一种基于延迟差分前馈的激光器稳频装置及其方法

本公开涉及相干通信及激光雷达领域，具体涉及到一种基于延迟差分前馈的激光器稳频装置及其方法。

背景技术：

如今，不断增长的互联网流量导致对100gbit/s及更高比特率的高速光纤传输系统的需求激增。高阶调制和数字相干检测被认为是提高下一代光纤网络容量和频谱效率的有前途的技术。因此，当应用更密集的星座时，对高频率稳定性的光源的要求将变得更加严格。此外，光纤传感，相控阵天线系统和相干激光雷达系统等其他应用也需要高频率稳定性的光源。

而由于激光器内部的噪声如自发辐射噪声、激励电源噪声等和外界的影响，如温度、振动以及大气变化等诸多因素，都会引起激光器内部腔长的变化，从而造成激光器频率的不稳定。传统的频率稳定方法有饱和吸收稳频、波长调制稳频、调制光谱稳频、调制转移光谱稳频、双色激光器稳频和频率电压转换稳频等，但这些方法存在或者额外引入噪声，或者链路复杂价格昂贵的问题，并且都是利用的反馈技术，没有办法实现实时校正，同时只能实现单频激光器的稳频，不能用来做线性调频光的稳频和线性度的改善，同时不易于实现小型化和集成。

技术实现要素：

为克服现有激光器稳频装置中存在的上述不足，本公开提供了一种基于延迟差分前馈的激光器稳频装置及其方法。

本公开的第一个方面提供了一种基于延迟差分前馈的激光器稳频装置，包括：光信号产生单元，包括：第一光耦合器，用于将光载波分为两束光束；延迟差分单元，用于将第一光束进行延迟及移频处理，并通过光电转换输出中频信号；锁相控制单元，用于将中频信号进行鉴相、滤波及增益处理，得到误差控制信号；其中，该光信号产生单元还包括：可调光延迟线，用于将第二光束进行延迟处理，以使该第二光束的延迟与该第一光束转换成误差控制信号所经历的路径延迟匹配，得到延迟后的光波信号；压控微波源，用于在该误差控制信号的激励下产生驱动信号；第一光调制器，用于在驱动信号的调制下，将延迟后的光波信号进行移频处理，得到目标光信号。

进一步地，第一光调制器为声光调制器或双偏振正交相移键控调制器。

进一步地，第一光调制器包括：马赫增德尔调制器和光滤波器。

进一步地，第一光耦合器为光纤耦合器或空间光耦合器。

进一步地，压控微波源为压控直接数字信号频率合成器或压控振荡器。

进一步地，该误差控制信号为直流控制信号。

本公开的第二个方面提供了一种基于延迟差分前馈的激光器稳频方法，包括：s1，将光载波分成第一光束及第二光束；s2，将第一光束进行延迟及移频处理，并通过光电转换输出中频信号；s3，将中频信号进行鉴相、滤波及增益处理，得到误差控制信号；s4，将第二光束进行延迟处理，以使第二光束的延迟与该第一光束转换成误差控制信号所经历的路径延迟匹配，得到延迟后的光波信号；s5，采用压控微波源在该误差控制信号的激励下产生驱动信号；s6，在驱动信号的调制下，将延迟后的光波信号进行移频处理，得到目标光信号。

进一步地，s6包括：s61，采用马赫增德尔调制器在驱动信号的调制下，将延迟后的光波信号进行移频处理；s62，利用光滤波器对移频处理后的光波信号进行滤波处理，得到目标光信号。

进一步地，s2包括：s21，将第一光束进行分束处理，得到第三光束及第四光束；s22，对第三光束进行移频处理，得到移频后的第三光束；将第四光束进行延迟处理，得到延迟后的第四光束；s23，将移频后的第三光束及延迟后的第四光束进行合束，得到光信号；s24，对光信号进行光电转换及功率放大，得到中频信号。

进一步地，s3包括：s31，根据中频信号及参考信号得到相位误差信号；s32，对相位误差信号进行高频滤波处理，得到滤波后的相位误差信号；s33，将滤波后的相位误差信号进行增益处理，得到误差控制信号。

本公开与现有技术相比至少具备以下有益效果：

(1)通过匹配延迟的前馈方法可以实时对激光器的瞬时频率漂移进行补偿，相对于传统延迟反馈锁频的方法效果更佳。

(2)实现了单频激光器和线性调频激光器瞬时频率的稳定，从而压窄激光器线宽，对于调频激光器还可以保证线性度和相干性。

(3)该装置链路结构简单、易于操作，降低了硬件复杂程度，同时易于小型化和集成。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于延迟差分前馈的激光器稳频装置的结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开一实施例的基于延迟差分前馈的激光器稳频的方法流程图；

图3示意性示出了根据本公开一实施例的将延迟后的光波信号进行移频处理得到目标光信号的流程图；

图4示意性示出了根据本公开一实施例的获得中频信号的流程图；

图5示意性示出了根据本公开一实施例的获得误差控制信号的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于延迟差分前馈的激光器稳频装置的结构示意图。

