主动锁模光纤激光器的锁相稳定方法
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摘要: 对主动锁模光纤激光器的锁相环路进行了改进, 提出一种通过使用 / 变带宽锁相环0 来改善主动锁模光纤激光器稳定性的方法。该方法主要依据信号误差电压实时控制环路的带宽, 使环路带宽随锁定信号的频率差动态改变, 以达到快速锁定信号的目的, 从而提高锁模光纤激光 器输出光脉冲的频率稳定性。利用 Matlab 软件的 Simulink 功能模块对其实效性进行了仿真验证。 结果表明, 采用该方法, 锁相环的捕捉性能和跟踪性能提高了, 主动锁模光纤激光器的工作稳定 性得到进一步改善。
图 1 锁相反馈主动锁模光纤激光器结构图 Fig11 Structure graph of phase- locked feedback active mode-
locked fiber laser
来自激光器的正弦时钟信号与频率合成器的参
考信号混频, 输出的频率差接近零时, 环路锁定。
图 2 变带宽锁相环结构图 Fig1 2 Structure graph of TBPLL
跨导低通 滤波器由跨导 放大器 g m1、 gm2, 电
容 C、电阻 R 和集成运算放大器 A 等组成混合型结 构。跨导低通滤波器的传递函数为
g( s)=
gm1 Cs+ gm1gm2 gm2 Cs
( 1)
式 中, gm1 = k 1I B1, g m2 = k2I B2, 其 中 k1、 k 2、
I B1、I B2分别为跨导低通滤波器的内部参数和外部
428 半导体技术第 34 卷第 5 期
2009 年 5 月
董姝敏 等: 主动锁模光纤激光器的 锁相稳定方法
控制电流, 只要改变 I B1和 I B2就可改变 gm1和 gm2, 可得环路的闭环传递函数为
H ( s)=
2FXn s + X2n s2+ 2FXn s+ X2n
( 2)
212 动态性能分析
Abstract: Phase- locked circuit in active mode- locked fiber laser was improved. A method was proposed to improve the stability of the mode- locked fiber laser by / transformable bandwidth phase- locked loop0. With this method, loop circuit bandwidth can be rea-l time controlled by signal error voltage, urging bandwidth to change dynamically following margin between input and output frequency, making signal be locked quickly. Frequency stability of output optical impulse was improved thereby. And the practicality are simulated and verified with Simulink funct ion module of Matlab software. The results show that the improved method can enhance capture and synchronize the performance of phase- locked- loop, and increase work stability of mode- locked fiber laser.
但考虑到环路噪声 带宽 Bl , F就不能太大, 采用 变带宽法能够解决这种矛盾。在捕捉初始阶段, 一
般信号频率差较大, 通过调节跨导滤波器的外部控
制电流 I B1 和 I B2, 使 gm1和 gm2实时变化, 使环路 带宽加 大, 快 捕带 $Xl 加 大, 有 利于 快速 捕获, I B1和 I B2的取值由转换函数控制, 可根据具体需要 选取不同形式。当锁住信号后, 由于 I B1和 I B2的控 制作用使 gm1和 gm2恢复到静态值, 带宽随之变窄, 再使 F、 Xn、B l 等 环路各指标同 时满足要求。可 见使用跨导低通滤波器能方便 地改变环路捕 捉带
2 主动锁模光纤激光器锁相电路改进
211 变带宽锁相环的电路结构 目前, 在图 1 的锁相电路中, LF 一般采用传
统的 RC 低通滤波器及其变形结构。本文使用跨导 低通滤波器取代传统 RC 低通滤波器, 实现了变带 宽锁相环的设计, 如图 2 所示。跨导低通滤波器受 DBM 输出信号的 控制, 理想情况下, 该滤波器参 数与跨导 放大器 gm1、g m2 的 增益 值成 线性关 系, 能实时调节锁相环路的相关参数, 而且该结构具有 电路简单、便于单片集成和高频性能好等优点。
