CN103928835B - 一种半导体激光器光源的非线性响应校正方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体激光器光源线性调频时出现的非线性响应校正方法，先通过搭建的装置测出半导体激光器的调频一阶线性响应系数和二、三、四阶非线性响应系数，再将对应的非线性调制电压信号曲线关于经过其调制电压中心工作点、以一阶线性响应系数为斜率的线性工作直线为对称轴作对称操作，即可得到用于校正调频非线性响应的调制驱动电压曲线。将该经过调频非线性响应校正的调制驱动电压曲线数据输入波形发生器中生成调频校正调制电压信号用于驱动半导体激光器，从而输出的调频激光的频率变化趋近于理想线性。本发明还提供了一种使用上述方法制成的一种半导体激光器光源的非线性响应校正装置，提高了调频连续波测量应用中的测量精度。

Description

一种半导体激光器光源的非线性响应校正方法和装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器应用，尤其涉及半导体激光器光源的非线性响应校正方法和装置。

背景技术

半导体激光器具有体积小、效率高、输出功率高以及调制方式简单等特点在信息传输、相干通讯、光纤陀螺以及激光雷达中有着广泛的应用。

在激光测速测距雷达等应用到调频连续波技术的科学领域，通常直接对半导体激光器的注入电流进行调制，不必增加其它移频装置，激光器输出的光频率就会发生一定范围内的移动，将此半导体激光器在光外差系统进行拍频或者相位测量，实现测距、测速、定位等功能，半导体激光器的频率调制特性对测量的精度和准确度具有较大影响。

当半导体激光器的调制电流频率低于几千赫兹时，为了使半导体激光器发射出理想的线性调频的激光束，必须对驱动的调制电流或电压进行非线性校正。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种半导体激光器光源的非线性响应校正方法，可使半导体激光器输出的调频激光束趋近于理想线性，提高了调频连续波测量应用中的测量精度。

本发明所要解决的次要技术问题是提供一种使用上述方法设计的一种半导体激光器光源的非线性响应校正装置。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了1.一种半导体激光器光源的非线性响应校正方法，其特征在于包括以下步骤：

1)信号发生器产生锯齿波信号作为调制信号加载到驱动电路中，所述驱动电路通过恒流源驱动模块和所述信号发生器输入的调制信号产生调制电流驱动半导体激光器处于调频工作状态；取锯齿波上升沿时间段的中心点为时间轴的原点(t＝0)，该时间点处对应于激光调频输出的中心工作频率f₀，则激光输出的调频频率表达式为：

f(t)＝f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴ ①

其中，k为线性调频的斜率，B为调制深度，T为锯齿波调制周期；α为二阶调频非线性系数，β为三阶调频非线性系数，γ为四阶调频非线性系数；锯齿波上升沿阶的时间段对应于①式中-T/2<t<T/2这个取值范围。

2)所述半导体激光器发出的调频激光输入到第一耦合器中，所述第一耦合器将所述调制激光分为两部分，一部分作为发射信号由所述第一耦合器的第一输出端口输出到环形器的第一输入端口；另一部分作为本振光信号由所述第一耦合器的第二输出端口输出到第二耦合器的第一输入端口；

所述本振光信号的频率为：

f₁(t)＝f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴ ②

3)所述环形器的第一输出端口将所述发射信号传输到发射天线中；所述发射天线向被测物体所在空间发射所述发射信号，被测物体接收到所述发射信号后将会反射一部分光回信号到所述接收天线，所述回光信号传入到所述环形器的第二输入端口，并由所述环形器的第二输出端口输入到所述第二耦合器的第二输入端口；

所述回光信号的频率为：

f₂(t)＝f₀+k(t-τ)+α(t-τ)²+β(t-τ)³+γ(t-τ)⁴ ③

其中τ为延迟时间，R为被测物体与雷达间的距离，c为光波在空间传输的速度

4)所述第二耦合器将接收到的本振光信号和所述回光信号耦合成差频信号，并将所述差频信号通过所述第二耦合器的输出端输入到光电探测器中；

由②式减去③式，可得差频信号的频率表达式为：

f_b＝(kτ-ατ²+βτ³-γτ⁴)+(2ατ-3βτ²+4γτ³)t+(3βτ-6γτ²)t²+4γτt³ ④

5)所述光电探测器将接收到的所述差频信号进行光电转换将光信号转为模拟电信号，并将所述模拟电信号输入到信号处理电路中进行放大、滤波、A/D转换和FPGA数据采集，将采集到的数据输入到计算机中进行处理；

