光学锁相环技术研究

发布时间：2017-08-09 13:35

  本文关键词：光学锁相环技术研究

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【摘要】：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
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.8
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 前言12
• 1.2 国内外研究发展及现状12-13
• 1.3 本文课题背景及研究内容13-17
• 1.3.1 光频域反射仪概述13-14
• 1.3.2 光学锁相环技术在光频域反射仪中的重要性14-16
• 1.3.3 星间激光通信概述16
• 1.3.4 光学锁相环在星间激光通信中的重要性16-17
• 1.4 本文结构安排17-20
• 第二章 光学锁相环技术理论分析20-46
• 2.1 光学锁相环的基本原理20-24
• 2.1.1 光学锁相环基本结构20-21
• 2.1.2 小信号分析21-22
• 2.1.3 光学锁相环主要性能指标22-24
• 2.2 光学锁相环的关键器件分析24-39
• 2.2.1 光鉴相器24-29
• 2.2.2 环路滤波器29-34
• 2.2.3 光压控振荡器34-39
• 2.3 OPLL主要指标测量方法39-44
• 2.3.1 残余相位噪声测量39-41
• 2.3.2 延时自外差测量法41-44
• 2.4 本章小结44-46
• 第三章 线性扫频激光器中的光学锁相环技术46-64
• 3.1 光频域反射仪概述46-52
• 3.1.1 光频域反射仪系统结构与原理46-47
• 3.1.2 光频域反射仪主要性能指标47-49
• 3.1.3 宽范围线性扫频激光器49-52
• 3.2 基于外差式OPLL的动态线宽压缩技术52-62
• 3.2.1 基于OPLL的线宽压缩原理52-55
• 3.2.2 外差式OPLL设计与实现55-60
• 3.2.3 实验结果与分析60-62
• 3.3 本章小结62-64
• 第四章 星间激光通信中光学锁相环的应用64-82
• 4.1 星间激光通信概述64-67
• 4.1.1 微波传输与激光传输64-65
• 4.1.2 非相干检测与相干检测65-67
• 4.2 基于OPLL的相干接收机67-71
• 4.2.1 OPLL相干接收机分类67-70
• 4.2.2 接收机性能比较70-71
• 4.3 基于科斯塔斯环的高灵敏度BPSK零差接收机71-80
• 4.3.1 基于延迟XOR门的科斯塔斯环鉴相器设计72-75
• 4.3.2 双环路光压控振荡器设计75-78
• 4.3.3 实验结果与分析78-80
• 4.4 本章小结80-82
• 第五章 总结与展望82-84
• 5.1 全文总结82
• 5.2 研究展望82-84
• 参考文献84-88
• 符号与标记（附录 1）88-90
• 致谢90-92
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文92-94
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目94

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 许楠;刘立人;刘德安;周煜;;星间相干光通信中的光学锁相环[J];激光与光电子学进展;2008年04期

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本文编号：645570