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光学锁相环的研究进展

张超超 王建波 殷聪 张宝武 刘若男 席路 李孟瑶

张超超, 王建波, 殷聪, 张宝武, 刘若男, 席路, 李孟瑶. 光学锁相环的研究进展[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(4): 20210156. doi: 10.3788/IRLA20210156
引用本文: 张超超, 王建波, 殷聪, 张宝武, 刘若男, 席路, 李孟瑶. 光学锁相环的研究进展[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(4): 20210156. doi: 10.3788/IRLA20210156
Zhang Chaochao, Wang Jianbo, Yin Cong, Zhang Baowu, Liu Ruonan, Xi Lu, Li Mengyao. Research progress of optical phase-locked loop[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(4): 20210156. doi: 10.3788/IRLA20210156
Citation: Zhang Chaochao, Wang Jianbo, Yin Cong, Zhang Baowu, Liu Ruonan, Xi Lu, Li Mengyao. Research progress of optical phase-locked loop[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(4): 20210156. doi: 10.3788/IRLA20210156

光学锁相环的研究进展

doi: 10.3788/IRLA20210156
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFF0200302);国家自然科学基金(62075165)
详细信息
    作者简介:

    张超超,男,硕士生,主要从事激光频率锁定技术方面的研究

    王建波,男,副研究员,博士,主要从事稳频激光波长基标准及其精密测量方面的研究

  • 中图分类号: O439;TN247

Research progress of optical phase-locked loop

Funds: National Key Research and Development Program of China(2016YFF0200302);National Natural Science Foundation of China (62075165)
  • 摘要: 光学锁相环(OPLL)根据其锁定的两束激光间是否存在频差可分为零差光学锁相环和外差光学锁相环。主要介绍了外差光学锁相环的研究进展,它是一种通过鉴频鉴相方式使激光间的频率差保持相对稳定的偏频锁定方法。相较于其他激光偏频锁定方法,光学锁相环具有结构简单、伺服频率带宽大、频率偏置范围宽、锁定准确度高等优势,在原子相干、冷原子系统、相干功率合成以及外差干涉测量等领域都得到了越来越广泛的应用。首先介绍了激光偏频锁定的主要方法及光学锁相环的特点;其次介绍了光学锁相环的基本模型,分析了光学锁相环的误差反馈过程,并按照光学锁相环实现方法的不同详细介绍了其采用的关键技术和研究进展,对近年来光学锁相环在不同领域的应用进展做了简要介绍;最后对该方法的发展路线进行了总结和展望。
  • 图  1  光学锁相环与电学锁相环结构对比。(a) 电学锁相环结构示意图;(b) 光学锁相环结构示意图

    Figure  1.  Structural comparison of OPLL and PLL. (a) Diagram of PLL structure; (b) Diagram of OPLL structure

    图  2  光学锁相环的复频域模型

    Figure  2.  Complex frequency domain model of OPLL

    图  3  采用模拟鉴相技术的OPLL结构图

    Figure  3.  OPLL structure diagram using analog phase discrimination technology

    图  4  采用数字鉴相技术的OPLL结构图

    Figure  4.  OPLL structure diagram using digital phase discrimination technology

    图  5  基于FPGA的OPLL偏频锁定系统

    Figure  5.  OPLL offset locking system based on FPGA

    图  6  基于FPGA的全数字OPLL结构示意图[28]

    Figure  6.  Schematic diagram of all digital OPLL based on FPGA[28]

    图  7  OPLL集成光路[38]

    Figure  7.  Integrated optical path for OPLL[38]

    图  8  集成OPLL偏频锁定系统[39]

    Figure  8.  Integrated OPLL offset locking system[39]

    图  9  用于EIT实验的OPLL偏频锁定系统[25]

    Figure  9.  OPLL offset locking system for EIT experiment[25]

    图  10  用于原子相干实验的OPLL偏频锁定系统[24]

    Figure  10.  OPLL offset locking system for atomic coherence experiments[24]

    图  11  He-Ne激光光源OPLL偏频锁定系统[23]

    Figure  11.  OPLL offset locking system for He-Ne laser source[23]

    图  12  ECDL激光器的OPLL偏频锁定系统[26]

    Figure  12.  OPLL offset locking system for ECDL[26]

    图  13  激光外差干涉测量光源OPLL锁定系统[45]

    Figure  13.  OPLL locking system for laser heterodyne interferometry source[45]

    图  14  相干光束合成OPLL系统[46]