6)当所述被测物体距离固定时，所述延迟时间τ也为固定；所述计算机将采集到的差频电信号数据均匀分段，记录各段中点所对应的时间，对每段进行傅里叶变换，在功率谱中最大幅度所对应的频率值即是每段的频率值，得到差频信号频率曲线，将所述差频信号频率曲线进行曲线拟合，通过计算得出调频非线性系数；

所述曲线拟合的公式为：

p(t)＝c₀+c₁t+c₂t²+c₃t³ ⑤

7)比较⑤与④式，令两个多项式对应的各阶系数相等建立方程组，即可得到所述光源调频特性的一阶线性系数和二、三、四阶非线性系数的计算式为：

$k=\frac{c_0}{\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_1}{2}+\frac{c_2\mathrm{\&tau;}}{6}$

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{c_1}{2\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_2}{2}+\frac{c_3\mathrm{\&tau;}}{4}$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{c_2}{3\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_3}{2}$

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{c_3}{4\mathrm{\&tau;}}.$ ⑥

8)所述计算机将上述⑥式求的所述调频线性系数和非线性系数依据所述半导体激光器的工作中心点和调制电压线性部分的变化范围，得到调制驱动电压的线性系数和非线性系数；

所述半导体激光输出中心频率f₀时，对应的信号发生器输出电压信号的中心电压为V₀，驱动信号在-T/2<t<T/2时域范围内的表达式为：

V(t)＝V₀+k_Vt+α_Vt²+β_Vt³+γ_Vt⁴ ⑦

其中，k_V，α_V，β_V和γ_V分别为信号发生器输出电压的一阶线性系数和二、三、四阶非线性系数。线性系数k_V的大小取决于所选用的激光器的驱动电路放大系数、跨阻、电流与激光输出频率关系等参数。实实践中可以预先设定好调制电压的线性变化部分的范围ΔV，则

$k_V=\frac{\mathrm{\&Delta;V}}{T}$ ⑧

这种情况下，调制电压非线性系数α_V，β_V和γ_V与调频非线性系数α，β和γ的关系式为：

${\mathrm{\&alpha;}}_V=\frac{k_V}{k}\mathrm{\&alpha;}$

${\mathrm{\&beta;}}_V=\frac{k_V}{k}\mathrm{\&beta;}$

${\mathrm{\&gamma;}}_V=\frac{k_V}{k}\mathrm{\&gamma;}$ ⑨

9)在一个所述调制周期上升沿阶段内，取经过调频驱动电压中心点(t＝0，V＝V₀)、以k_V作为斜率的直线作为对称轴，做出所述调制驱动电压的非线性曲线关于所述对称轴对称的曲线，得到的对称曲线就是一个周期内导体激光器调频非线性响应校正的调制驱动电压曲线。

10)在波形发生器中设置产生周期性的所述半导体激光器调频非线性响应校正的调制驱动电压曲线，生成调频非线性响应校正的调制驱动电压信号并输入所述半导体激光器中。

作为优选：所述曲线拟合的非线性校正项达到3个。

作为优选：所述第一耦合器为10:90的光耦合器，其中10％的所述调频激光作为所述本振光信号，90％的所述调频激光作为发射信号。

作为优选：所述第二耦合器为5:95的光耦合器，其中5％为所述本振光信号，95％为所述回光信号。

一种半导体激光器光源的非线性响应校正装置，其特征在于：所述装置包括：信号发生器，所述信号发生器输出周期性线性锯齿波信号；

驱动电路，所述驱动电路的输入端与所述信号发生器的输出端连接；

半导体激光器，所述半导体激光器的输入端与所述驱动电路的输出端连接；

第一耦合器，所述第一耦合器的输入端口接收所述半导体激光器输出端输出的信号；所述第一耦合器的第一输出端口与环形器的第一输入端连接；所述第一耦合器的第二输出端口与第二耦合器的第一输入端连接；

环形器，所述环形器的第一输出端口发射信号到天线；所述环形器的第二输入端接收所述天线的回光信号；所述环形器的第二输出端口与所述第二耦合器的第二输入端连接；

天线，所述天线分为发射天线和接收天线；所述发射天线向被测物体发送信号，所述接收天线接收被测物体反射的回光信号；

第二耦合器，所述第二耦合器将其第一输入端口和第二输入端口的信号耦合，所述第二耦合器的输出端与光电探测信号的输入端连接；

光电探测器，所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号；所述光电探测器的输出端与信号处理电路的输入端连接；

