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基于光学锁相环的编码合成孔径激光雷达系统设计与实验验证

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光学学报 2022年第6期42卷 128-135页

作者：方付平胡恒鄢朋朋李兆洋吕银环徐卫明舒嵘中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室上海200080 中国科学院上海技术物理研究所上海200080 中国科学院大学北京100049

合成孔径激光雷达具有成像分辨率与探测距离无关的特点。与微波相比,激光波长至少小3个数量级,因此能实现更高分辨率的成像,但是波长更短时成像更容易受系统自身引入的相位误差的影响,从而导致成像模糊。为了消除该误差对成像的影响,提... 详细信息

合成孔径激光雷达具有成像分辨率与探测距离无关的特点。与微波相比,激光波长至少小3个数量级,因此能实现更高分辨率的成像,但是波长更短时成像更容易受系统自身引入的相位误差的影响,从而导致成像模糊。为了消除该误差对成像的影响,提出采用光学锁相环(OPLL)技术抑制编码合成孔径激光雷达的系统随机相位噪声。在发射端,激光信号经编码信号驱动的电光调制器调制后用于探测目标;在接收端,对接收到的回波信号与本振光进行正交解调。所提出的基于OPLL的编码合成孔径激光雷达工作在1550 nm波段,调制带宽为1.25 GHz,脉冲重复频率最高可达1.2 MHz/s。实验结果表明,在没有OPLL时,系统随机相位波动大于100 rad,采用OPLL后,系统内部相位稳定度优于0.1 rad,大幅度提高了系统自身的相位稳定度和方位向合成成像精度。

关键词：相干光学合成孔径雷达光学锁相环误差传递函数相位稳定度

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激光线宽对光学锁相环锁相效果的影响

光学学报 2018年第12期38卷 191-196页

作者：梁井波张蓉竹孙年春四川大学电子信息学院四川成都610065

为了获得利于相干合成的具有高相干性的单元光束,可利用光学锁相环(OPLL)来实现本振激光的相位锁定。推导了锁相后激光复振幅的互相关函数表达式,并以此评价锁相后光束间的相干性。具体计算了参考光线宽、时间常数和本振激光线宽差对互... 详细信息

为了获得利于相干合成的具有高相干性的单元光束,可利用光学锁相环(OPLL)来实现本振激光的相位锁定。推导了锁相后激光复振幅的互相关函数表达式,并以此评价锁相后光束间的相干性。具体计算了参考光线宽、时间常数和本振激光线宽差对互相关函数值的影响。定义与本振激光线宽差相关的评价参数M,以此表征当其他参数一定时本振激光线宽差对锁相后激光相干性的影响。进一步针对本振激光线宽不一致对锁相效果的影响进行详细分析,得到相关参数合理值范围的计算公式。结果表明对于不同的本振激光线宽差范围需要设计不同的OPLL系统时间常数来实现有效锁相。

关键词：激光器激光锁相光学锁相环互相关函数相干合成

单段式分布式反馈半导体激光器光学锁相环研究

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中国激光 2018年第4期45卷 23-28页

作者：王建陈迪俊蔡海文冯俊波郭进中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽合肥230088 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心上海201800

单段式分布式反馈(DFB)半导体激光器的频率调制相位响应曲线在0.1~5 MHz之间,且具有180°的相位反转,其作为从激光器的光学锁相环(OPLL)结构难以实现锁相。为解决单段式DFB半导体激光器的锁相问题,在单环反馈回路中加入可调超前移相功... 详细信息

单段式分布式反馈(DFB)半导体激光器的频率调制相位响应曲线在0.1~5 MHz之间,且具有180°的相位反转,其作为从激光器的光学锁相环(OPLL)结构难以实现锁相。为解决单段式DFB半导体激光器的锁相问题,在单环反馈回路中加入可调超前移相功能电路和可调增益功能单元,并优化相移参数,实现MHz量级线宽DFB激光器相位的锁定。改进后OPLL在锁相状态下的残余相位噪声为0.012rad2,激光器线宽从2 MHz压窄到10kHz。研究了反馈环路的环路增益对OPLL锁相性能的影响,并给出了最优的环路增益控制参数。

关键词：激光器半导体激光器单段式分布式反馈光学锁相环频率噪声功率谱密度

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多级复合环路光学锁相环技术研究

光学学报 2018年第5期38卷 66-72页

作者：赵馨董岩刘洋宋延嵩常帅长春理工大学电子信息工程学院吉林长春130022 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室吉林长春130022

星间相干通信系统其多普勒频移达到了吉赫兹量级,同时受到调谐激光器线宽、相位噪声的影响,对光学锁相环路系统提出了高要求。依据科斯塔斯锁相环技术原理,将温度调谐、压电陶瓷(PZT)调谐、声光移频器(AOFS)调谐复合到一起,通过内环与... 详细信息