如图1所示，该基于延迟差分前馈的激光器稳频装置包括：

光信号产生单元10，包括：激光器101，用于产生光载波；第一光耦合器102，其输入端与激光器101的输出端相连，用于将光载波分为两束光束；延迟差分单元20，用于将第一光束进行延迟及移频处理，并通过光电转换输出中频信号；锁相控制单元30，用于将中频信号进行鉴相、滤波及增益处理，得到误差控制信号，该误差控制信号为直流控制信号；其中，该光信号产生单元10还包括：可调光延迟线103，其输入端与第一光耦合器102的第一输出端相连，用于将第二光束进行延迟处理，以使第二光束的延迟与第一光束转换到锁相控制单元30输出的误差控制信号所经历的路径延迟匹配，得到延迟后的光波信号；压控微波源104，其输入端与锁相控制单元30的输出端相连，用于在误差控制信号的激励下产生驱动信号d1；第一光调制器105，其输入端与可调光延迟线103的输入端相连，用于在驱动信号d1的调制下，将延迟后的光波信号进行移频处理，实现利用第一光束的频率相位信息来实时补偿第二光束的相位波动，得到目标光信号。

本公开的实施例中，该激光器101可以为单频激光器或线性扫频激光器。其输出激光波长可通过温度或者压电陶瓷进行慢速调谐，其输出激光波长范围为1534nm～1564nm，激光线宽小于等于400khz，边模抑制比大于46db，相对强度噪声小于-130dbc/hz@10mhz，当需要速扫频时，其扫频带宽大于10ghz。

具体地，如图1所示，延迟差分单元20包括：第二光耦合器201，用于将第二光束分为两束光束，得到第三光束及第四光束；第一信号源202，用于产生驱动信号d2；第二光调制器203，其输入端与第二光耦合器201的第一输出端相连，用于对第三光束进行移频处理，得到移频后的第三光束；光延迟器204，其输入端与第二光耦合器201的第二输出端相连，用于将第四光束进行延迟处理，得到延迟后的第四光束；第三光耦合器205，其第一输入端及第二输入端分别与第二光调制器203及光延迟器204的输出端相连，用于将移频后的第三光束及延迟后的第四光束进行合束，得到光信号；光探测器206，其输入端与第三光耦合器205的输出端相连，用于对该光信号进行光电转换，得到电光转换后的光信号；电放大器207，其输入端与光探测器206的输出端相连，用于对电光转换后的光信号进行功率放大，得到中频信号。

具体地，如图1所示，锁相控制单元30包括：第二信号源301，用于产生参考信号r；数字鉴相器302，其第一输入端与第二信号源301的输出端相连，第二输入端与电放大器207的输出端相连，用于根据中频信号及参考信号r得到相位误差信号；低通滤波器303，其输入端与数字鉴相器302的输出端相连，用于对相位误差信号进行高频滤波处理，得到滤波后的相位误差信号；增益控制器304，其输入端与低通滤波器303的输出端相连，用于将滤波后的相位误差信号进行增益处理，得到误差控制信号。其中，该低通滤波器303的输出端与压控微波源104的输入端相连。

本公开的实施例中，光延迟器204可由光纤构成的光纤延迟器。由于光纤的损耗很低，易于实现长的延迟差，其可提升本装置中鉴相灵敏度，提升锁相性能。另外，不同的光纤长度可实现不同的信号延迟，光纤长度设计可根据具体实际应用进行设定。

本公开的实施例中，第一光调制器及第二光调制器为声光调制器或双偏振正交相移键控调制器。其中，用声光调制器(acousto-opticmodulator，aom)作为第一光调制器105及第二光调制器203，由于aom具有很高的消光比，可以大幅度抑制光载波频率的信号，从而降低产生信号的杂散功率，提升带内杂散抑制比。用双偏振正交相移键控光电调制器作为第一光调制器105及第二光调制器203，其通过调整偏置点使之工作于载波抑制的单边带调制模式下，但是该装置存在载波和边带的抑制不完全的情况，对应产生的信号的带内杂散抑制比会恶化严重，并且操作复杂。

在其他一些实施例中，第一光调制器105及第二光调制器203还可以由马赫增德尔调制器配合光滤波器等效构成，其中，通过调整最小偏置点实现载波抑制双边带调制，然后通过光滤波器将其中一个光载波滤除，实现载波抑制的单边带调制。

本公开的实施例中，第一光耦合器101、第二光耦合器201及第三光耦合器205可以为光纤耦合器或空间光耦合器，分光比为1：1，插入损耗低于1db。

本公开的实施例中，压控微波源104为压控直接数字信号频率合成器或压控振荡器。采用压控直接数字信号频率合成器作为压控微波源104，其具备信号频率稳定，相位噪声低，易于实现高频率稳定低相噪光载波。采用压控振荡器作为压控微波源104实现激光器频率误差信号的前馈控制，但压控振荡器的频率稳定性较差，且相位噪声高，会影响目标光载波的性能，其优势低于压控直接数字信号频率合成器。