信号处理电路，所述信号处理电路分为信号放大模块、滤波模块、A/D转换模块、FPGA数据采集模块；所述信号处理电路的数据输出端与计算机连接；

波形发生器，所述波形发生器的输出端与所述半导体激光器的输入端连接。

作为优选：所述第一耦合器为10:90的光耦合器。

作为优选：所述第二耦合器为5:95的光耦合器。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1.本发明提供的一种半导体激光器光源的非线性响应校正方法可使半导体激光器输出的调频激光束趋近于理想线性，提高了调频连续波测量应用中的测量精度。

2.本发明还提供了一种半导体激光器光源的非线性响应校正装置，具体广泛适用性。

附图说明

图1为本发明优选实施例的装置示意图。

图2为经过本发明优选实施例校正前后获得的半导体激光器输出激光的频率变化曲线对比图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：

参考图1，一种半导体激光器光源的非线性响应校正装置，包括：

信号发生器1，驱动电路2，激光器3，第一耦合器4，环形器5，发射天线6，接收天线7，被测物体8，第二耦合器9，光电探测器10，信号处理电路11，计算机12以及波形发生器13。

具体工作流程如下：

1)实验中取镜面为待测物体8，放置在距离测量装置的距离R＝1.5m的地方，则激光往返所造成的时间延迟为

2)设置信号发生器1，使之产生周期为T＝0.5ms，工作电压中心点V₀＝2.1V，线性电压变化范围为ΔV＝0.2V的锯齿波信号。该信号作为调制信号加载到驱动电路2中，所述驱动电路2通过恒流源驱动模块和所述信号发生器1输入的调制信号产生调制电流驱动波长为λ＝1550nm的窄线宽半导体激光器3处于调频工作状态。

3)半导体激光器3发出的调频激光输入到第一耦合器4中，第一耦合器4将调频激光按1：9分为两部分，90％的调频激光作为发射信号由所述第一耦合器4的第一输出端口输出到环形器5的第一输入端口；10％的所述调频激光作为本振光信号由所述第一耦合器4的第二输出端口输出到第二耦合器9的第一输入端口。

4)环形器5的第一输出端口将所述发射信号传输到发射天线中；所述发射天线6向被测物体8所在空间发射所述发射信号，被测物体8接收到所述发射信号后将会反射一部分光回信号到所述接收天线7，所述回光信号传入到所述环形器5的第二输入端口，并由所述环形器5的第二输出端口输入到所述第二耦合器9的第二输入端口。

5)第二耦合器将接收到的本振光信号和所述回光信号耦合成差频信号，耦合比例为本振光信号5％，回光信号95％；并将所述差频信号通过所述第二耦合器9的输出端输入到光电探测器10中。

6)所述光电探测器10将接收到的所述差频信号进行光电转换将光信号转为模拟电信号，并将所述模拟电信号输入到信号处理电路11中进行放大、滤波、A/D转换和FPGA数据采集。采样频率为1MHz，即采样周期为Δt＝0.001ms，并将采集到的数据输入到计算机12中进行处理。

7)从采集数据中任意抽取对应于锯齿波线性调频上升阶段(时长为调制周期T＝0.5ms)的一组差频电信号，共有T/Δt＝500个点。因数据的前段和后段数据锯齿调制波形发生跳变的地方，宜将其去除。这里前段和后段数据各去除50个数据点，剩余400个数据点。

8)将剩余的400个采样数据点，以中间第200个数据点为中心，按照20个点一组，往前往后各取10个组数据组。总共有20个组，按照前后顺序编为第1组、第2组、...第20组。第200个数据点为第11组的第一个数据点，其对应的时间设定为时间起始点t＝0。

9)对每组的20个数据分别进行4096个点(补零)的快速傅里叶变换(FFT)运算，对结果取模后求得离散幅频曲线，曲线最大值点所对应的频率为该组数据所对应的频率值。

10)进行上一步操作后共取得对应于20组数据的20个频率值，记为{f_b1，f_b1,f_b1,...,f_b20}。它们对应的时间点为{t₁,t₂,...,t₂₀}，其中第i组对应的平均时间点为t_i＝[(i-11)20+9]Δt。

11)对上述20个时间点{t₁,t₂,...,t₂₀}为自变量和20个离散频率{f_b1，f_b1,f_b1,...,f_b20}为函数进行三阶多项式曲线拟合，根据⑤式，可以计算求得各拟合系数为：

c₀＝1.020×10⁵s^-1，c₁＝6.521×10⁷s^-2，c₂＝-3.610×10¹¹s^-3，c₃＝1.231×10¹⁵s^-4。

12)再根据本发明中所述的各阶系数计算式⑥，即可求得光源调频特性的一阶线性系数和二、三、四阶非线性系数分别为：

$k=\frac{c_0}{\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_1}{2}+\frac{c_2\mathrm{\&tau;}}{6}=1.020\&times;{10}^{13}{s}^{-2}$

