基于锁相环芯片的锁模激光器稳频方法-论文.pdf

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1、第47卷第3期南开大学学报(自然科学版)Vo1．47No_32014年6月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisNankaiensisJun．2014文章编号：0465—7942(2014)030102—05基于锁相环芯片的锁模激光器稳频方法向坤，吴虹，陈乐，李子或，田旭生，林鹏(南开大学电子信息与光学工程学院，天津300071)摘要：提出了一种基于锁相环芯片的方法对作为光源的锁模激光器脉冲重复频率进行锁定，以提高射频拉远系统中光纤链路传输信号的频率稳定度．在分

2、析了由锁相环芯片和锁模激光器构成的锁相环模型的基础上，分别设计和制作了工作于100MHz和900MHz的稳频电路，并在实验室环境下对脉冲重复频率约为100MHz的锁模激光器进行了测试．测试表明，脉冲重复频率的频率稳定度可达到1o，并且工作于900MHz的稳频电路性能优于100MHz．可以利用集成度较高的锁相环芯片，简单高效地提高锁模激光器的频率稳定度．关键词：锁相环；锁模激光器；频率稳定度中图分类号：TN913．7文献标识码：A0引言在射频拉远系统中，作为光源的锁模激光器是其中的关键部件．因为环境温

3、度变化或者压力变化等，引起锁模激光器腔长发生改变，从而导致脉冲重复频率不稳定，结果使得频率稳定度恶化．为保证锁模激光器能够提供具有更高频率稳定度的时钟信号，一些激光稳频的方法被不断提出[133．其中，应用PZT(压电陶瓷)的锁相环方法是一种非常有效的方法[4]．它利用外部频率合成器产生的射频信号为参考，与锁模激光器输出后经过处理的信号混频，以得到误差信号来控制激光器输出脉冲频率．基于一般的锁相环方法，加入PID(比例一积分一微分)控制方式的稳频方法也得到更多的应用[7．提出一种基于锁相环芯片的稳频方

4、法，直接利用集成度较高的锁相环芯片，只需要10MHz参考源为基准，省去了用于产生射频信号的频率合成器以及产生误差信号的混频器，简单高效地实现稳频功能．首先介绍了锁相环模型和稳频的过程及原理，然后阐述了稳频电路的设计和各部分工作原理，最后给出实验结果验证了该方法的有效性．1锁相环模型锁相环广泛应用于现代通信系统中，能够得到高稳定度的频率输出．系统中，采用锁模激光器输出具有重复频率约为100MHz的光脉冲信号．为得到具有高稳定度的本地激光脉冲，采用了高精度锁相环电路，将脉冲重复频率锁定到铷钟．锁相环包含

5、3个必不可少的单元电路：鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)．鉴相器将周期性输入信号相位与VCO的相位进行比较；PD的输出信号是这2个信号相位误差的度量；之后，该误差电压由LF进行滤波，而LF的输出被用作控制电压送入VCO．控制电压改变VCO的频率，以减小输入信号和VCO之间的相位误差_l．收稿日期：2O13—10—12基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20110031110028)，天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目(13JCZDJC26000)作者简介：向坤(1

6、988一)，男，湖南泪罗人，博士研究生，研究方向：无线通信技术．通讯作者：吴虹(1967一)，女，天津人，教授，研究方向：无线通信技术．E—mail：wuhong@nankai．edu．cn第3期向坤等：基于锁相环芯片的锁模激光器稳频方法·1O3·利用PZT控制补偿锁模光纤激光器的腔长漂移，可实现锁模光纤激光器的稳定工作_】．由锁相环芯片和锁模激光器构成的锁相环模型如图1所示．其中，锁模激光器的腔长受到PZT的控制．当PZT上的外加电压变化，将引起激光器腔长的变化，从而改变脉冲重复频率．因此，PZT

7、和锁模激光器整体可图1锁相环模型Fig．1Phase-lockedloopmodel看作一个电压和频率成反比关系的VCO．频率锁定过程为：激光脉冲经过光电二极管得到重复频率为100MHz的电脉冲信号，然后经过窄带带通滤波器滤出100MHz基频，此基频和铷钟分频后进行数字鉴相并驱动电荷泵后得到误差信号，经过低通滤波器后输出控制电压控制PZT的长度以调整激光脉冲重复频率，最终达到与铷钟频率的锁定．2稳频电路2．1100MHz稳频电路根据由锁相环芯片和锁模激光器构成的锁相环模型，设计了工作频率为100MH

8、z的激光稳频电路．高精度的激光脉冲频率相位锁定对电路的噪声性能有着较高的要求．采用DDS等数字频率合成器等的设计方案，虽然具有设计灵活等优势，但其相位截断噪声、数字频率合成噪声等均会给系统的整体性能带来影响．因此，设计中直接采用了高精度数字鉴频鉴相器件．选用ADI公司的ADF4110作为稳频关键器件．ADF4110是可对参考和输入信号进行可编程分频的PLL频率合成器．它集成了低噪声数字鉴频鉴相器(PFD)和电荷泵，以及可编程的参考分频器．只需外部增加环路滤波器和压控振