CN103944561B - 基于声光移频器的光锁相环实现系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声光移频器的光锁相环实现方法，包括本振激光器、声光移频器、平衡接收机以及鉴频鉴相器，本振激光器的输出经过声光移频器调制后，由第一保偏光纤耦合器分成两路输出端，第一路输出端与信号光载波共同经第二保偏光纤耦合器后通过平衡接收机接收，平衡接收机的输出连接到鉴频鉴相器和本地参考信号进行鉴相；鉴频鉴相器的输出经环路滤波器后分为两路，分别与驱动本振激光器和声光移频器。同时还提供了该方法的实现系统。本发明利用声光移频器的频率调制特性，补偿两个激光器之间的相位变化，将窄线宽激光器的相位相干性传递到线宽较宽的激光器，实现两个激光器之间的外差光锁相，压缩了宽线宽激光器的线宽。

Description

基于声光移频器的光锁相环实现系统及实现方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体地，涉及一种基于声光移频器的光锁相环实现系统及实现方法。

背景技术

随着信息社会对于光纤网络带宽需求的不断增加，基于强度调制／直接检测的传统光通信技术由于其技术限制逐渐遇到瓶颈，而基于高阶调制格式的数字光通信技术利用了光载波的相位、频率信息进行数据传输，能够获得更高的频谱带宽利用率。诸如Quadrature Amplitude Modularion(QAM)正交幅度调制、Quadrature Phase ShiftKeying(QPSK)正交相位调制等高阶调制格式，能够极大地提升符号速率，增加现有光纤的传输容量。由于直接检测的探测方式无法对载波的相位、频率信息进行解调，因此采用数字信号处理的方式恢复数据信号。而随着调制格式越来越复杂，其解调所需的数字信号处理系统的成本和功耗也不断增加，此外，数字信号处理的精度也难以满足高阶调制解调的需求。

光锁相环技术能够实现光信号载波和本地振荡激光之间的载波相位同步，因此能够从载波中完全恢复传输的数据信号，并且相对于数字信号处理的解调方式成本、功耗较低，能够满足高阶调制格式解调的需求。为了实现能够满足高阶调制格式解调的低相位噪声光锁相环，窄线宽的本振激光器和高带宽的伺服反馈环路是其关键。经过对现有技术文献的检索发现，现有的低相噪宽带光锁相环的实现方式主要都是基于窄线宽激光器的零差、外差锁相。C.H.Shin等人发表在学术杂志《IEEE Photonics Technology Letters》(《IEEE光子技术快报》)中的学术论文“Heterodyne optical phase-locked loop byconfocal Fabry-Perot cavity coupled AlGaAs lasers”(基于共焦FP腔耦合的AlGaAs激光器的外差光锁相环)中，利用线宽为30KHz的半导体激光器实现了外差光锁相环，由于其本振激光器的线宽较窄，因此能够实现较好的光锁相效果。S.Norimatsu等人发表在学术杂志《IEEE Photonics Technology Letters》(《IEEE光子技术快报》)中的学术论文“An8Gb／sQPSK optical homodyne detection experiment using external-cavity laserdiodes”(基于外腔半导体激光器的8Gbps QPSK光外差检测)中，利用线宽为60KHz的多电极的分布反馈式外腔半导体激光器实现了光锁相环，其所使用的分布反馈式外腔半导体激光器具有多个电极，能够进行较快速的电流驱动调制，其锁定的本振激光能够用于检测和解调8Gbps的QPSK信号。

