[发明专利]基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法

说明书

一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法，装置包括：90度光学桥接器、平衡探测器、混频器、可编程逻辑门阵列、数模转换器、模数转换器、直接数字式频率合成器、带通微波放大器、窄线宽可调谐激光器、光学强度调制器、光纤光栅滤波器、光纤分束器和光纤放大器。软件利用线性扫频和傅里叶变换实现锁相环的初始进入，采用PID算法实现光学锁相环的相位精确控制。该装置不需要辅助锁相捕获电路，可以实现光学锁相环的高精度相位锁定和大范围的频移补偿。使用DDS取代压控振荡器，实现电压到相位的直接转换，改善环路相位余量，提高控制带宽进而提高光学锁相环的锁相性能。本发明可以快速实现光学锁相和激光相干通信信号解调。

技术领域

本发明涉及自由空间相干通信和光纤相干通信，特别是一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法。

背景技术

激光相干通信具有灵敏度高、通信带宽大可以进行密集波分复用等优点，是光纤通信的技术热点，正在逐步取代骨干网上激光强度调制通信。进行激光相干通信需要进行接收端本地激光器与发射端信号激光器的相位同步或者说相位锁定。由于光学锁相环技术难度较大，目前国内主要采用DSP(数字信号处理)对信号进行算法处理进而进行相位估计和信号解调。这种方式不需要对激光器进行相位精确控制，但是对DSP和高速DA的要求很高，功耗大，热处理复杂，也较难用于卫星平台的激光相干通信(需要宇航级DSP和高速DA)。

光学锁相环技术不需要进行高速的算法处理，系统功耗低对硬件的要求也大大降低，是实现相干通信的关键技术。随着光纤相干通信和卫星平台激光相干通信需求的不断提高，光学锁相环技术越来越受到重视，成为国内外研究热点。

现有技术[1](Kazovsky L G.Decision-driven phase-locked loop foroptical homodyne receivers:Performance analysis and laserlinewidthrequirements[J].1985,32(6):1238-1247.)在理论上证明了基于决策驱动的光学锁相环的最优带宽为：同时激光器线宽需满足Δv_opt＝3.1×10^-4R_b。在Δv＝10kHz,kP_s＝-70dBm时最优带宽为5.4M，这对于窄线宽的激光器来说是很难做到的。现有技术[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.)、现有技术[3](孙建锋，许蒙蒙，张波，等.基于2X4 90光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置：，CN105634591A.2016)提出用VCO(压控振荡器)对激光器进行外调制的方式提高本振激光器的控制带宽，同时保持激光器的窄线宽特性。这种方式可以把光学锁相环的闭环带宽提高到600khz附近。

以上两种技术都给出了光学锁相环的理论计算，提出了锁相环的控制带宽对锁相误差以及锁相系统性能的影响。现有技术[1]对窄线宽激光器的线宽要求和环路控制带宽的要求是矛盾的，在要求激光器线宽窄的条件下，采用直接调制技术很难实现激光器高的控制带宽，一般只能到200KHz左右，远低于锁相环路要求的最优带宽5MHz。现有技术[2][3]采用VCO控制激光器外调制的方式提高了锁相环的闭环带宽到600khz，但是依旧达不到最佳锁相带宽的要求，锁相环在外界干扰较大或激光器线宽较大时依然存在不稳定的问题。影响光学锁相环带宽最主要的原因是现有技术只能直接调制激光的频率，再通过激光频率对时间积分进而实现对相位的控制。由于频率与相位的转换带来了控制环路90度相位移动，留给控制环路的其他部分的相位延迟量只有45度，锁相控制带宽被严重限制。研究一种新的控制机制实现光学锁相环对频率和相位直接控制的方案，对于提高光学锁相环的控制带宽和光学锁相环的性能有重要意义。

发明内容