究人员或相关机构的青睐。图1-1的是环形腔单频光纤激光器的基本应用结构。

图1-1 环形腔单频光纤激光器的原理结构图

由图可知，光纤环路是由波分复用器（WDM）、增益光纤、ISO、滤波器和耦合器等部分构成，图中LD是环形腔单频光纤激光器的泵浦源。激光器内的激光以行波的方式在光纤环路内传输，耦合器的一个端口将输出光纤环路内的部分激光。

虽然环形腔具有消除空间烧孔效应的能力，能够较好的保证激光器的单模运转、线宽、稳定性等方面的性能。但是，因环形腔具有较长的腔长，且使用用此种腔构成的光路结构较为复杂的特点，在实际的应用中由于环境的干扰，如温度、声音、振动等，容易出现跳模现象。故，在实现光纤激光器的单频输出的技术中还有线性腔一种。线性腔是一种驻波腔，腔内振荡激光只工作在驻波状态。在长线性腔中，驻波引起的模式竞争容易使激光器产生多模震荡，导致输出光谱展宽。为了达到光纤激光器单频窄带的输出的目的，在使用线性腔谐振腔时要么使用一些措施来消除空间烧孔，要么采用超短线性腔结构。基于本文的研究需要，在文中只介绍超短线性腔结构的线性腔。线性短腔能够让激光的相邻纵模间隔变大，从而保证单一纵模的输出。超短线性腔结构的线性腔通常包括有两种类型，即分布布拉格反射型(Distributed Bragg Reflector,DBR)和分布反馈型(Distributed Feedback,DFB)这两类。图1-2所示的是DRB型的单频光纤激光器的基本应用结构。

图1-2 DRB型的单频光纤激光器的原理结构图

从图中所示的结构可以看出，DBR型单频光纤激光器的包含的基本部分有：作为增益介质的一段稀土离子掺杂光纤、NB-FBG(Narrow Band Fiber Bragg，窄带光纤光栅)、WB-FBG(Wide Band Fiber Bragg Grating,宽带光纤光栅)、波分复用器、隔离器和LD。NB-FBG和WB-FBG分别熔接在增益光纤的两端从而构成了谐振腔，LD作为激光器的泵浦源。与DBR激光器不同的是，DFB型单频激光器谐振腔的有源区与反馈区同为一体。图1-3所示的是DFB型的单频光纤激光器的基本应用结构。

图1-3 DFB型的单频光纤激光器的原理结构图

如图中所示，DFB单频光纤激光器的结构包括LD、波分复用器、隔离器以及DFB激光腔。DFB激光谐振腔能够同时实现激光反馈和模式选择，基本的实现方法是把一段相移光栅直接刻写到掺杂增益光纤上。当相移位于光栅的中间位置时即可以获得一个DFB腔，腔的两腔镜为相移两端的光栅。该结构使反射谱阻带中心出现一个线宽极窄的透射窗口，这是相移光栅具有很好的模式选择特性的原因。

• 1. 频率调制单频光纤激光器的研究现状

窄带单频光纤激光器因为其低噪声和无跳模等优良特性在一些高精度光纤传感器的应用中发挥着重要的作用。在一些应用情况下，要求单频光纤激光器的输出具有在较大的频率范围内连续、线性可调的功能。如在基于频率调制连续波方式的相干频域反射技术（OFDR）就要求光源频率能够连续、线性地在较大的频率范围内可调制。另一方面，可频率调制的单频光纤激光器因为具有与光纤系统良好的兼容性，具有做为下一代的优质的通信光源的潜质而受到了国内外相关研究人员的密切关注。

1993年，Holton C等人发表了一种关于单频光纤激光器的研究[^[1]]。他们使用一种线性短腔的结构来制作完成了一种低噪声单频光纤激光器，同时还具有频率可调的功能。利用这种光纤光路结构制作的激光器调谐波长最大可达0.72nm。

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