CN110071418B - 一种微分锁模激光器锁相环 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微分锁模激光器锁相环，其包括依次连接的鉴相器、比例‑积分环路滤波器、微分环路滤波器模块、压控振荡器、光电检测器、带通滤波器，带通滤波器与鉴相器连接。本发明提出了多重微分环路滤波器锁相环的方案，在锁相环中通过两个或多个微分环路滤波器补偿由压电换能器和高压驱动器带来的相位滞后；从而将锁相环带宽上限提升一个数量级以上，在保证锁相环稳定性的同时大幅拓展了其锁相带宽的提升空间。

Description

一种微分锁模激光器锁相环
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种微分锁模激光器锁相环。
背景技术
被动锁模激光器(MLL)作为超短脉冲激光源在光学/射频频率标准产生、光子雷达、光通信、超低噪声微波合成、精密时频计量和时频分发等领域获得了广泛的应用。这些应用都要求利用锁相环将被动锁模激光器锁定到高稳定度光学或微波频率标准源上，使得被动锁模激光器的相位和重复频率都能通过锁相环与高稳定度频率标准源锁定。
锁相环的锁定带宽定义为该锁相环的开环环路增益幅值为0dB时对应的系统频率，锁定带宽作为锁相环的关键参数决定了被动锁模激光器的锁定性能，锁定带宽的提升能够改善被动锁模激光器输出光脉冲信号的稳定度和时间抖动性能。提高锁相环的环路增益可以提升锁定带宽，但是在实际工程应用中要求环路增益幅值为0dB时对应的相位滞后小于135度，否则锁相回路将会处于不稳定状态。因此，环路增益相位滞后为135度时对应的系统频率即为锁相环带宽上限。也就是说，如果通过增大环路增益使得锁相环锁定带宽大于带宽上限(即环路增益幅值为0dB时对应的相位滞后大于135度)，则锁相环系统将会产生振荡或失锁。因此，对系统稳定性的要求使得锁相环的锁定带宽上限限制了锁定带宽的提升极限。
对于实际的被动微分锁模激光器锁相环而言，系统中的压电换能器及其高压驱动器具有时间延迟和共振特性，这会在回路中引入额外的相位滞后，从而限制锁相环的带宽上限。在这种情况下，由于锁相环带宽上限较低，一旦环路增益的提升使得锁定带宽高于带宽上限就会导致锁相环振荡或者失锁。因此，在仅仅只具有比例-积分环路滤波器的被动锁模激光器锁相环系统中，其压电换能器及高压驱动器引入的相位滞后限制了其锁定带宽上限，从而限制了通过提高锁相环锁定带宽来改善输出光脉冲信号稳定度和时间抖动性能的潜力。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种通过提升被动锁模激光器锁相环锁定带宽上限，进而改善输出光脉冲信号稳定度和时间抖动性能的微分锁模激光器锁相环。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种微分锁模激光器锁相环，其包括：
光电探测器，用于使锁模激光器输出的光脉冲信号转化成电信号；
带通滤波器，用于滤掉电信号中的噪声形成微波信号；
鉴相器，用于将带通滤波器输出的微波信号与输入其的频率参考信号进行混频，生成中频相位误差信号；
比例-积分环路滤波器，用于消除中频相位误差信号中的高频分量；
微分环路滤波器模块，用于通过引入超前的相位量实现对消除高频分量的相位误差信号进行相位滞后补偿，输出误差信号；
压控振荡器，用于输出受控的光脉冲信号，并在经过相位滞后补偿后的误差信号的控制下，输出重复频率的光脉冲信号，并使带通滤波器输出的微波信号与频率参考信号正交。
进一步地，压控振荡器包括：
高压驱动器，用于调整电压，使相位滞后补偿后的误差信号转变成高压信号；
压电换能器，用于接收高压驱动器的高压信号，并通过改变锁模激光器的腔长改变锁模激光器的输出脉冲频率；