本公开的实施例中，第一信号源202及第二信号源301需保持同步，以使两个信号源产生的信号具有明确的相位关系，保证正常工作后，激光器的光载波与信号源的相位相参，实现光载波频率的稳定和相位的锁定。当激光器101为单频激光器时，第一信号源202及第二信号源301的信号频率保持一致但保证中频信号与参考信号r相位正交；当激光器101为线性扫频激光器时，第一信号源202及第二信号源301的信号频率不同，需要调整参考信号r的参数以使中频信号与参考信号r频率相同且相位正交，其中，需要改变的r的频率大小为激光器的调频率k与第三光束、第四光束的延迟差τ的乘积。

本公开的实施例中，由于幅值对最终的输出结果影响很小，以下理论推导过程中忽略振幅，在光信号产生单元10中，以线性调频激光器101为例，线性调频激光器101输出点的光载波经过第一光耦合器102分为第一光束oc11和第二光束oc12，其满足以下关系式：

其中，f1和分别表示线性调频激光器101输出信号的频率和相位，k表示线性调频激光器101输出信号的调频率，j为虚数，t为时间。

第一光束oc11经过第二光耦合器201进行分束得到第三光束及第四光束，第三光束及第四光束经过光链路后从第三光耦合器205输出的光信号oc3满足以下关系：

oc3(t)＝oc11(t-τ)+oc11(t)×exp(j2πfrf1t)(2)

其中，frf1代表第二光调制器203驱动信号的频率，τ表示光延迟器的延迟时间，可得到由光探测器206输出的电光转换后的光信号满足以下关系：

其中，d.c.代表光电转换后输出的直流成分，其可以被带限的电放大器207滤除，电光转换后的光信号经过电放大器后得到中频信号，在锁相控制单元30中，将第二信号源301产生的参考信号r的频率设置为f1+kτ，与中频信号的频率相同；其中，当k＝0时，即为单频激光器101的锁相设置，则数字鉴相器302输出的相位误差信号p可表示为：

其中，表示相位误差信号p的常数相位，通过设置参考信号r的初始相位使其中，m＝0，±1，±2，±3，…。

当延迟τ很小时，公式4可以近似为：

因此，第二光束oc12经过匹配延迟后进入第一光调制器105被驱动信号d1调制，得到调制后的目标光信号ocm2满足以下关系：

其中，frf2为压控直接数字信号频率合成器104的初始频率，g为增益控制器304提供的环路增益，kv为压控直接数字信号频率合成器104的压摆率，可以看到，满足2πkvgτ＝1时，激光器101的相位误差就将被消除，从而达到使激光器101瞬时频率稳定的目的。

本公开提供的一种基于延迟差分前馈的激光器稳频装置，将激光器瞬时的频率抖动实时通过前馈方法进行补偿，从而得到频率稳定的目标光载波信号。

图2示意性示出了根据本公开一实施例的基于延迟差分前馈的激光器稳频的方法流程图。

如图2所示，该基于延迟差分前馈的激光器稳频的方法包括：

s1，将光载波分成第一光束及第二光束。

s2，将第一光束进行延迟及移频处理，并通过光电转换输出中频信号。

s3，将中频信号进行鉴相、滤波及增益处理，得到误差控制信号。

s4，将第二光束进行延迟处理，以使第二光束的延迟与第一光束转换成该误差控制信号所经历的路径延迟匹配，得到延迟后的光波信号。

s5，采用压控微波源在该误差控制信号的激励下产生驱动信号。

s6，在驱动信号的调制下，将延迟后的光波信号进行移频处理，得到目标光信号。

本公开的实施例中，如图3所示，s6具体包括：

s61，采用马赫增德尔调制器在驱动信号的调制下，将延迟后的光波信号进行移频处理。

s62，利用光滤波器对移频处理后的光波信号进行滤波处理，得到目标光信号。

本公开的实施例中，如图4所示，s2具体包括：

s21，将第一光束进行分束处理，得到第三光束及第四光束。

s22，对第三光束进行移频处理，得到移频后的第三光束；将第四光束进行延迟处理，得到延迟后的第四光束。

s23，将移频后的第三光束及延迟后的第四光束进行合束，得到光信号。

s24，对光信号进行光电转换及功率放大，得到中频信号。

本公开的实施例中，如图5所示，s3具体包括：

s31，根据中频信号及参考信号得到相位误差信号。

s32，对相位误差信号进行高频滤波处理，得到滤波后的相位误差信号。

s33，将滤波后的相位误差信号进行增益处理，得到误差控制信号。

本公开的实施例中，每一方法步骤一一对应于上述实施例装置中的各模块，此处对各模块具体参数及连接关系等不再详细表述。

需说明的是，上述实施例中提供的装置结构并不构成对本装置的限定，该装置中的模块结构、连接关系等可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂或更为简易。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。