    Figure  14.  OPLL system for coherent beam combining[46]

    图  15  改进后的相干功率合成OPLL系统[47]

    Figure  15.  Improved OPLL system for coherent power combining[47]

    表  1  不同OPLL偏频锁定系统的结构和关键参数

    Table  1.   Structure and key parameters of different OPLL offset locking systems

    TimeLaserOffset rangeType of phase
    discriminator
    Loop
    bandwidth
    LinewidthPhase noise
    level
    Phase error
    variance
    Optical structure
    MasterSlave
    1989[20] Nd:YAG Nd:YAG 6-34 GHz DBM - <1 mHz - - Space light
    1992[42] DFB DFB 3-18 GHz DBM 180 MHz - <102 dBc/Hz 0.04 rad2
    (1 GHz bandwidth)
    Space light
    1994[43] ECDL ECDL <10 GHz DBM 3.7 MHz 50 kHz - <0.004 rad2 Space light
    1999[44] DFB DFB 7-14 GHz DBM 70 MHz - −95 dBc/Hz
    (50 MHz offset)
    0.05 rad2
    (1 GHz bandwidth)
    Space light
    2008[24] ECDL ECDL 250 kHz-20 GHz DBM+PFD - <10 Hz - <0.04 rad2 Space light
    2008[25] ECDL ECDL 0.01-1.3 GHz PFD - 500 kHz −153 dBc/Hz
    (10 kHz offset)
    <0.02 rad2 Space light
    2012[39] - SG-DBR −9-7.5 GHz PFD 400 MHz - - - Integrated optical circuit
    2012[27] DFB DS-DBR <40 GHz PFD 100 kHz
    (open-loop unity-gain bandwidth)
    - - - Space light
    2014[26] He-Ne
    Laser
    ECDL 80 MHz-1.4 GHz PFD - 3.2×10−9
    (stability)
    - - Space light
    2017[17] OFC SG-DBR <26 GHz XOR phase discriminator - - −80 dBc/Hz
    (200 Hz offset)
    0.08 rad2
    (1 kHz-1 GHz
    bandwidth)
    Integrated optical circuit
    2018[41] ECDL DBR 4-12 GHz analog phase
    discriminator
    100 MHz - −100 dBc/Hz
    >(10 kHz offset)
    0.012 rad2 Integrated
    optical circuit
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-10
  • 修回日期:  2021-05-10
  • 刊出日期:  2022-05-06

光学锁相环的研究进展

doi: 10.3788/IRLA20210156
    作者简介:

    张超超,男,硕士生,主要从事激光频率锁定技术方面的研究

    王建波,男,副研究员,博士,主要从事稳频激光波长基标准及其精密测量方面的研究

基金项目:  国家重点研发计划(2016YFF0200302);国家自然科学基金(62075165)
  • 中图分类号: O439;TN247

摘要: 光学锁相环(OPLL)根据其锁定的两束激光间是否存在频差可分为零差光学锁相环和外差光学锁相环。主要介绍了外差光学锁相环的研究进展,它是一种通过鉴频鉴相方式使激光间的频率差保持相对稳定的偏频锁定方法。相较于其他激光偏频锁定方法,光学锁相环具有结构简单、伺服频率带宽大、频率偏置范围宽、锁定准确度高等优势,在原子相干、冷原子系统、相干功率合成以及外差干涉测量等领域都得到了越来越广泛的应用。首先介绍了激光偏频锁定的主要方法及光学锁相环的特点;其次介绍了光学锁相环的基本模型,分析了光学锁相环的误差反馈过程,并按照光学锁相环实现方法的不同详细介绍了其采用的关键技术和研究进展,对近年来光学锁相环在不同领域的应用进展做了简要介绍;最后对该方法的发展路线进行了总结和展望。

English Abstract

    • 基于光学锁相环(Optical Phase-Locked Loop, OPLL)的偏频锁定是激光稳频的重要方法。通常情况下激光稳频是将激光频率或波长稳定在某一绝对频率参考上,例如将原子或分子的跃迁谱线中心频率作为参考频率的兰姆凹陷稳频和饱和吸收稳频,或是将光学谐振腔的共振频率作为参考频率的Pound-Drever-Hall(PDH)稳频等[1-4]。但是在许多研究或实验中需要保持两激光器频率的相对稳定,比如在冷原子系统中需要激光频率相对于原子跃迁线有一定失谐且频率稳定[5];在电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency, EIT)等量子相干效应的实验中,为实现双光子共振需要不同的激光之间有固定的频率差[6];在激光外差干涉测量时也要求两激光的频率差保持相对稳定等[7]。因此,激光偏频锁定方法具有重要的应用价值。激光偏频锁定简单来说就是利用负反馈环路控制从属激光频率以固定数值的偏置频率锁定到高稳定度的参考激光频率上,它不仅可以传递参考激光的高频率稳定度,还可以实现大功率、无调制以及精密调谐的激光输出。