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{c_1}{2\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_2}{2}+\frac{c_3\mathrm{\&tau;}}{4}=3.260\&times;{10}^{15}{s}^{-3}$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{c_2}{3\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_3}{2}=-1.203\&times;{10}^{19}{s}^{-4}$

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{c_3}{4\mathrm{\&tau;}}=3.078\&times;{10}^{22}{s}^{-5}.$

13)调节所选用的激光器的驱动电路放大系数、跨阻、电流与激光输出频率关系等参数，使得对应的于调频中心频率f₀＝λ/c的信号发生器输出电压中心点为V₀＝2.1V，预先设定好调制电压的线性变化部分的范围ΔV＝0.2V，则这种情况下，调制电压非线性系数α_V，β_V和γ_V的数值为：

${\mathrm{\&alpha;}}_V=\frac{k_V}{k}\mathrm{\&alpha;}=1.278\&times;{10}^5(V/s^2)$

${\mathrm{\&beta;}}_V=\frac{k_V}{k}\mathrm{\&beta;}=-4.718\&times;{10}^8(V/s^3)$

${\mathrm{\&gamma;}}_V=\frac{k_V}{k}\mathrm{\&gamma;}=1.207\&times;{10}^{12}(V/s^4)$

至此，由⑦式决定的信号发生器的锯齿波驱动电压信号在-T/2<t<T/2时域范围内的调制电压变化曲线V(t)＝V₀+k_Vt+α_Vt²+β_Vt³+γ_Vt⁴的所有系数均已决定。

14)在一个所述调制周期上升沿阶段内，取经过调频驱动电压中心点(t＝0，V＝V₀)、以k_V作为斜率的直线作为对称轴，做出由⑩式所述调制驱动电压的非线性曲线V(t)关于所述对称轴对称的曲线，得到的对称曲线就是一个周期内导体激光器调频非线性响应校正的调制驱动电压曲线V′(t)。

15)在波形发生器13中设置产生周期性的所述半导体激光器调频非线性响应校正的调制驱动电压曲线V′(t)，生成调频非线性响应校正的调制驱动电压信号并输入所述半导体激光器3中，可使半导体激光器3输出的激光束的调频趋近于理想线性。

16)为验证半导体激光光源调频的实际效果，使用该装置系统对实际镜面目标进行测距实验。对实测获取的拍频信号进行频谱分析，结果如附图2所示。可以看到使用校正过的非线性电压去驱动半导体激光器所获取的拍频信号的频谱比用未经过校正的情况下的频谱宽度要窄很多，而且形状对称，具有完美的有限长正弦信号的Sinc函数谱形。根据线性调频连续波测距雷达的工作原理，理想的光源线性调频所对应的拍频信号频谱正是关于中心频率对称的宽度很窄的Sinc函数谱形。从而从实验上证明了经过校正后半导体激光器输出激光的频率变化的线性度得到了极大提高，接近了理想的线性调频，如图2所示。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何细微修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种半导体激光器光源的非线性响应校正方法，其特征在于包括以下步骤：

1)信号发生器产生锯齿波信号作为调制信号加载到驱动电路中，所述驱动电路通过恒流源驱动模块和所述信号发生器输入的调制信号产生调制电流驱动半导体激光器处于调频工作状态；取锯齿波上升沿时间段的中心点为时间轴的原点(t＝0)，该原点处对应于激光调频输出的中心工作频率f₀，则激光输出的调频频率表达式为：

f(t)＝f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴ ①

其中，k为线性调频的斜率，B为调制深度，T为锯齿波调制周期；α为二阶调频非线性系数，β为三阶调频非线性系数，γ为四阶调频非线性系数；锯齿波上升沿时间段对应于①式中-T/2<t<T/2这个取值范围；

2)所述半导体激光器发出的调频激光输入到第一耦合器中，所述第一耦合器将所述调频激光分为两部分，一部分作为发射信号由所述第一耦合器的第一输出端口输出到环形器的第一输入端口；另一部分作为本振光信号由所述第一耦合器的第二输出端口输出到第二耦合器的第一输入端口；

