[發明專利]基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置和鎖相方法

有效

• 申請號: 201711022617.3
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107919913B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 陳衛標;岳朝磊;孫建鋒;朱韌;張曉曦;劉磊
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: H04B10/50
• 分類號: H04B10/50;H04B10/516;H04B10/556;H04B10/61;H04B10/11
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置和鎖相方法，裝置包括：90度光學橋接器、平衡探測器、混頻器、可編程邏輯門陣列、數模轉換器、模數轉換器、直接數字式頻率合成器、帶通微波放大器、窄線寬可調諧激光器、光學強度調制器、光纖光柵濾波器、光纖分束器和光纖放大器。軟件利用線性掃頻和傅里葉變換實現鎖相環的初始進入，采用PID算法實現光學鎖相環的相位精確控制。該裝置不需要輔助鎖相捕獲電路，可以實現光學鎖相環的高精度相位鎖定和大范圍的頻移補償。使用DDS取代壓控振蕩器，實現電壓到相位的直接轉換，改善環路相位余量，提高控制帶寬進而提高光學鎖相環的鎖相性能。本發明可以快速實現光學鎖相和激光相干通信信號解調。

技術領域

本發明涉及自由空間相干通信和光纖相干通信，特別是一種基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置和鎖相方法。

背景技術

激光相干通信具有靈敏度高、通信帶寬大可以進行密集波分復用等優點，是光纖通信的技術熱點，正在逐步取代骨干網上激光強度調制通信。進行激光相干通信需要進行接收端本地激光器與發射端信號激光器的相位同步或者說相位鎖定。由于光學鎖相環技術難度較大，目前國內主要采用DSP(數字信號處理)對信號進行算法處理進而進行相位估計和信號解調。這種方式不需要對激光器進行相位精確控制，但是對DSP和高速DA的要求很高，功耗大，熱處理復雜，也較難用于衛星平臺的激光相干通信(需要宇航級DSP和高速DA)。

光學鎖相環技術不需要進行高速的算法處理，系統功耗低對硬件的要求也大大降低，是實現相干通信的關鍵技術。隨著光纖相干通信和衛星平臺激光相干通信需求的不斷提高，光學鎖相環技術越來越受到重視，成為國內外研究熱點。

現有技術[1](Kazovsky L G.Decision-driven phase-locked loop foroptical homodyne receivers:Performance analysis and laserlinewidthrequirements[J].1985,32(6):1238-1247.)在理論上證明了基于決策驅動的光學鎖相環的最優帶寬為：同時激光器線寬需滿足Δv_opt＝3.1×10^-4R_b。在Δv＝10kHz,kP_s＝-70dBm時最優帶寬為5.4M，這對于窄線寬的激光器來說是很難做到的?，F有技術[2](Camatel S,Ferrero V.Design,Analysis and ExperimentalTesting of BPSK Homodyne Receivers Based on Subcarrier Optical Phase-LockedLoop[J].Journal of Lightwave Technology,2008,26(5):552-559.)、現有技術[3](孫建鋒，許蒙蒙，張波，等.基于2X4 90光學橋接器的自由空間相干光通信探測裝置：，CN105634591A.2016)提出用VCO(壓控振蕩器)對激光器進行外調制的方式提高本振激光器的控制帶寬，同時保持激光器的窄線寬特性。這種方式可以把光學鎖相環的閉環帶寬提高到600khz附近。

以上兩種技術都給出了光學鎖相環的理論計算，提出了鎖相環的控制帶寬對鎖相誤差以及鎖相系統性能的影響。現有技術[1]對窄線寬激光器的線寬要求和環路控制帶寬的要求是矛盾的，在要求激光器線寬窄的條件下，采用直接調制技術很難實現激光器高的控制帶寬，一般只能到200KHz左右，遠低于鎖相環路要求的最優帶寬5MHz。現有技術[2][3]采用VCO控制激光器外調制的方式提高了鎖相環的閉環帶寬到600khz，但是依舊達不到最佳鎖相帶寬的要求，鎖相環在外界干擾較大或激光器線寬較大時依然存在不穩定的問題。影響光學鎖相環帶寬最主要的原因是現有技術只能直接調制激光的頻率，再通過激光頻率對時間積分進而實現對相位的控制。由于頻率與相位的轉換帶來了控制環路90度相位移動，留給控制環路的其他部分的相位延遲量只有45度，鎖相控制帶寬被嚴重限制。研究一種新的控制機制實現光學鎖相環對頻率和相位直接控制的方案，對于提高光學鎖相環的控制帶寬和光學鎖相環的性能有重要意義。

發明內容