      实现激光偏频锁定有多种方法,一种是利用声光调制器(Acousto-Optic Modulators, AOM)或电光调制器(Electro-Optic Modulators, EOM),通过改变射频的驱动功率来产生高阶调制边带,实现激光器频率偏频锁定至AOM或EOM产生的调制边带上[8-9]。该方法可以避免外部反馈输入电流或压电陶瓷(PZT)电压引起的频率或功率抖动,但是其偏频锁定范围受调制边带频率范围的限制,无法实现更大范围的频率锁定。另外,有学者提出一种基于延迟线的偏频锁定方案[10-13],由于拍频信号通过不同长度的同轴线缆传播时会产生与频率相关的相移,以此作为锁相环路的误差信号可进行偏频锁定。此外,还可利用EIT的透射峰来实现激光偏频锁定[14-15],EIT透射峰的信号由于线宽较窄,可以实现较高的锁频精度,但是这种方法存在偏频锁定时捕获范围较小的问题。

      除上述方法外,OPLL也是一种被广泛采用的方法,它是利用鉴相器将待锁激光和参考激光的拍频信号与本振频率参考信号进行鉴相,鉴相产生的误差信号经锁相环路处理后反馈至待锁激光器进行调谐,从而实现待锁激光相对于参考激光的偏频锁定。在光学锁相环中,锁定后的拍频频率稳定度、环路带宽、捕获范围和环路传播延迟等是评价光学锁相环性能的关键参数,关于光学锁相环的研究主要针对上述参数进行优化和改进。首先,采用窄线宽、高稳定度的参考激光源是提高光学锁相环锁定精度的关键。OPLL通常采用稳频激光器作为参考激光源,除此之外也可将调制激光器产生的边带或光频梳(Optical Frequency Comb, OFC)的梳齿作为频率参考[16-18]。其次,所使用的本振频率参考源的稳定度对光学锁相环的性能也有至关重要的影响。光学锁相环具有结构简单、锁定精度高以及伺服频率带宽大等优点,它不仅能够实现数十GHz频率范围的偏频锁定,还可进行偏频锁定频率的快速精密调谐,在诸多精密测量场合具有重要的应用潜力。目前,利用光学锁相环偏频锁定方法实现的拍频频率稳定度可高达10−19(1000 s平均时间)[16]

      文章第二节主要介绍了光学锁相环的组成及其工作原理,第三节则阐述了光学锁相环中采用的关键技术和实现方法,第四节介绍了光学锁相环在诸多重要前沿研究领域中的应用,第五节对光学锁相环的发展路线进行了总结和展望。

    • OPLL具有与传统电学锁相环(PLL)相类似的结构,如图1中(a)和(b)所示,传统电学锁相环主要包含鉴相器(Phase detector)、环路滤波器(Loop filter)与压控振荡器(VCO)三部分。而在光学锁相环中,鉴相器之前还需增加光电探测器,将两束激光的拍频信号转换为电信号。此外,传统电学锁相环中的压控振荡器在光学锁相环中为待锁定的可调谐激光器,经锁相环路实现其相对于参考激光的偏频锁定。

      图  1  光学锁相环与电学锁相环结构对比。(a) 电学锁相环结构示意图;(b) 光学锁相环结构示意图

      Figure 1.  Structural comparison of OPLL and PLL. (a) Diagram of PLL structure; (b) Diagram of OPLL structure

      光学锁相环的基本工作原理为:待锁定激光器的激光频率与参考激光器的激光频率之间存在一定的频差时,两束激光相干混合后可由光电探测器探测到其拍频信号,然后由鉴相器对该拍频信号与已设定为预期偏频频率值的参考频率信号进行鉴频鉴相处理,得到与相位差成比例的鉴相误差电压信号,经环路滤波器处理后反馈至待锁定激光器进行调谐,从而使待锁定激光器的频率始终跟随参考激光器频率变化,实现两激光器之间的偏频锁定。