Dong Shumin1,2 , Li Yao3 , Qiao Shuang4
( 1. College of Information Technology , Jilin Normal University , Siping 136000, China; 21 College of Underwater A coustic Engineeringபைடு நூலகம், H arbin Engineering University , H arbin 150001, China;
宽, 加速环路捕捉。 变带宽锁相环中跨导低通滤波器的传递函数与
传统有源 RC 低通滤波器的传递函数形式相同, 后
者属于静态设计, 一旦设计完成, 各参数取值就固
定下来, 不能很好地满足环路的动态跟随特性。跨 导低通滤波器弥补了传统有源 RC 低通滤波器的不
足, 不仅可方便地改变环路捕捉带宽, 在很宽的频
率范围内快速捕捉、锁定, 而且能在不加任何辅助
设备的前提下很好地解决环路静态设计和动态捕捉
之间的矛盾问题, 最终使环路性能达到最佳。
3 仿真实验
311 实验方法
关键词: 主动锁模光纤激光器; 变带宽锁相环; 跨导滤波器; 稳定性; 锁相技术 中图分类号: TN253; TN248 文献标识码: A 文章编号: 1003- 353X ( 2009) 05- 0427- 05
Method of Phase-Locked Stability Based on Active Mode- Locked Fiber Laser
3. Physics Department of College, of Sciences , Beihua University , Jilin 132013, China; 4. School of Physics , Northeast N ormal University , Changchun 130024, China)
1 锁相反馈主动锁模光纤激光器
图 1 是锁相反馈锁模光纤激光器的结构[ 7] , 其 中锁相电路由锁相环本身的自振荡回路组成, 由产 生外部时钟信号的频率合成器、高频压控晶体振荡 器 ( VCO) 、双平衡混频器 ( DBM) 及环路滤 波器 ( LF) 四部 分组 成。时 钟提 取电路 由高 速 光探 测 器、频率为 10 GHz 的高 Q ( 1 400) 电介质滤波器 和高增益放大器组成。锁模光纤激光器本身起光电 压控制振荡器的作 用, 光纤腔 的一部分被缠 绕在 PZT 上, 腔长随加在 PZT 上控制电压而改变, 激光 器的输出脉冲频率也就随其改变。
对于高增益二阶锁相环路有: 自然频率 Xn =
K
g m1 C
;
环路增益K = K dK og ( 0 ) ;
阻尼系数 FU
1 2g m2
KCgm1 =
2
Kg m1 gm2 Xn
;
快捕带 $ Xl = 2FXn;
环路
噪声带宽 B l =
Xn 2
( F+
41F) ;
捕捉时 间 T p = $X/
2 FX3n。可见要增大快捕带 $Xl, 可以增大 F或 Xn,
Key words: act ive mode- locked fiber laser; transformable bandwidth phase- locked loop; tranconductance filter; stability; phase- locked technology
EEACC: 4320F; 4320J
doi: 1013969/ j1issn11003- 353x120091051008
技术专栏
Technology Column
主动锁模光纤激光器的锁相稳定方法
董姝敏1, 2, 李尧3, 乔双4
( 11 吉林师范大学 信息技术学院, 吉林 四平 136000; 21 哈尔滨工程大学 水声工程学院, 哈尔滨 150001; 31 北华大学 理学院 物理系, 吉林 吉林 132013; 41 东北师范大学 物理学院, 长春 130024)
0 引言
在光纤通信技术中, 主动锁模掺铒光纤激光器 因能工作在光纤通信的最低损耗窗口而备受青睐。 但目前, 主动锁模光纤激光器腔内存在短期和长期
基金项目: 国家 863 高技术发展计 划项目 ( 2002AA632080) ; 吉林省自然科学基金资助项目 ( 20050705- 6)
不稳定性, 导致其工作稳定性差, 这是制约其应用 的一个主要因素。长期不稳定性的危害与短期不稳 定性相比更加严重。短期不稳定性只是在脉冲幅度 及时间上的抖动, 脉冲波形依然存在, 在实际通信 系统中表现为误码率增加; 而造成长期不稳定性的 因素, 如等效腔长的漂移和微波频率的漂移, 虽然 变化缓慢但一旦失谐量达到一定程度, 激光器将完 全失锁, 导致脉冲崩溃消失, 在实际通信系统中表