然而，在上述光锁相环的结构中，本振激光器的相位、频率主要通过激光器驱动电流和激光器的腔长进行调节，因此其环路带宽受到本振激光器频率调制响应带宽和控制激光器腔长的压电陶瓷的带宽的限制，无法进行快速的环路控制，因此难以实现能满足高阶调制格式解调所需低相位噪声本振激光器的宽带光锁相环。为了解决这个问题，S.Camatel等人发表在学术杂志《Electronics Letters》(《电子快报》)中的学术论文“Opticalphase-locked loop for coherent detection optical receiver”(相干光接收机中的光锁相环)中，提出将载波和本振激光器的调制边带进行光锁相，由于本振激光信号的边带信号通过外调制器产生，调制器的调制带宽可至GHz量级，因此能够实现较快的相位频率锁定，获得相位噪声更低的本振激光。然而，调制过程会引入的谐波分量会降低信噪比以及无杂散动态范围，从而影响接收机的灵敏度和动态范围，使得系统的功率代价增加，限制了其在高速高阶调制系统中的性能。同时，由于外调制的频率只能和载波上的调制信号的基带频率相同，因此极大地限制了其在微波光子学等相关领域的应用。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于声光移频器的光锁相环实现系统及实现方法，利用声光移频器的频率相位积分特性和激光器的直接电流调制，能够实现低相位噪声、宽带宽的光锁相环路，将亚MHz级别本振激光器和光载波信号进行光锁相同步，其产生的本振激光相位、频率稳定，实现方式简单，可满足相干光通信、光学相干测量和光纤传感等领域的应用需求。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于声光移频器的光锁相环实现系统，包括本振激光器、声光移频器、平衡接收机、鉴频鉴相器、第一保偏光纤耦合器以及第二保偏光纤耦合器，其中，所述本振激光器的输出端与声光移频器的输入端相连接，所述声光移频器的输出端经过第一保偏光纤耦合器后形成两路输出端；其中，第一路输出端与外部输入的信号光载波共同输入第二保偏光纤耦合器后，与平衡接收机的输入端相连接，所述平衡接收机的输出端与鉴频鉴相器的输入端相连接；所述鉴频鉴相器设有本地参考信号接入端口，鉴频鉴相器的输出端通过环路滤波器分别控制本振激光器和声光移频器后，本振激光器和声光移频器控制第二路输出端形成系统输出。

优选地，所述鉴频鉴相器通过环路滤波器后形成两路输出端口，其中第一路输出端口通过低通滤波器与本振激光器的驱动信号端口连接，第二路输出端口驱动压控振荡器，压控振荡器的输出端和声光移频器的驱动信号端口连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述基于声光移频器的光锁相环实现系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1，本振激光器产生的本振光信号，经过声光移频器调制后，通过第一保偏光纤耦合器形成两路本振光调制信号，其中第一路本振光调制信号与外部输入的信号光载波在第二保偏光纤耦合器中进行混频；

步骤2，混频后的输出信号通过平衡接收机转换为电信号后输入至鉴频鉴相器；鉴频鉴相器的本地参考信号接入端口输入一个本地参考信号，并与平衡接收机输出的电信号进行鉴频鉴相；鉴频鉴相器的输出端通过环路滤波器后产生误差信号；

步骤3，误差信号分为两路，其中，一路误差信号经过低通滤波器滤波后转变为控制本振激光器的电流驱动信号，对本振激光器的频率和相位进行控制；另一路误差信号控制压控振荡器，压控振荡器产生的射频驱动信号对声光移频器进行驱动和频率调制，并对第二路本振光调制信号的相位进行控制，产生锁相的本振光信号。

优选地，所述压控振荡器的振荡频率与声光移频器的调制驱动频率相同。

优选地，所述本地参考信号为低相位噪声的参考信号。

本发明提供的基于声光移频器的光锁相环的实现系统和实现方法，是一种利用声光移频器的频率调制特性，补偿两个激光器之间的相位变化，将窄线宽激光器的相位相干性传递到线宽较宽的激光器，实现两个激光器之间的外差光锁相，压缩了宽线宽激光器的线宽。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、通过使用声光移频器，避免了激光器电流驱动的频率调制带宽限制和相位反转特性，能够获得更高的环路带宽；

2、可方便的使用在各种半导体激光器上；

3、系统结构简单，所使用的声光移频器、鉴频鉴相器和光耦合器等器件成本较低；

4、实现方式简单，可满足光学相干测量和光纤传感等领域的应用需求；

5、采用光锁相环技术，能够实现载波任意频偏的低相噪锁相，不受载波调制波形的限制，能满足相干光通信、微波光子学以及光任意波形发生器等相关应用需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于声光移频器的光锁相环的实现方法原理框图；

