CN113394652B - 一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法及系统，本发明采用开关鉴相的方案，增大误差信号识别的动态范围，使光频梳的重复频率锁定系统不易失锁。利用快PI控制器控制光学系统内的EOM实现几十Hz范围，MHz带宽的高速控制，提高重复频率锁定的短期稳定度；利用慢PI控制器控制光学系统内的PZT实现几kHz范围几十kHz带宽的中速控制，提高重复频率锁定的中长期稳定度；利用超慢PI控制器控制光学系统腔体的温度，实现几十kHz范围低于1Hz带宽的低速控制，提高重复频率锁定的长期稳定度。

Description

一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法及系统
技术领域
本发明属于频率控制领域，具体涉及一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法及系统。
背景技术
光频梳作为一个光学频和射频频率链接的重要手段，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将微波原子频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，在光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中有广泛的应用空间。
光频梳重复频率的高精度锁定是光频梳应用的基础。针对光频梳的重复频率锁定，存在锁定带宽低，锁定范围小的问题。虽然目前已有当系统超出控制范围时采用重新设定工作温度、电流、泵浦光功率等参数来增加锁定范围的方法，但这种方法是被动补偿，往往存在阶跃变化，影响系统锁定的稳定性，如果补偿不及时还可能导致系统失锁，对光频梳系统的稳定性不利。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法及系统，采用开关鉴相的方案，增大误差信号识别的动态范围。
为了达到上述目的，一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法，包括以下步骤：
S1，光频梳光学系统输出包含重频信号频率相位信息的光信号，将光信号转化为电信号；
S2，将电信号放大后送入开关鉴相器，开关鉴相器接入参考频率信号，开关鉴相器输出具有正负极性的占空比信号；
S3，将占空比信号滤波后得到误差信号；
S4，通过误差信号控制光频梳光学系统中的EOM和慢PI控制器；
S5，通过慢PI控制器的输出信号控制光频梳光学系统中的PZT和超慢PI控制器；
S6，通过超慢PI控制器的输出信号控制光学系统腔体的温度。
S1中，包含重频信号频率相位信息的光信号为光频梳的重复脉冲光信号，或是光频梳光信号与单频激光器合束准备进行拍频的光信号。
S2中，开关鉴相器将电信号和参考频率信号的相位差转化为具有正负极性占空比信号。
S4中，通过控制光频梳光学系统中的EOM能够实现对光频梳重复频率小范围高带宽的控制，重复频率控制范围为标称频率值的0.1ppm～0.2ppm，光频梳重复频率高带宽为50kHz～1MHz。
S5中，通过控制光频梳光学系统中的PZT实现对光频梳重复频率中范围中带宽的控制，重复频率控制范围为标称频率值的1ppm～10ppm，带宽为200Hz～20kHz。
S6中，控制光学系统腔体的温度控制范围在10～15℃之间。
S6中，超慢PI控制器对重复频率控制的范围为标称频率值的10ppm～100ppm，带宽为0.1Hz～0.001Hz。
一种采用光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法的系统，包括光频梳光学系统，光频梳光学系统连接光电探测器，光电探测器连接带通放大器，带通放大器连接开关鉴相器，开关鉴相器接入参考频率，开关鉴相器连接低通滤波器，低通滤波器连接快PI控制器，快PI控制器连接光频梳光学系统的EOM和慢PI控制器，慢PI控制器连接光频梳光学系统的PZT和超慢PI控制器，超慢PI控制器连接光学腔体控温模块。
与现有技术相比，本发明采用开关鉴相的方案，增大误差信号识别的动态范围，使光频梳的重复频率锁定系统不易失锁。利用快PI控制器控制光学系统内的EOM(电光调制器)实现几十Hz范围，MHz带宽的高速控制，提高重复频率锁定的短期稳定度；利用慢PI控制器控制光学系统内的PZT(压电陶瓷)实现几kHz范围几十kHz带宽的中速控制，提高重复频率锁定的中长期稳定度；利用超慢PI控制器控制光学系统腔体的温度，实现几十kHz范围低于1Hz带宽的低速控制，提高重复频率锁定的长期稳定度。实验表明，本发明可实现优于1E-14/s的射频锁定稳定度，优于5E-18/s的光频锁定稳定度，并可连续锁定超过2个月，以及在模拟运输振动的环境下不失锁。
本发明的系统将快PI控制器、慢PI控制器和超慢PI控制器以串行级联形式连接，超慢PI具有几十kHz量级的大范围能力，保证了快PI和慢PI的控制信号不会超出其各自的控制范围，保证了系统可以长期运行不失锁。这三个PI控制器在带宽上实现了接近全带宽的闭环控制，提高了光频梳重复频率锁定的稳定度；这三个PI控制器在控制范围上相互配合，实现了光频梳重复频率百kHz的动态控制，提高了调节能力能适应更恶劣的工作环境，在提高系统指标的同时增强系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明的系统包括光频梳光学系统，光频梳光学系统连接光电探测器，光电探测器连接带通放大器，带通放大器连接开关鉴相器，开关鉴相器接入参考频率，开关鉴相器连接低通滤波器，低通滤波器连接快PI控制器，快PI控制器连接光频梳光学系统的EOM和慢PI控制器，慢PI控制器连接光频梳光学系统的PZT和超慢PI控制器，超慢PI控制器连接光学腔体控温模块。
本发明的锁定方法包括以下步骤：
1、光频梳光学系统输出的包含重频信号频率相位信息的光信号，经过光电探测器后转化为电信号。
包含重频信号频率相位信息的光信号，可以是光频梳的重复脉冲光信号，也可以是光频梳光信号与单频激光器合束准备进行拍频的光信号。
2、光电探测器输出的电信号经过带通放大后输入到开关鉴相器的一个输入端。参考频率信号输入到开关鉴相器的另一个输入端。
3、开关鉴相器的输出经过低通滤波后得到误差信号。
开关鉴相器是将输入的两个信号的相位差转化为具有正负极性占空比信号。
4、误差信号经过快PI控制器后输出控制信号分为两路，一路用于控制光频梳光学系统中的EOM，实现对光频梳重复频率小范围高带宽的控制；另一路作为慢PI控制器的输入。
光频梳重复频率小范围的控制，控制范围由光学系统的特性决定，一般为重复频率标称值的0.1ppm～0.2ppm左右。光频梳重复频率高带宽的控制，此处带宽由电子学系统的带宽决定，一般可以达到50kHz～1MHz。
5、慢PI控制的输出控制信号分为两路，一路用于控制光频梳光学系统中的PZT，实现对光频梳重复频率中范围中带宽的控制；另一路作为超慢PI控制器的输入。
光频梳重复频率中范围的控制，控制范围由PZT的伸缩形成决定，一般可以达到重复频率标称值的1ppm～110ppm。光频梳重复频率中带宽的控制，此处带宽由PZT的特性决定，一般控制带宽可达到200Hz～20kHz。
6、超慢PI控制的输出控制信号用于控制光学系统腔体的温度，实现大范围低带宽的控制。
光频梳重复频率大范围的控制，控制范围与重复频率受光学系统腔体的温度影响的系数相关，取10～15℃的控温范围比较适宜，一般可以达到重复频率标称值的10ppm～100ppm左右。光频梳重复频率低带宽的控制，此处带宽由光学系统腔体的控温惯性决定，控温惯性越大的带宽越低，一般为0.1Hz～0.001Hz。
至此，实现了光频梳重复频率的宽带大范围精确锁定。
本发明采用开关鉴相的方案，增大误差信号识别的动态范围。利用快PI控制器控制光学系统内的EOM(电光调制器)实现小范围高速的控制，提高重复频率锁定的短期稳定度；利用慢PI控制器控制光学系统内的PZT(压电陶瓷)实现中范围中速的控制，提高重复频率锁定的中长期稳定度；利用超慢PI控制器控制光学系统腔体的温度，实现大范围低速的控制，提高重复频率锁定的长期稳定度。