锁模激光器，用于在压电换能器输出的高压信号的控制下输出重复频率的光脉冲信号。
进一步地，压电换能器为压电陶瓷。
进一步地，微分环路滤波器模块包括两个依次连接的微分环路滤波器。
本发明的有益效果为：本发明提出了多重微分环路滤波器锁相环的方案，在锁相环中通过两个或多个微分环路滤波器补偿由压电换能器和高压驱动器带来的相位滞后；从而将锁相环带宽上限提升一个数量级以上，在保证锁相环稳定性的同时大幅拓展了其锁相带宽的提升空间。
附图说明
图1为微分锁模激光器锁相环示意图。
图2为微分锁模激光器锁相环原理示意图。
图3为微分锁模激光器锁相环传递函数示意图。
图4为微分锁模激光器锁相环与比例-积分环路滤波器的被动锁模激光器锁相环的伯德图。
图5为真实微分锁模激光器锁相环与比例-积分环路滤波器的被动锁模激光器锁相环的伯德图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，微分锁模激光器锁相环包括：
光电探测器，用于使锁模激光器输出的光脉冲信号转化成电信号；
带通滤波器，用于滤掉电信号中的噪声形成微波信号；
鉴相器，用于将带通滤波器输出的微波信号与输入其的频率参考信号进行混频，生成中频相位误差信号；
比例-积分环路滤波器，用于消除中频相位误差信号中的高频分量；
微分环路滤波器模块，用于通过引入超前的相位量实现对消除高频分量的相位误差信号进行相位滞后补偿，输出误差信号；
压控振荡器，用于输出受控的光脉冲信号，并在经过相位滞后补偿后的误差信号的控制下，输出重复频率的光脉冲信号，并使带通滤波器输出的微波信号与频率参考信号正交。
其中，微分环路滤波器模块补偿了由压控振荡器带来的相位滞后，从而将锁相环锁定带宽上限提升一个数量级以上，在保证锁相环稳定性的同时大幅拓展了其锁相带宽的提升空间。
本方案中压控振荡器包括：
高压驱动器，用于调整电压，使相位滞后补偿后的误差信号转变成高压信号；
压电换能器，用于接收高压驱动器的高压信号，并通过改变锁模激光器的腔长改变锁模激光器的输出脉冲频率；
锁模激光器，用于在压电换能器输出的高压信号的控制下输出重复频率的光脉冲信号。
压电换能器为压电陶瓷，微分环路滤波器模块包括两个依次连接的微分环路滤波器。
如图3所示，本方案中微分锁模激光器锁相环的传递原理为：
光电探测器和带通滤波器将锁模激光器输出的光脉冲信号转换为微波信号；探测到的微波信号通过鉴相器和输入的频率参考信号进行混频，进而生成中频相位误差信号；中频相位误差信号通过比例-积分环路滤波器消除不需要的高频分量；再经过两个微分环路滤波器补偿相位滞后，比例-积分环路滤波器与两个微分环路滤波器传递函数为：
Figure BDA0002039999140000051
其中，kp为环路滤波器的比例增益，Ti为积分时间常数，TD1和TD2是两个微分环路滤波器的时间常数。
根据标准锁相环的理论，微分锁模激光器锁相环的环路增益为：
Figure BDA0002039999140000052
其中，Θe(s)为中频相位误差信号的相位差，Θi(s)和Θo(s)分别为输入参考信号和锁模激光器输出的光脉冲信号的相位参数，c为光纤中光速，n为锁模激光器输出的光脉冲信号的n次谐波，ko为高压驱动器和压电换能器的调节增益，kd为鉴相器增益，To为限制锁相环带宽的高压驱动器和压电换能器的时间延迟，Lo为激光腔长度，F(s)为环路滤波器的传递函数；
S5：将F(s)代入G(s)中得到最终的锁相环路增益：
Figure BDA0002039999140000053
其中，k＝2πcnkokdkp。
最终的锁相环增益G(s)表明，本锁相环为一个三阶控制系统，通过引入TD1和TD2以补偿由压电换能器及其高压驱动器带来的相位滞后，通过对比现有技术中只含有比例-积分环路滤波器的被动锁模激光器锁相环环路增益的仿真图，对比仿真结果如图4所示，仿真参数为：n＝10、ko为10-5m/V、kd为10-1V/rad、Lo为c/(100×106Hz)，Ti为10-2s、To为10-4s、TD1为10-4s、TD2为10-6s、kp为20。