所述本振光信号的频率为：

f₁(t)＝f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴ ②

3)所述环形器的第一输出端口将所述发射信号传输到发射天线中；所述发射天线向被测物体所在空间发射所述发射信号，被测物体接收到所述发射信号后将会反射一部分回光信号到接收天线，所述回光信号传入到所述环形器的第二输入端口，并由所述环形器的第二输出端口输入到所述第二耦合器的第二输入端口；

所述回光信号的频率为：

f₂(t)＝f₀+k(t-τ)+α(t-τ)²+β(t-τ)³+γ(t-τ)⁴ ③

其中τ为延迟时间，2R为发射信号从发射天线到被测物体再反射到接收天线所经过的距离，c为光波在空间传输的速度；

4)所述第二耦合器将接收到的本振光信号和所述回光信号耦合成差频信号，并将所述差频信号通过所述第二耦合器的输出端输入到光电探测器中；

由②式减去③式，可得差频信号的频率表达式为：

f_b＝(kτ-ατ²+βτ³-γτ⁴)+(2ατ-3βτ²+4γτ³)t+(3βτ-6γτ²)t²+4γτt³ ④

5)所述光电探测器将接收到的所述差频信号进行光电转换将光信号转为模拟电信号，并将所述模拟电信号输入到信号处理电路中进行放大、滤波、A/D转换和FPGA数据采集，将采集到的数据输入到计算机中进行处理；

6)当所述被测物体距离固定时，所述延迟时间τ也为固定；所述计算机将采集到的差频电信号数据均匀分段，记录各段中点所对应的时间，对每段进行傅里叶变换，在功率谱中最大幅度所对应的频率值即是每段的频率值，得到差频信号频率曲线，将所述差频信号频率曲线进行曲线拟合，通过计算得出调频非线性系数；

所述曲线拟合的公式为：

p(t)＝c₀+c₁t+c₂t²+c₃t³ ⑤

其中，c₀、c₁、c₂、c₃为拟合系数；

7)比较⑤与④式，令两个多项式对应的各阶系数相等建立方程组，即可得到所述光源调频特性的一阶线性系数和二、三、四阶非线性系数的计算式为：

$k=\frac{c_0}{\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_1}{2}+\frac{c_2\mathrm{\&tau;}}{6}$

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{c_1}{2\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_2}{2}+\frac{c_3\mathrm{\&tau;}}{4}$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{c_2}{3\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_3}{2}$

8)所述计算机将上述⑥式求的调频线性系数和非线性系数依据所述半导体激光器的工作中心点和调制电压线性部分的变化范围，得到调制驱动电压的线性系数和非线性系数；

所述半导体激光器输出中心频率f₀时，对应的信号发生器输出电压信号的中心电压为V₀，驱动信号在-T/4<t<T/4时间范围内的表达式为：

V(t)＝V₀+k_Vt+α_Vt²+β_Vt³+γ_Vt⁴ ⑦

其中，k_V，α_V，β_V和γ_V分别为信号发生器输出电压的一阶线性系数和二、三、四阶非线性系数；线性系数k_V的大小取决于所选用的激光器的驱动电路放大系数、跨阻、电流与激光输出频率关系；实践中预先设定好调制电压的线性变化部分的范围ΔV，则

这种情况下，调制电压非线性系数α_V，β_V和γ_V与调频非线性系数α，β和γ的关系式为：

${\mathrm{\&alpha;}}_V=\frac{k_V}{k}\mathrm{\&alpha;}$

${\mathrm{\&beta;}}_V=\frac{k_V}{k}\mathrm{\&beta;}$

9)在一个所述调制周期上升沿阶段内，取经过调制驱动电压中心点(t＝0，V＝V₀)、以k_V作为斜率的直线作为对称轴，做出所述调制驱动电压的非线性曲线关于所述对称轴对称的曲线，得到的对称曲线就是一个周期内半导体激光器调频非线性响应校正的调制驱动电压曲线；

10)在波形发生器中设置产生周期性的所述半导体激光器调频非线性响应校正的调制驱动电压曲线，生成调频非线性响应校正的调制驱动电压信号并输入所述半导体激光器中。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器光源的非线性响应校正方法，其特征在于：所述曲线拟合的非线性校正项达到3个。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器光源的非线性响应校正方法，其特征在于：所述第一耦合器为10:90的光耦合器，其中10％的所述调频激光作为所述本振光信号，90％的所述调频激光作为发射信号。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器光源的非线性响应校正方法，其特征在于：所述第二耦合器为5:95的光耦合器，其中5％为所述本振光信号，95％为所述回光信号。