为了从激光器中获得期望输出脉冲, 激光器输出光 束的一部分被耦合到时钟提取电路中, 经过相位控 制器调节 后, 射频信号 被放大, 再 反馈到 LiNbO3 强度调制器中, 实现锁相反馈锁模。如果激光器的 时钟信号与频率合成器的参考信号存在相位差, 通 过锁相环路的锁相作用及 PZT 对激光器光纤腔长的 调节作用, 激光器本身自动移相, 使其输出信号与 参考信号同频同相。一旦激光器系统被锁定, 输出 信号的频率会准确跟踪参 考信号频率, 使相位差 5 e ( t ) He ( t ) 恒为零, 这样在合成器的稳定范围 内, 输出脉冲频率被锁相环稳定在合成器的时钟频 率的稳定度上, 因此输出脉冲的频率稳定性与频率 合成器的稳定性相同。如此反复调节就可以使激光 器输出光脉冲的重复频率始终保持不变, 实现激光 器的长时间稳定工作, 克服由于腔长变化引起的长 期不稳定性, 从而改善激光器的稳定性[ 8] 。
May 2009
Semiconductor Technology Vol134 No15 427
董姝敏 等: 主动锁模光纤激光器的锁相稳定方法
现为通信中断[ 1] 。为使主动锁模光纤激光器长期稳 定运转, 如何稳定腔长成为保证主动锁模光纤激光 器稳定工作的关键[ 2] , 也是国内外研究的热点。
目前采用再生锁模技术稳定主动锁模激光器的 腔长, 是提高光纤激光器稳定性的一种行之有效的 方法[ 3-4] , 在此基础上发展了利用压电陶瓷 ( PZT ) 改变光纤腔长的锁相控制技术。该技术是在主动锁 模光纤激光器中加入锁相控制电路。该锁相控制电 路可将误差信号以闭环反馈的 形式反馈到激 光腔 内, 从而稳定控制谐振腔的光学长度以克服腔长失 谐[ 5- 6] 。为克服传统锁相技术的捕获、锁定速度慢 和噪声大等缺点, 提出了一种变带宽的锁相稳定方 法 ) ) ) 变带宽锁相环 ( transformable bandwidth phaselocked loop, TBPLL) 可实 时监控 激光器 的输出 信 号, 实时改变环路捕捉带宽, 当输出信号的频率变 化时, 锁相环能及时将其牵引到期望频率点上, 实 现在频率差较大的范围内快速捕捉和锁定信号, 从 而提高主动锁模光纤激光器的稳定性。
图 1 锁相反馈主动锁模光纤激光器结构图 Fig11 Structure graph of phase- locked feedback active mode-
locked fiber laser
来自激光器的正弦时钟信号与频率合成器的参
考信号混频, 输出的频率差接近零时, 环路锁定。
图 2 变带宽锁相环结构图 Fig1 2 Structure graph of TBPLL
跨导低通 滤波器由跨导 放大器 g m1、 gm2, 电
容 C、电阻 R 和集成运算放大器 A 等组成混合型结 构。跨导低通滤波器的传递函数为
g( s)=
gm1 Cs+ gm1gm2 gm2 Cs
( 1)
式 中, gm1 = k 1I B1, g m2 = k2I B2, 其 中 k1、 k 2、
I B1、I B2分别为跨导低通滤波器的内部参数和外部
428 半导体技术第 34 卷第 5 期
2009 年 5 月
董姝敏 等: 主动锁模光纤激光器的 锁相稳定方法
控制电流, 只要改变 I B1和 I B2就可改变 gm1和 gm2, 可得环路的闭环传递函数为
H ( s)=
2FXn s + X2n s2+ 2FXn s+ X2n
( 2)
212 动态性能分析
Abstract: Phase- locked circuit in active mode- locked fiber laser was improved. A method was proposed to improve the stability of the mode- locked fiber laser by / transformable bandwidth phase- locked loop0. With this method, loop circuit bandwidth can be rea-l time controlled by signal error voltage, urging bandwidth to change dynamically following margin between input and output frequency, making signal be locked quickly. Frequency stability of output optical impulse was improved thereby. And the practicality are simulated and verified with Simulink funct ion module of Matlab software. The results show that the improved method can enhance capture and synchronize the performance of phase- locked- loop, and increase work stability of mode- locked fiber laser.