      假设参考激光和待锁定激光是两个沿$ {\textit{z}} $轴传播的的单色波,频率分别为$ {\omega }_{1} $$ {\omega }_{2} $,则它们的波函数可写为:

      $$ {E_1} = a\;{\rm{cos}}\left( {{k_1}{\textit{z}} - {\omega _1}t} \right)$$ (1)
      $$ {E_2} = a\;{\rm{cos}}\left( {{k_2}{\textit{z}} - {\omega _2}t} \right) $$ (2)

      两激光束合成后的光波强度为:

      $$ \begin{split} I = {A^2} =& 4{a^2}{\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\left( {{k_m}{\textit{z}} - {\omega _m}t} \right)=\\ & 2{a^2}\left[ {1 + {\rm{cos}}\;2\left( {{k_m}{\textit{z}} - {\omega _m}t} \right)} \right] \end{split} $$ (3)

      式中:${\omega _m} = \dfrac{1}{2}\left( {{\omega _1} - {\omega _2}} \right)$${k_m} = \dfrac{1}{2}\left( {{k_1} - {k_2}} \right)$

      由此可见,合成波的光强随时间和传播距离在0~$ 4{a}^{2} $之间变化,这种光强交替变化的现象就是“拍频”。由上式可知,拍频频率为$ {2\omega }_{m} $,由于$ {\omega }_{m}= $$ \dfrac{1}{2}\left({\omega }_{1}-{\omega }_{2}\right) $,因此拍频频率即为参考激光频率与待锁定激光频率之差。为了便于分析,我们假设参考激光的频率是不变的,且不考虑其他干扰因素,此时拍频信号的频率和相位仅受待锁定激光器频率和相位变化的影响。因此,完成拍频信号与本振频率参考信号之间频率和相位的锁定即可实现待锁定激光相对于参考激光的频率和相位锁定。

      光学锁相环的反馈部分则与传统电学锁相环类似,因此可以直接采用电学锁相环的理论对光学锁相环的电路部分进行分析。光学锁相环复频域的基本框图如图2所示。

      图  2  光学锁相环的复频域模型

      Figure 2.  Complex frequency domain model of OPLL

      在拉普拉斯变换域中,设输入到鉴相器的拍频信号为${\theta }_{\rm beat}\left(s\right)$,频率参考源信号为${\theta }_{\rm ref}\left(s\right)$,则鉴相器输出的鉴相误差信号为:

      $$ {V}_{e}\left(s\right)={K}_{\rm PD}({\theta }_{\rm ref}-{\theta }_{\rm beat}) $$ (4)

      鉴相误差信号经传输特性函数为$ F\left(s\right) $的环路滤波电路以及环路传播延迟${\rm e}^{-s\tau }$后,反馈给待锁激光器,从而实现拍频信号的频率和相位锁定至频率参考源。

      整个系统的开环传递函数为:

      $$ G\left(s\right)=\frac{{K}_{\rm PD}{K}_{\rm SL}F\left(s\right){\rm e}^{-s\tau }}{s} $$ (5)

      则对应的闭环传递函数为:

      $$ H\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)}=\frac{{K}_{\rm PD}{K}_{\rm SL}F\left(s\right){\rm e}^{-s\tau }}{s+{K}_{\rm PD}{K}_{\rm SL}F\left(s\right){\rm e}^{-s\tau }} $$ (6)

      以及误差传递函数为:

      $$ \begin{array}{l} E\left( s \right) = \dfrac{1}{{1 + G\left( s \right)}} = 1 - H\left( s \right) \dfrac{s}{{s + {K_{\rm PD}}{K_{\rm SL}}F\left( s \right){{\rm e}^{ - s\tau }}}} \end{array} $$ (7)
    • 光学锁相环可以实现待锁定激光器相对于高精度频率参考源的锁定,在对激光频率稳定度要求很高的应用和研究中有重要作用。1964年,Enloe等人首次利用激光锁相环装置成功实现了两路单频He-Ne激光器的锁定[19],此后随着激光技术的发展,基于光学锁相环的激光偏频锁定方法也在不断进步。下面按照光学锁相环实现方法的不同对其采用的关键技术进行介绍。

