一种扩大环路同步带的光锁相环的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电子技术领域中的光锁相环，具体涉及一种扩大环路同步带的光锁相环。
【背景技术】
[0002]光锁相环通过控制激光谐振腔的光程长度，实现两束或多束激光的相位锁定，在零差空间相干光通信系统、激光相干探测系统和激光相干合成系统中具有重要应用。光锁相环主要由本振激光器、光混频器和环路滤波器等元件构成，其中，高性能的稳频、可调谐光源是光锁相环中的关键器件。早期的光锁相环主要基于气体激光器，但气体激光器的寿命、体积、效率等方面的限制，使其难以满足实际应用的需求。随着半导体激光器的发展，其线宽得到不断压缩，且发展出多种调谐方式，并在实验中实现了相位锁定。半导体激光器虽然体积小、成本低，但其线宽较宽，相位噪声大，易导致锁相环路失锁，不利于系统的可靠运行。
[0003]二极管栗浦的固体激光技术具有相干性好、寿命长、可靠性高等优点，逐步取代气体和半导体激光器而成为光锁相环的首选光源。目前，Nd: YAG单块非平面环形激光器(NPRO)的线宽和噪声可完全满足光锁相环的要求，基于NPRO的光锁相环已成功应用于空间相干光通信系统中，实现了高精度激光相位锁定和高灵敏度的零差相干光通信。
[0004]Nd: YAG单块非平面环形激光器(NPRO)的频率调制可采用温度和压电两种方式。温度调频通过改变Nd: YAG晶体的温度，进而改变环形谐振腔的光程长度，实现调谐，典型的温度调频系数为3GHz/K，但调频响应带宽非常窄(主要原因是温度变化较慢)，通常在IHz以内。压电调频通过改变加在压电陶瓷上的电压来改变Nd = YAG晶体的折射率(压电陶瓷粘接在晶体的顶面上)，实现激光调谐，典型的压电调频系数为IMHz/V，压电调频响应带宽较宽，可达到100kHz。由于激光的频率变化较快，对NPRO的光锁相主要通过压电调频来实现。
[0005]L.G.Kazovsky (L.G.Kazovsky and D.A.Atlas, A 1320 nm Experimental OpticalPhase-Locked Loop, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.1, 395-397, 1989)等提出了一种基于Nd: YAG NPRO激光器的锁相环路，该锁相环路包括3dB光纤耦合器、平衡探测器、环路滤波放大器和本振Nd: YAG NPRO激光器，以上器件依次串联构成闭合环路，即光锁相环。输入锁相环的信号光与本振激光在3dB光纤親合器中进行干涉，输出拍频光信号经平衡探测器转化为电信号，该信号即为相位误差信号；相位误差信号输入环路滤波放大器后，输出频率控制信号；将该频率控制信号输入本振Nd:YAG NPRO激光器的压电(PZT)调频端口，控制本振激光频率变化，进而改变本振激光相位，即可实现信号激光与本振激光的相位锁定。由于激光频率的变化范围较大，要维持环路锁定，贝1J需扩大环路的同步带(同步带即能够维持环路锁定的最大固有频差)，扩大环路同步带通常采用的方法是提高环路增益，然而增益超过一定范围会导致环路自激振荡，无法稳定工作。
【发明内容】
[0006]本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提出了一种扩大环路同步带的光锁相环。本发明光锁相环在传统光锁相环路中加入电压转换模块和电压测量控制模块，通过该电路来测量环路滤波器输出电压Vcl,并根据Vtll调整电压测量控制模块的输出电压V在闭环状态下，由于环路的负反馈机制，UP Vd之和仅由信号光频率决定，对于给定的信号光频率，可通过提高Vd来减小V d，或者通过减小ν?来增大V d，使环路滤波器的输出电压Vd在正常工作范围内。而ν?在较大范围内变化，则V^也可在较大范围内变化，从而在保证环路稳定性的同时，扩大了环路的同步带。