图2为本发明实施例中锁相前后的拍频信号功率谱密度；

图中：101为外部输入的信号光载波，102为本振激光器，103为声光移频器，104为平衡接收机，105为鉴频鉴相器，106为低相噪参考信号，107为锁相的本振激光信号。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1和图2。

本实施例提供了一种基于声光移频器的光锁相环实现系统，包括本振激光器、声光移频器、平衡接收机、鉴频鉴相器、第一保偏光纤耦合器以及第二保偏光纤耦合器，其中，所述本振激光器的输出端与声光移频器的输入端相连接，所述声光移频器的输出端经过第一保偏光纤耦合器后形成两路输出端，其中，第一路输出端与外部输入的信号光载波共同输入第二保偏光纤耦合器后，与平衡接收机的输入端相连接，所述平衡接收机的输出端与鉴频鉴相器的输入端相连接；所述鉴频鉴相器设有本地参考信号接入端口，鉴频鉴相器的输出端通过环路滤波器后分别与本振激光器的驱动端口和声光移频器的驱动端口相连接，第二路输出端作为系统输出。

进一步地，所述鉴频鉴相器通过环路滤波器后形成两路输出端口，其中第一路输出端口通过低通滤波器与本振激光器的驱动信号端连接，第二路输出端口驱动压控振荡器，压控振荡器的输出端和声光移频器的驱动信号端口连接。

本实施例提供的基于声光移频器的光锁相环实现系统，其实现方法，包括以下步骤：

步骤1，本振激光器产生的本振光信号，经过声光移频器调制后，通过第一保偏光纤耦合器形成两路本振光调制信号，其中第一路本振光调制信号与外部输入的信号光载波在第二保偏光纤耦合器中进行混频；

步骤2，混频后的输出信号通过平衡接收机转换为电信号后输入至鉴频鉴相器；鉴频鉴相器的本地参考信号接入端口输入一个本地参考信号，并与平衡接收机输出的电信号进行鉴频鉴相；鉴频鉴相器的输出端通过环路滤波器后产生误差信号；

步骤3，误差信号分为两路，其中，一路误差信号经过低通滤波器滤波后转变为控制本振激光器的电流驱动信号，对本振激光器的频率和相位进行控制；另一路误差信号控制压控振荡器，压控振荡器产生的射频驱动信号对声光移频器进行驱动和频率调制，并对第二路本振光调制信号的相位进行控制，产生锁相的本振光信号。

进一步地，所述压控振荡器的振荡频率与声光移频器的调制驱动频率相同。

进一步地，所述本地参考信号为低相噪参考信号。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：

如图1所示，本实施例提供的基于声光移频器的光锁相环实现系统，其部件和组件主要包括：本振激光器、声光移频器、平衡接收机、鉴频鉴相器。

(1)本振激光器102输出的本振激光信号，经过声光移频器103的调制后，通过第一保偏光纤耦合器分为两路，一路输入到第二保偏光纤耦合器，和外部输入的信号光载波101产生的信号光载波进行混频，第二保偏光纤耦合器的输出端接平衡接收机104。

(2)平衡接收机将拍频的电信号输入到鉴频鉴相器105，和低相噪参考信号106进行鉴频鉴相，输出的误差信号分为两路。第一路误差信号通过低通滤波器，经过放大后直接驱动本振激光器；第二路误差信号直接驱动压控振荡器，其频率与声光移频器的驱动频率相同。