    • 模拟鉴相是早期光学锁相环广泛采用的一种鉴相技术方式[20-22],其基本结构如图3所示。

      图  3  采用模拟鉴相技术的OPLL结构图

      Figure 3.  OPLL structure diagram using analog phase discrimination technology

      该鉴相技术主要是通过采用以双平衡混频器(DBM)为代表的模拟鉴相器进行鉴相,并在偏频锁定频率较大时,在鉴相器之前增加另一DBM的方式对高频信号进行频率下转换,将信号的频率降到模拟鉴相器的可处理范围内。值得注意的是,DBM要实现鉴相功能需要其中频为直流耦合,且只有当混频器两输入端口的信号频率相同时才可进行鉴相。鉴相器的中频端可输出与两输入信号的相位差成比例的鉴相误差电压,经环路滤波单元进行滤波和放大等处理后反馈至待锁定激光器进行调谐。1989年,Williams等人采用八次谐波混频器对频率进行下转换,采用DBM作为鉴相器,实现了6~34 GHz大偏频范围的OPLL,将两Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器的拍频线宽保持在mHz量级[20]。1992年,Gliese等人介绍了一种基于模拟鉴相技术的OPLL,偏频频率范围为3~18 GHz,残余相位误差方差为0.04 rad2,并将其用于131 Mbit/s的QPSK/DQBSK(正交相移键控/差分四相相移键控)微波通信系统[22]。由于模拟鉴相技术采用无源器件,所以受自身噪声影响较小,具有很高的鉴相灵敏度,但是抗干扰能力相对较差。此外该方法所用器件体积较大不便于移动,且需要两个高稳定度的本振频率参考源,成本较高。

    • 随着数字鉴相器和锁相环芯片等集成电路的出现,光学锁相环越来越多地采用基于鉴频鉴相器(PFD)的数字鉴相技术[23-26]。与模拟鉴相技术不同,在数字鉴相中,PFD要求输入的信号通常为方波形式,利用高低电平的触发和跳变进行工作。采用数字鉴相方式的OPLL基本结构如图4所示。

      图  4  采用数字鉴相技术的OPLL结构图

      Figure 4.  OPLL structure diagram using digital phase discrimination technology

      其主要包括分频器、鉴频鉴相器和环路滤波器等部分。其中分频器的作用是将高频拍频信号进行分频,取代了模拟鉴相技术中利用混频器进行频率下转换的方法,大大降低了成本。2008年,Marino等人在原子相干实验中采用了基于数字鉴相方法的OPLL,通过差分电路对PFD输出的反映两信号相位超前滞后情况的UP/DOWN脉冲序列进行运算后得到误差信号[24]。2009年,Höckel等人在EIT实验中同样采用了基于数字鉴相方法的OPLL,所选用的数字鉴相器在偏频10 kHz时具有−153 dBc/Hz的极低相位噪声,实现了残余相位噪声小于0.02 rad2的OPLL系统[25]。2014年,Sternkopf等人采用集成了PFD的商用OPLL芯片搭建了光学锁相环系统,将外腔半导体激光器偏频锁定至633 nm He-Ne激光器,实现了3.2×10−9的相对频率稳定度[26]。采用数字鉴相技术的OPLL相较于模拟鉴相OPLL具有体积小、成本低、抗干扰能力强等优点,是目前光学锁相环中应用最广泛的方法。

    • 随着FPGA技术的不断发展,其凭借处理速度快、延时低以及功能丰富等优点,被逐渐应用到光学锁相环中。Numata等人率先在对分布式反馈(DFB)激光器与数字-超模分布布拉格反射式(DS-DBR)激光器进行偏频锁定研究时引入FPGA对光学锁相环各部分进行控制[27]。如图5所示,该研究中FPGA并不直接参与锁相环路的鉴相及PID控制等工作,而是主要用来生成前馈信号以及动态控制OPLL的环路参数,如PFD的锁定逻辑、电荷泵(CP)电流的增益和符号、直接数字频率合成器(DDS)的频率以及分频器的分频因数等。这种光学锁相环可在40 GHz的范围内实现精确快速的调谐。

      图  5  基于FPGA的OPLL偏频锁定系统

      Figure 5.  OPLL offset locking system based on FPGA

      此后Xu等人设计了一种基于半导体激光器的OPLL用于原子干涉测量[28-29],如图6所示。其中,虚线框a中PFD、Loop Filter和PID三部分均通过FPGA实现。虚线框b部分可视为等效的数控振荡器(DCO),它与FPGA的数字控制电路相结合构成全数字锁相环。该锁相环可以实现小于1 Hz的拍频线宽,残余相位误差方差为0.14 rad2

      图  6  基于FPGA的全数字OPLL结构示意图[28]

      Figure 6.  Schematic diagram of all digital OPLL based on FPGA[28]