星间相干通信系统其多普勒频移达到了吉赫兹量级,同时受到调谐激光器线宽、相位噪声的影响,对光学锁相环路系统提出了高要求。依据科斯塔斯锁相环技术原理,将温度调谐、压电陶瓷(PZT)调谐、声光移频器(AOFS)调谐复合到一起,通过内环与外环方式对本振激光器进行调控,实现光学锁相功能。搭建实验测试系统对环路性能进行测试,结果表明:此系统可达到锁相范围为4GHz,锁相带宽为1.7 MHz,实现了信号光与本振光之间的多普勒频移跟踪、激光器线宽补偿及相位快速锁定,最终相位残余误差5.1°。

关键词：光通信多普勒频移光学锁相环调谐激光器复合环路

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拉曼激光光学锁相环参数设计及仿真

红外与激光工程 2018年第4期47卷 166-172页

作者：李丁马慧娟茹宁王宇北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术国防科技重点实验室北京100095

光学锁相环(Optical Phase-locked Loop,OPLL)技术是实现激光相位相干的有效方法。鉴于环路滤波器参数直接影响光学锁相环系统的整体性能,提出了一种二阶无源环路滤波器参数的优化方法。首先,根据相角裕度定义及系统开环传递函数的数学... 详细信息

光学锁相环(Optical Phase-locked Loop,OPLL)技术是实现激光相位相干的有效方法。鉴于环路滤波器参数直接影响光学锁相环系统的整体性能,提出了一种二阶无源环路滤波器参数的优化方法。首先,根据相角裕度定义及系统开环传递函数的数学模型,推导出环路滤波器参数设计的公式,并设计了一种基于MATLAB的参数优化算法。然后,为精确地设计拉曼激光光学锁相环参数,设计了消多普勒饱和吸收谱实验,并对激光器的压电陶瓷端口反馈增益参数进行测量。在锁相环闭环控制系统性能仿真中,得到了单位阶跃响应的超调量为6.53%,调节时间为0.584μs。最后,对拉曼激光光学锁相环各个模块进行Simulink建模并仿真,仿真结果表明锁相环能够实现对拉曼光相位锁定且锁定时间为2μs,因此,验证了锁相环参数设计方法的正确性。在工程应用中,为光学锁相环的参数设计提供了重要参考价值。

关键词：光学锁相环环路滤波器参数设计仿真拉曼激光

基于声光调制器的光学锁相环He-Ne激光稳频方法研究

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红外与激光工程 2024年第3期53卷 93-101页

作者：刘宇森王建波殷聪韩绍坤毕文文俞秋叶邹金澎北京理工大学光电学院北京100081 中国计量科学研究院北京100029 中国计量大学测试工程学院浙江杭州310018

报道了一种基于声光调制器与光学锁相环相结合的高稳定度激光稳频方法,用于提高热稳频He-Ne激光器的频率稳定度和准确度。为了克服全内腔热稳频He-Ne激光精密调谐困难的缺点,发展了基于声光调制器两次移频的频率调谐光路,有效地消除声... 详细信息

报道了一种基于声光调制器与光学锁相环相结合的高稳定度激光稳频方法,用于提高热稳频He-Ne激光器的频率稳定度和准确度。为了克服全内腔热稳频He-Ne激光精密调谐困难的缺点,发展了基于声光调制器两次移频的频率调谐光路,有效地消除声光调制器移频光束路径对衍射角θ的依赖。自行研制了具有高灵敏度与捕获带宽的光学锁相环系统,利用声光调制器的高频率响应特性实现热稳频He-Ne激光高速、准确的锁定。成功实现了热稳频He-Ne激光器偏频锁定至碘稳频HeNe激光器。实验结果表明,环路锁定后拍频频率波动在±0.2 Hz范围内,频率抖动的标准差为0.04。偏置频率为30 MHz时,系统在1 s和1000 s积分时间的相对阿伦方差分别为3.3×10^(-9)和1.4×10^(-12)。系统锁定后,压缩后的拍频线宽小于2 kHz。该研究表明,采用基于声光调制器与光学锁相环相结合的激光稳频方法可以实现亚赫兹级的激光频差控制,通过将热稳频He-Ne激光器偏频锁定至高稳定度的参考激光源可以显著提升其频率稳定度和准确度。

关键词：激光稳频声光调制器光学锁相环偏频锁定

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基于光学锁相环的三波长大范围快速移频研究

激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 397-402页

作者：赵延会杨敏于广礼丁建永陈卫标胡芳仁南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院江苏南京210046 南京先进激光技术研究院先进全固态激光技术研发中心江苏南京210038 中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800

三频比率技术是钠多普勒激光雷达探测大气中层顶区温度和风场的重要技术,实现三频比率技术要求发射的三束589 nm波长激光(f_(+),f_(0),f_(-))频率稳定、频率切换速度快以及两个频率(f_(+),f_(-))相对中心频率(f_(0))偏频锁定630 MHz。... 详细信息

