光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)研究.pdf

1、光學(xué)鎖相環(huán)（OPLL）技術(shù)是一種利用電反饋控制的方法對光學(xué)信號頻率及相位進(jìn)行鎖定的技術(shù)，其目的是實(shí)現(xiàn)兩個或多個不同的光載波之間相位的同步。光學(xué)鎖相環(huán)由于其體積小、功耗低、能夠主動抑制激光器的相位噪聲等特點(diǎn)，在相干光通信、相干光測量、微波光子學(xué)和相干功率合成等領(lǐng)域作為關(guān)鍵器件受到了研究人員的高度關(guān)注。
　　本文介紹了光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)的應(yīng)用背景、分類和原理等，并且結(jié)合兩個不同應(yīng)用背景對光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行了深入研究。在光頻域反射儀（OFD

2、R）中，著重研究了利用外差式光學(xué)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的寬范圍掃頻窄線寬激光器。在空間激光通信應(yīng)用中，著重研究了科斯塔斯光學(xué)鎖相環(huán)在高靈敏度零差接收機(jī)中的應(yīng)用。本文內(nèi)容包括對OPLL系統(tǒng)進(jìn)行理論建模、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等。
　　文章首先從各個子系統(tǒng)對光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行了理論分析，重點(diǎn)包括：光鑒相器（OPD），環(huán)路濾波器和光壓控振蕩器（OVCO）幾個模塊。在光鑒相器部分，從零差和外差對光鑒相器進(jìn)行了分類，比較了不同光鑒相器

3、的特點(diǎn)和應(yīng)用場合。在環(huán)路濾波器部分，利用經(jīng)典鎖相環(huán)理論對光學(xué)鎖相環(huán)環(huán)路進(jìn)行建模，從環(huán)路帶寬、穩(wěn)態(tài)誤差、噪聲性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面對環(huán)路參數(shù)進(jìn)行理論分析和仿真。在光壓控振蕩器部分，對激光器的不同頻率調(diào)制方式、調(diào)頻響應(yīng)和激光器相位噪聲進(jìn)行比較和分析。最后，本文還對光學(xué)鎖相環(huán)中的其他重要問題如延遲受限環(huán)路，復(fù)合環(huán)路技術(shù)以及光相位噪聲測量方法進(jìn)行了研究。
　　在理論分析的基礎(chǔ)上，本文針對光頻域反射儀的應(yīng)用，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套基于外差光學(xué)鎖相

4、環(huán)實(shí)現(xiàn)的寬范圍掃頻窄線寬激光器。主要工作包括：關(guān)鍵器件的選型、鎖相電路設(shè)計(jì)和環(huán)路參數(shù)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該發(fā)射模塊的光頻域反射儀系統(tǒng)，能在500 m的測量范圍內(nèi)獲得毫米量級的距離分辨率。
　　本文的另一部分實(shí)驗(yàn)工作著重于實(shí)現(xiàn)基于科斯塔斯光學(xué)鎖相環(huán)的零差接收機(jī)。該非線性鎖相環(huán)路主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)高靈敏度星間激光通信接收機(jī)。本文完成了5 Gbps二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)接收機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了本振激光器與信號激光的相位跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果