      Yao等人在基于FPGA的激光偏频锁定方案中采用了上升沿和下降沿同时计数的判别方法,以及高概率均值滤波算法和变步长与分段逼近算法,最终实现拍频频率波动范围在±10 Hz以内[30]

      浙江理工大学的谢建东等人基于锁相放大原理,实现了利用FPGA进行鉴频鉴相及相位锁定的OPLL,使外腔半导体激光器(ECDL)在10 nm波长范围均可偏频锁定至光频梳,锁定后的拍频信号频率波动被控制在±3 Hz以内,激光器频率波动在±6 kHz左右[31]

      目前,基于FPGA的OPLL在激光偏频锁定中已有越来越多的研究和应用,FPGA在系统中主要实现各器件的低延时控制,或对拍频进行计数等工作,而超高频信号的鉴频鉴相工作仍需由专门的鉴频鉴相器件来完成。随着OPLL偏频锁定系统功能的不断丰富,对逻辑控制的要求不断提高,将FPGA应用于OPLL系统是未来的发展趋势。

    • 光学锁相环的集成化是通过在磷化铟(InP)基底上刻蚀光通道,加工集成激光器和光电探测器来实现光子集成电路(PIC)[17, 32-34],如图7所示。在该PIC中,待锁激光二极管、光电探测器和两个Y形结构的光波导集成在长度为3.1 mm的InP基底上,参考激光和待锁定激光分别通过特制光纤引入PIC中进行拍频。此外,也可将参考激光与待锁激光同时集成在InP上,实现全集成化的OPLL方案[35-37]

      图  7  OPLL集成光路[38]

      Figure 7.  Integrated optical path for OPLL[38]

      另一种完整的集成OPLL结构如图8所示,参考激光与待锁激光在PIC中完成拍频,集成的光电探测器将拍频信号输出至电子集成电路(EIC)中进行处理,最后反馈至集成的待锁激光器对其进行调谐。这样,整个OPLL系统的体积得到了很大程度的减小,完成了对OPLL系统整体的集成化。

      图  8  集成OPLL偏频锁定系统[39]

      Figure 8.  Integrated OPLL offset locking system[39]

      Steed等人报道的单片集成OPLL可以实现0.6~6.1 GHz的偏频可调谐范围,集成的半导体激光器拥有1.1 MHz的线宽,在大于20 kHz偏频锁定时的相位噪声小于−90 dBc/Hz,10 GHz带宽下的残余相位误差方差为0.04 rad2[38]。Lu等人采用取样光栅分布布拉格反射式(SG-DBR)激光器实现了宽带宽调谐范围的集成OPLL,其线宽为10 MHz,可调谐范围高达16.5 GHz,具有0.12 ns的环路传播延时,环路带宽1.1 GHz。利用该集成OPLL,可以将激光器的10 MHz线宽压缩至100 kHz[40]。Balakier等人介绍了一种采用铸造方法和现成的电子元器件制作的光子集成OPLL,在4~12 GHz之间的偏移频率内实现了稳定的锁定,在偏频10 kHz时,外差相位噪声低于−100 dBc/Hz[41],达到了目前光子集成OPLL领域中非常高的水平。

      由于集成在芯片上的激光器以及光电探测器等在性能上较传统器件还有一定差距,目前仍处于实验阶段,并未得到广泛的实际应用,但光子集成OPLL是光子芯片前沿研究的热点方向之一,对于未来实现大规模光子集成具有重要意义。

      表1总结了上述几种不同类型的OPLL的结构、性能参数以及实验结果。可以看到,光学锁相环的光源可以为多种不同类型的激光器,但基本要求是作为激光参考源的主激光器应具有较高的频率稳定度,而从激光器应具有可调谐功能。此外,随着时间的发展和技术的进步,在光学锁相环的鉴相方式和光路结构上,也表现出了明显的数字化、集成化趋势。