三频比率技术是钠多普勒激光雷达探测大气中层顶区温度和风场的重要技术,实现三频比率技术要求发射的三束589 nm波长激光(f_(+),f_(0),f_(-))频率稳定、频率切换速度快以及两个频率(f_(+),f_(-))相对中心频率(f_(0))偏频锁定630 MHz。为满足上述技术需求,提出一种基于光学锁相环(OPLL)实现三频比率技术的方案。利用OPLL实现偏频锁定,偏频锁定范围为±(200~2500) MHz,最小步进为200 kHz,拍频信号抖动在±50 Hz以内。通过设置移频值和改变误差信号的极性,使从激光器波长不断变化,实现三波长输出。优化PID(proportional,integral,derivative)电路,提高了拍频信号的稳定性,减小了频率切换时间,切频时间小于10 ms。实验结果表明,该OPLL系统可以实现三个频率快速切换锁定,满足三频比率技术需求。

关键词：偏频锁定光学锁相环快速切频三频比率技术

光学锁相环的实现及其在铯原子四波混频过程中的应用

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量子光学学报 2018年第3期24卷 343-348页

作者：马荣刘伟秦忠忠李凤琴山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006

我们利用自制的光学锁相环实现了一台外腔半导体激光器和一台钛宝石激光器的相对频率和相对相位锁定,锁定后两束光的拍频线宽约为1 Hz。同时,该光学锁相环能实现两台激光器从10 MHz至10GHz任意频率差的锁定,通过简单升级射频元件可以实... 详细信息

我们利用自制的光学锁相环实现了一台外腔半导体激光器和一台钛宝石激光器的相对频率和相对相位锁定,锁定后两束光的拍频线宽约为1 Hz。同时,该光学锁相环能实现两台激光器从10 MHz至10GHz任意频率差的锁定,通过简单升级射频元件可以实现最高20 GHz频率差的锁定,可应用于激光冷却与俘获原子、光与原子相互作用等研究领域。我们实验证明将该锁相环应用于铯原子蒸汽中的四波混频过程,产生的孪生光束最大强度差压缩由3.8dB提高至6.0dB。

关键词：光学锁相环拍频线宽强度差压缩

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光学锁相环技术研究

光学锁相环技术研究

作者：石宏霄上海交通大学

学位级别：硕士

光学锁相环(OPLL)技术是一种利用电反馈控制的方法对光学信号频率及相位进行锁定的技术,其目的是实现两个或多个不同的光载波之间相位的同步。光学锁相环由于其体积小、功耗低、能够主动抑制激光器的相位噪声等特点,在相干光通信、相干... 详细信息

光学锁相环(OPLL)技术是一种利用电反馈控制的方法对光学信号频率及相位进行锁定的技术,其目的是实现两个或多个不同的光载波之间相位的同步。光学锁相环由于其体积小、功耗低、能够主动抑制激光器的相位噪声等特点,在相干光通信、相干光测量、微波光子学和相干功率合成等领域作为关键器件受到了研究人员的高度关注。本文介绍了光学锁相环技术的应用背景、分类和原理等,并且结合两个不同应用背景对光学锁相环技术进行了深入研究。在光频域反射仪(OFDR)中,着重研究了利用外差式光学锁相环实现的宽范围扫频窄线宽激光器。在空间激光通信应用中,着重研究了科斯塔斯光学锁相环在高灵敏度零差接收机中的应用。本文内容包括对OPLL系统进行理论建模、结构设计、系统参数优化、以及实验结果分析等。文章首先从各个子系统对光学锁相环技术进行了理论分析,重点包括:光鉴相器(OPD),环路滤波器和光压控振荡器(OVCO)几个模块。在光鉴相器部分,从零差和外差对光鉴相器进行了分类,比较了不同光鉴相器的特点和应用场合。在环路滤波器部分,利用经典锁相环理论对光学锁相环环路进行建模,从环路带宽、稳态误差、噪声性能和系统稳定性等方面对环路参数进行理论分析和仿真。在光压控振荡器部分,对激光器的不同频率调制方式、调频响应和激光器相位噪声进行比较和分析。最后,本文还对光学锁相环中的其他重要问题如延迟受限环路,复合环路技术以及光相位噪声测量方法进行了研究。在理论分析的基础上,本文针对光频域反射仪的应用,设计和实现了一套基于外差光学锁相环实现的宽范围扫频窄线宽激光器。主要工作包括:关键器件的选型、锁相电路设计和环路参数优化。实验结果表明,使用该发射模块的光频域反射仪系统,能在500 m的测量范围内获得毫米量级的距离分辨率。本文的另一部分实验工作着重于实现基于科斯塔斯光学锁相环的零差接收机。该非线性锁相环路主要应用于实现高灵敏度星间激光通信接收机。本文完成了5 Gbps二进制相移键控(BPSK)接收机设计与优化,实现了本振激光器与信号激光的相位跟踪。实验结果表明,残余相位均方根误差为3.5°,10-9误码率下的灵敏度为-41.4 dBm。

关键词：光学锁相环光频域反射仪星间激光通信