Claims (8)

1.一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，光频梳光学系统输出包含重频信号频率相位信息的光信号，将光信号转化为电信号；
S2，将电信号放大后送入开关鉴相器，开关鉴相器接入参考频率信号，开关鉴相器输出具有正负极性的占空比信号；
S3，将占空比信号滤波后得到误差信号；
S4，通过误差信号控制光频梳光学系统中的EOM和慢PI控制器；
S5，通过慢PI控制器的输出信号控制光频梳光学系统中的PZT和超慢PI控制器；
S6，通过超慢PI控制器的输出信号控制光学系统腔体的温度。
2.根据权利要求1所述的一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法，其特征在于，S1中，包含重频信号频率相位信息的光信号为光频梳的重复脉冲光信号，或是光频梳光信号与单频激光器合束准备进行拍频的光信号。
3.根据权利要求1所述的一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法，其特征在于，S2中，开关鉴相器将电信号和参考频率信号的相位差转化为具有正负极性占空比信号。
4.根据权利要求1所述的一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法，其特征在于，S4中，通过控制光频梳光学系统中的EOM能够实现对光频梳重复频率小范围高带宽的控制，重复频率控制范围为标称频率值的0.1ppm～0.2ppm，光频梳重复频率带宽为50kHz～1MHz。
5.根据权利要求1所述的一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法，其特征在于，S5中，通过控制光频梳光学系统中的PZT实现对光频梳重复频率中范围中带宽的控制，重复频率控制范围为标称频率值的1ppm～10ppm，带宽为200Hz～20kHz。
6.根据权利要求1所述的一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法，其特征在于，S6中，光学系统腔体的温度控制范围在10～15℃之间。
7.根据权利要求1所述的一种光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法，其特征在于，S6中，超慢PI控制器对重复频率控制的范围为标称频率值的10ppm～100ppm，带宽为0.1Hz～0.001Hz。
8.权利要求1所述的一种采用光频梳重复频率的宽带大范围锁定方法的系统，其特征在于，包括光频梳光学系统，光频梳光学系统连接光电探测器，光电探测器连接带通放大器，带通放大器连接开关鉴相器，开关鉴相器接入参考频率，开关鉴相器连接低通滤波器，低通滤波器连接快PI控制器，快PI控制器连接光频梳光学系统的EOM和慢PI控制器，慢PI控制器连接光频梳光学系统的PZT和超慢PI控制器，超慢PI控制器连接光学腔体控温模块。
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