      表 1  不同OPLL偏频锁定系统的结构和关键参数

      Table 1.  Structure and key parameters of different OPLL offset locking systems

      TimeLaserOffset rangeType of phase
      discriminator
      Loop
      bandwidth
      LinewidthPhase noise
      level
      Phase error
      variance
      Optical structure
      MasterSlave
      1989[20] Nd:YAG Nd:YAG 6-34 GHz DBM - <1 mHz - - Space light
      1992[42] DFB DFB 3-18 GHz DBM 180 MHz - <102 dBc/Hz 0.04 rad2
      (1 GHz bandwidth)
      Space light
      1994[43] ECDL ECDL <10 GHz DBM 3.7 MHz 50 kHz - <0.004 rad2 Space light
      1999[44] DFB DFB 7-14 GHz DBM 70 MHz - −95 dBc/Hz
      (50 MHz offset)
      0.05 rad2
      (1 GHz bandwidth)
      Space light
      2008[24] ECDL ECDL 250 kHz-20 GHz DBM+PFD - <10 Hz - <0.04 rad2 Space light
      2008[25] ECDL ECDL 0.01-1.3 GHz PFD - 500 kHz −153 dBc/Hz
      (10 kHz offset)
      <0.02 rad2 Space light
      2012[39] - SG-DBR −9-7.5 GHz PFD 400 MHz - - - Integrated optical circuit
      2012[27] DFB DS-DBR <40 GHz PFD 100 kHz
      (open-loop unity-gain bandwidth)
      - - - Space light
      2014[26] He-Ne
      Laser
      ECDL 80 MHz-1.4 GHz PFD - 3.2×10−9
      (stability)
      - - Space light
      2017[17] OFC SG-DBR <26 GHz XOR phase discriminator - - −80 dBc/Hz
      (200 Hz offset)
      0.08 rad2
      (1 kHz-1 GHz
      bandwidth)
      Integrated optical circuit
      2018[41] ECDL DBR 4-12 GHz analog phase
      discriminator
      100 MHz - −100 dBc/Hz
      >(10 kHz offset)
      0.012 rad2 Integrated
      optical circuit
    • 基于光学锁相环的激光偏频锁定是使两激光器之间保持固定频率差的常用方法,相比于其他偏频锁定方法具有结构简单、偏置锁定范围大、能在锁频的基础上实现锁相等优势,得到了更为广泛的应用。下面对近年来OPLL在相关领域中的应用情况分别进行介绍。

    • 德国洪堡大学的Hockel等人利用OPLL进行的EIT实验如图9所示,该系统采用两个Littrow结构的ECDL分别产生泵浦光和探测光,其中探测光激光器采用Cs原子调频光谱(FMS)装置进行稳频,并与泵浦光激光器通过OPLL实现了100 MHz的偏频锁定,系统锁定后的残余相位误差方差小于0.02 rad2 [25]

      图  9  用于EIT实验的OPLL偏频锁定系统[25]

      Figure 9.  OPLL offset locking system for EIT experiment[25]

      美国罗切斯特大学的Marino等人提出了一种用于原子相干实验的OPLL系统,如图10所示。该系统由三台工作在795 nm附近的ECDL激光器组成,其中参考激光器采用二色性原子蒸气激光频率锁定(DAVLL)技术进行稳频,通过OPLL实现与第二台主激光器的锁相,而待锁定激光器则通过另一OPLL锁相至主激光器。整套系统的残余相位噪声小于0.04 rad2,在Rb原子的EIT实验中,使吸收系数降低了92%[24]

      图  10  用于原子相干实验的OPLL偏频锁定系统[24]

      Figure 10.  OPLL offset locking system for atomic coherence experiments[24]

    • 光学锁相环在外差干涉测量领域中有着广泛的应用,利用它可以提供实验需要的高稳定外差激光光源。2012年,Sternkopf等人提出了一种基于外差干涉仪的He-Ne激光光源OPLL偏频锁定系统[23],如图11所示。在该系统中,主激光器采用了一种申请专利的双模稳定技术进行稳频,从激光器则采用了商用数字锁相环芯片将频率和相位锁定到主激光器上,最终实现该系统的主激光器频率稳定度为1×10−8,拍频的稳定度约为4.5×10−5

      图  11  He-Ne激光光源OPLL偏频锁定系统[23]

      Figure 11.  OPLL offset locking system for He-Ne laser source[23]

      2014年,该团队提出了一种利用OPLL将ECDL偏频锁定至He-Ne激光器的外差干涉测量光源系统[26],如图12所示。该系统同样采用了商用锁相环芯片,结合二阶有源低通滤波电路对ECDL进行PZT调谐和电流调谐,实现了3.2×10−9的长期拍频频率稳定度。

      图  12  ECDL激光器的OPLL偏频锁定系统[26]

      Figure 12.  OPLL offset locking system for ECDL[26]