(3)通过本振激光器的电流驱动控制低频的激光相位变化，而通过声光移频器的频率调制，经过时间积分后控制高频的激光相位变化。从而实现光载波信号和本振激光之间的锁相。

如图2为锁相前后拍频信号的功率谱密度，可验证锁相环的效果。

本实施例提供的基于声光移频器的光锁相环实现系统及实现方法，能够实现宽带的低相噪激光锁相环，符合相干光通信、光学相干测量和光纤传感等领域的应用需求。通过射频信号驱动，对光载波具有频率调制功能。将输入的信号和参考信号进行相位比较，可将其相位比较输出通过环路滤波器转化为误差信号。压控振荡器振荡频率与声光移频器的驱动频率相同。鉴频鉴相器可将本振激光和信号光载波的拍频信号和低相噪参考信号进行比较，产生相位误差信号。所述的压控振荡器的振荡频率正好对应声光移频器的驱动频率。

本振激光器输出的本振光信号，经过声光移频器后，和信号光载波通过一个保偏光纤耦合器后进行光混频，其输出信号通过宽带平衡接收机转变为电信号，在鉴频鉴相器中和一个本地参考信号进行鉴频鉴相比较后，通过环路滤波器产生误差信号。误差信号被分为两个部分，一路经过低通滤波器后再控制激光器的驱动电流，控制本振激光频率相位；另一路控制一个压控振荡器产生一个射频驱动信号驱动声光移频器，其射频信号的频率随着误差信号而变化从而使得本振激光的输出频率随着误差信号变化，通过时间积分后控制激光器的相位。从而实现了本振激光和信号光载波频率和相位的锁定。

本实施例提供的基于声光移频器的光锁相环实现系统及实现方法，是一种利用声光移频器的频率调制特性，以及激光器电流调制的频率调制特性，补偿信号光载波和本振激光器之间的相位变化，将信号光载波的相位相干性传递到线宽较宽的本振激光器，实现两个激光器之间的光锁相，压缩了宽线宽本振激光器的线宽。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种基于声光移频器的光锁相环实现系统，其特征在于，包括本振激光器、声光移频器、平衡接收机、鉴频鉴相器、第一保偏光纤耦合器以及第二保偏光纤耦合器，其中，所述本振激光器的输出端与声光移频器的输入端相连接，所述声光移频器的输出端经过第一保偏光纤耦合器后形成两路输出端；其中，第一路输出端与外部输入的信号光载波共同输入第二保偏光纤耦合器后，与平衡接收机的输入端相连接，所述平衡接收机的输出端与鉴频鉴相器的输入端相连接；所述鉴频鉴相器设有本地参考信号接入端口，鉴频鉴相器的输出端通过环路滤波器分别控制本振激光器和声光移频器后，本振激光器和声光移频器控制第二路输出端形成系统输出；

所述鉴频鉴相器通过环路滤波器后形成两路输出端口，其中第一路输出端口通过低通滤波器与本振激光器的驱动信号端口连接，第二路输出端口驱动压控振荡器，压控振荡器的输出端和声光移频器的驱动信号端口连接。

2.一种权利要求1所述的基于声光移频器的光锁相环实现系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，本振激光器产生的本振光信号，经过声光移频器调制后，通过第一保偏光纤耦合器形成两路本振光调制信号，其中第一路本振光调制信号与外部输入的信号光载波在第二保偏光纤耦合器中进行混频；

步骤2，混频后的输出信号通过平衡接收机转换为电信号后输入至鉴频鉴相器；鉴频鉴相器的本地参考信号接入端口输入一个本地参考信号，并与平衡接收机输出的电信号进行鉴频鉴相；鉴频鉴相器的输出端通过环路滤波器后产生误差信号；

步骤3，误差信号分为两路，其中，一路误差信号经过低通滤波器滤波后转变为控制本振激光器的电流驱动信号，对本振激光器的频率和相位进行控制；另一路误差信号控制压控振荡器，压控振荡器产生的射频驱动信号对声光移频器进行驱动和频率调制，并对第二路本振光调制信号的相位进行控制，产生锁相的本振光信号。

3.根据权利要求2所述的基于声光移频器的光锁相环实现系统的实现方法，其特征在于，所述压控振荡器的振荡频率与声光移频器的调制驱动频率相同。

4.根据权利要求2所述的基于声光移频器的光锁相环实现系统的实现方法，所述本地参考信号为低相噪参考信号。