[0007]本发明的解决方案是针对光锁相环路中，由于激光频率变化范围大而导致的环路稳定性和同步带之间的矛盾的问题，本发明提供的一种扩大环路同步带的光锁相环，包括固体信号激光器1-1、光纤耦合器1-2、平衡探测器1-3、环路滤波器1-4、电压转换模块1-6、电压测量控制模块1-5、压电驱动器1-7和固体本振激光器1-8 ;所述固体信号激光器1-1和固体本振激光器1-8的光信号输入光纤親合器1-2，输出两路相位差为180°的拍频光信号，经过平衡探测器1-3获得相位误差信号；所述相位误差信号输入环路滤波器1-4，得到第一频率控制信号I1，所述第一频率控制信号I1分别输入压电驱动器1-7的一个输入端口和电压转换模块，输入电压转换模块的I1线性变换后，输入电压测量控制模块1-5，得到第二频率控制信号I2，所述第二频率控制信号VJi入压电驱动器1-7的另一个输入端口 ；所述第一频率控制信号I1和第二频率控制信号V。2在压电驱动器1-7中分别被放大并求和，然后输出到固体本振激光器1-8的压电控制端。
[0008]进一步地，所述固体信号激光器为NPRO信号激光器，所述固体本振激光器为NPRO本振激光器。
[0009]进一步地，本发明首先测量相位锁定状态下的环路滤波器1-4输出电压I1，根据I1的大小来改变电压测量控制模块1-5的输出电压V。2，当1接近其上限时，通过提高V c2来减小I1的值；当V ^接近其下限时，通过减小V。2来提高V d的值，从而达到扩大环路的同步带的目的。
[0010]本发明的有益效果为:本发明通过在锁相环路中设置电压转换模块和电压测量控制模块，克服了传统光锁相环中环路稳定性和同步带之间的矛盾，在保持环路稳定的同时，有效扩大了环路的同步带；由于压电调频具有响应带宽较宽的优点，本发明光锁相环路可有效应对激光频率漂移速率较大的情况；且电路中所采用的器件均为常规、商用元件，具有成本低、容易实现等优点。
【附图说明】
[0011]图1为本发明提供的扩大环路同步带的光锁相环的结构框图；
[0012]图2为本发明光锁相环中电压转换模块的原理图；
[0013]图3为本发明光锁相环中电压测量控制模块的结构框图；
[0014]图4为本发明光锁相环中电压测量控制模块的测量控制流程图；
[0015]图5为本发明光锁相环中压电驱动器的原理图。
[0016]图中:1-1.NPRO信号激光器；1-2.光纤耦合器；1_3.平衡探测器；1_4.环路滤波器；1-5.电压测量控制模块；1-6.电压转换模块；1-7.压电驱动器；1-8.NPRO本振激光器；2-l.运放芯片；3-l.A/D转换芯片；3-2.控制芯片；3_3.有源晶振；3_4.D/A转换芯片；3-5.RC低通滤波电路；3-6.地址锁存控制ALE连线；3_7.控制AD转换启动ST连线；3_8.允许数据输入OE连线；3-9.8位数据传输线；X为单片机测量的电压值，M为电压上限，L为电压下限；5-1.高压运算放大器。
【具体实施方式】
[0017]本实施方式中:信号激光器1-1/本振激光器1-8:型号Mephisto S，线宽1kHz，工作波长1064nm ；
[0018]光纤耦合器1-2:型号PMFC-06-2-50-F-2222-LLLL-P-0.8，光越科技(深圳)有限公司；
[0019]平衡探测器1-3和环路滤波器1-4:结构及参数与【背景技术】中(L.G.Kazovskyand D.A.Atlas, A 1320 nm Experimental Optical Phase-Locked Loop, IEEE PhotonicsTechnology Letters, Vol.1, 395-397，1989) 一致；
[0020]运放芯片2-1:型号0P07，超低失调电压双路运算放大器，美国Analog Devices公司生产；
[0021]Α/D转换芯片3-1:型号ADC0809，8位逐次逼近Α/D数模转换器，美国国家半导体公司生产；
[0022]控制芯片3-2:型号STC89C52:8位低功耗高性能CMOS微控制器，MCS-51内核，STC公司生产；
[0023]有源晶振3-3:500kHz有源晶振，为AD芯片提供500kHz方波时钟信号，深圳恒创伟电子公司生产；
[0024]D/Α转换芯片3-4:型号AD7247，双通道12位完整DAC，美国Analog Devices公司生产；
[0025]RC 低通滤波电路 3-5:R = 10.6Ω , C = 15 μ F，带宽 IkHz ；
[0026]高压运算放大器5-1:型号ΡΒ89，输出电压范围±550V，Cirrus Logic公司生产。
[0027]实施例
[0028]一种扩大环路同步带的光锁相环，如图1所示，采用NPRO信号激光器1-1、光纤耦合器1-2、平衡探测器1-3、环路滤波器1-4、电压转换模块1-6、电压测量控制模块1-5、压电驱动器