      浙江理工大学的吴凯悦等人利用图13所示的OPLL系统将可调谐激光以65 MHz的偏置频率锁定至碘稳频He-Ne激光相位调制生成的重频为250 MHz的+3阶边带上,得到了频差为815 MHz的稳频光源。利用该系统进行了纳米精度的位移测量实验,结果表明该系统可实现亚纳米级的测量不确定度[45]

      图  13  激光外差干涉测量光源OPLL锁定系统[45]

      Figure 13.  OPLL locking system for laser heterodyne interferometry source[45]

    • 相干功率合成技术是大功率激光器研究领域中的一项关键技术。近年来,有研究人员将OPLL应用到了激光的相干功率合成中,用以解决单台激光器实现高功率输出时存在的光束质量差、系统稳定性低、以及工作介质的光学损伤和热损伤等问题。

      加州理工学院的Liang等人利用两个锁相环路同时将两个DFB激光器以1.5 GHz的偏置频率锁定至同一参考激光源上,实验装置如图14所示。由于两个锁相环路采用了同一频率参考源和激光参考源,因此两DFB激光器可以获得很好的相干性。该系统相干功率合成效率达到了87%,锁定后两激光器之间的均方根差分相位误差约为30°[46]

      图  14  相干光束合成OPLL系统[46]

      Figure 14.  OPLL system for coherent beam combining[46]

      同年,该课题组同样利用OPLL实现了MOPA (Master-oscillator-power-amplifier)半导体激光器相干功率合成,并在系统中增加了移相器和辅助采集电路(AAC)[47],如图15所示,实现了对两激光器锁相后相位误差的补偿且具有提升锁相环路带宽的功能。

      图  15  改进后的相干功率合成OPLL系统[47]

      Figure 15.  Improved OPLL system for coherent power combining[47]

    • 除上述领域外,光学锁相环在其他领域也有重要的应用。2018年,法国国家科学研究院的Guionie等人在1.5 µm全光纤微波源的实验研究中采用光学锁相环来稳定DFB光纤激光器的两个正交偏振模间的拍频,实现了1 GHz和10 GHz的双频DFB光纤激光器。该OPLL锁定后,将自由运行时3 kHz的拍频线宽稳定到了1 Hz以下,100 Hz偏频时的相位噪声为−75 dBc/Hz[48]。2020年,中国空气动力学研究与发展中心的魏春华等人在87Rb原子的冷却与俘获实验中利用数字OPLL将两台分别用于产生泵浦光和捕获光的ECDL以6.8 GHz的固定频差进行了锁定,使得该系统每7.5 s可以产生2×106个凝聚态原子[49]。2020年,印度理工学院的Ashok等人在相干光链路载波相位恢复与补偿研究中提出了一种基于载波偏置补偿的光学锁相环结构,采用基于互相关器的鉴相器、四能级量化器和相位调制器进行相位补偿,用于实现8-PSK(相移键控)相干光链路的同步[50]。此外,OPLL在光时分复用(OTDM)、时钟恢复(CR)等领域中也有着非常重要的应用[51-55]。在相干光通信领域中光学锁相环还发展出了如平衡锁相环、科斯塔斯(Costas)锁相环、决策驱动锁相环、同步位锁相环以及振荡锁相环等多种不同类型,不过相干光通信领域中的这几类光学锁相环通常采用零差工作模式,其应用和研究进展在相关文献中已有详细介绍[56-57],因此文中不再赘述。

    • 光学锁相环相较于其他激光偏频锁定方法,具有结构简单、锁定精度高等优势,因此得到了越来越广泛的研究和应用。参考激光的线宽和频率稳定度、鉴相器的性能、环路滤波器的参数以及外部频率参考源的频率稳定度等都对光学锁相环的偏频锁定性能有着重要的影响。采用数字鉴相技术的OPLL凭借灵活方便、低成本、抗干扰能力强等特点,成为近年来最普遍采用的一种光学锁相环方案。但是采用模拟鉴相技术的OPLL由于在噪声抑制和环路传播延迟方面具有一定优势,在某些场合仍有重要作用。基于FPGA技术的全数字锁相环适用范围更广,运行速度更快,是光学锁相环今后主要发展趋势。在光路集成的OPLL中由于其集成的激光器和光电探测器等部件与传统器件相比在性能和稳定性上还有较大差距,目前仍处于实验阶段,但光路集成OPLL是当前集成光子学研究的前沿领域,也是未来光子集成芯片研究的重要组成部分,具有广阔的应用潜力。总的来说,光学锁相环的数字化和集成化是未来研究的重点方向,也是科技发展的必然趋势。

参考文献 (57)

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