如图4(a)所示，只含有比例-积分环路滤波器的被动锁模激光器锁相环环路增益，由该增益幅值曲线可知其锁定带宽约为3kHz，但是其带宽上限也约为3kHz。这种情况下锁相环处于非稳定状态，有可能引发振荡或失锁。
如图4(b)所示，本方案运用了双重微分环路滤波器的锁相环的环路增益，当kp值为20时，其锁定带宽约为3kHz，而从环路增益相位曲线可以看出其相位滞后在100Hz至100kHz内均小于135度，因此其带宽上限高达100kHz，说明对于kp值为20的情况下本专利提出的基于双重微分环路滤波器锁相环依然处于稳定状态；仿真结果说明带有双重微分环路滤波器的锁相环的带宽上限获得了极大的提升。
此外，通过构建真实微分锁模激光器锁相环，可以测试得出其实际环路增益和相位。实际微分锁模激光器锁相环中的锁模激光器为重复频率为100MHz的被动偏振-腔外脉冲锁模(P-APM)掺铒光纤激光器，其10次谐波(1GHz)与高稳微波发生器(Agilent E8257D)锁定。该环路滤波器带有两个微分项的改进型环路滤波器，两个积分项的截至频率分别为10kHz和1MHz。实际锁相环的参数与图4中仿真中所用参数一致。当锁相回路闭环时，即可测量其环路增益；其结果如图5所示。
如图5(a)所示，给出了现有技术中仅含有比例-积分环路滤波器的被动锁模激光器锁相环环路增益。如图5(a)可以看出，仅含有比例-积分环路滤波器的被动锁模激光器锁相环的锁定带宽和带宽上限均约为3kHz，其kp值为20，这种情况下该锁相环处于不稳定状态，如果继续增加环路滤波器比例增益很有可能导致锁相环振荡或失锁。
如图5(b)所示，为本方案运用了双重微分环路滤波器的锁相环的环路增益。该微分锁模激光器锁相环中的kp值分别为20和60，可以看出由于微分环路滤波器带来的补偿效应使得其相位滞后在30kHz以下均小于135度，说明其带宽上限被提升至30kHz，因此即使其kp值由20增加到60时，该锁相环依然处于稳定状态，其锁定带宽分别为3kHz和10kHz。可以预见即使继续提高环路滤波器比例增益直到锁定带宽达到带宽上限30kHz之前，该锁相环依然能保持稳定。
本发明提出了多重微分环路滤波器锁相环的方案，在锁相环中通过两个或多个微分环路滤波器补偿由压电换能器和高压驱动器带来的相位滞后；从而将锁相环带宽上限提升一个数量级以上，在保证锁相环稳定性的同时大幅拓展了其锁相带宽的提升空间。

Claims (1)

1.一种微分锁模激光器锁相环，其特征在于，包括：
光电探测器，用于使锁模激光器输出的光脉冲信号转化成电信号；
带通滤波器，用于滤掉电信号中的噪声形成微波信号；
鉴相器，用于将带通滤波器输出的微波信号与输入其的频率参考信号进行混频，生成中频相位误差信号；
比例-积分环路滤波器，用于消除中频相位误差信号中的高频分量；
微分环路滤波器模块，用于通过引入超前的相位量实现对消除高频分量的相位误差信号进行相位滞后补偿，输出误差信号；
压控振荡器，用于输出受控的光脉冲信号，并在经过相位滞后补偿后的误差信号的控制下，输出重复频率的光脉冲信号，并使带通滤波器输出的微波信号与频率参考信号正交；
所述压控振荡器包括：
高压驱动器，用于调整电压，使相位滞后补偿后的误差信号转变成高压信号；
压电换能器，用于接收高压驱动器的高压信号，并通过改变锁模激光器的腔长改变锁模激光器的输出脉冲频率；
锁模激光器，用于在压电换能器输出的高压信号的控制下输出重复频率的光脉冲信号；
所述压电换能器为压电陶瓷；所述微分环路滤波器模块包括两个依次连接的微分环路滤波器。
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