但考虑到环路噪声 带宽 Bl , F就不能太大, 采用 变带宽法能够解决这种矛盾。在捕捉初始阶段, 一
般信号频率差较大, 通过调节跨导滤波器的外部控
制电流 I B1 和 I B2, 使 gm1和 gm2实时变化, 使环路 带宽加 大, 快 捕带 $Xl 加 大, 有 利于 快速 捕获, I B1和 I B2的取值由转换函数控制, 可根据具体需要 选取不同形式。当锁住信号后, 由于 I B1和 I B2的控 制作用使 gm1和 gm2恢复到静态值, 带宽随之变窄, 再使 F、 Xn、B l 等 环路各指标同 时满足要求。可 见使用跨导低通滤波器能方便 地改变环路捕 捉带
2 主动锁模光纤激光器锁相电路改进
211 变带宽锁相环的电路结构 目前, 在图 1 的锁相电路中, LF 一般采用传
统的 RC 低通滤波器及其变形结构。本文使用跨导 低通滤波器取代传统 RC 低通滤波器, 实现了变带 宽锁相环的设计, 如图 2 所示。跨导低通滤波器受 DBM 输出信号的 控制, 理想情况下, 该滤波器参 数与跨导 放大器 gm1、g m2 的 增益 值成 线性关 系, 能实时调节锁相环路的相关参数, 而且该结构具有 电路简单、便于单片集成和高频性能好等优点。
Dong Shumin1,2 , Li Yao3 , Qiao Shuang4
( 1. College of Information Technology , Jilin Normal University , Siping 136000, China; 21 College of Underwater A coustic Engineeringபைடு நூலகம், H arbin Engineering University , H arbin 150001, China;
宽, 加速环路捕捉。 变带宽锁相环中跨导低通滤波器的传递函数与
传统有源 RC 低通滤波器的传递函数形式相同, 后
者属于静态设计, 一旦设计完成, 各参数取值就固
定下来, 不能很好地满足环路的动态跟随特性。跨 导低通滤波器弥补了传统有源 RC 低通滤波器的不
足, 不仅可方便地改变环路捕捉带宽, 在很宽的频
率范围内快速捕捉、锁定, 而且能在不加任何辅助
设备的前提下很好地解决环路静态设计和动态捕捉
之间的矛盾问题, 最终使环路性能达到最佳。
3 仿真实验
311 实验方法
关键词: 主动锁模光纤激光器; 变带宽锁相环; 跨导滤波器; 稳定性; 锁相技术 中图分类号: TN253; TN248 文献标识码: A 文章编号: 1003- 353X ( 2009) 05- 0427- 05
Method of Phase-Locked Stability Based on Active Mode- Locked Fiber Laser
3. Physics Department of College, of Sciences , Beihua University , Jilin 132013, China; 4. School of Physics , Northeast N ormal University , Changchun 130024, China)
1 锁相反馈主动锁模光纤激光器
图 1 是锁相反馈锁模光纤激光器的结构[ 7] , 其 中锁相电路由锁相环本身的自振荡回路组成, 由产 生外部时钟信号的频率合成器、高频压控晶体振荡 器 ( VCO) 、双平衡混频器 ( DBM) 及环路滤 波器 ( LF) 四部 分组 成。时 钟提 取电路 由高 速 光探 测 器、频率为 10 GHz 的高 Q ( 1 400) 电介质滤波器 和高增益放大器组成。锁模光纤激光器本身起光电 压控制振荡器的作 用, 光纤腔 的一部分被缠 绕在 PZT 上, 腔长随加在 PZT 上控制电压而改变, 激光 器的输出脉冲频率也就随其改变。
对于高增益二阶锁相环路有: 自然频率 Xn =
K
g m1 C
;
环路增益K = K dK og ( 0 ) ;
阻尼系数 FU
1 2g m2
KCgm1 =
2
Kg m1 gm2 Xn
;
快捕带 $ Xl = 2FXn;
环路
噪声带宽 B l =
Xn 2
( F+
41F) ;
捕捉时 间 T p = $X/
2 FX3n。可见要增大快捕带 $Xl, 可以增大 F或 Xn,
Key words: act ive mode- locked fiber laser; transformable bandwidth phase- locked loop; tranconductance filter; stability; phase- locked technology
EEACC: 4320F; 4320J
doi: 1013969/ j1issn11003- 353x120091051008
技术专栏
Technology Column
主动锁模光纤激光器的锁相稳定方法
董姝敏1, 2, 李尧3, 乔双4
( 11 吉林师范大学 信息技术学院, 吉林 四平 136000; 21 哈尔滨工程大学 水声工程学院, 哈尔滨 150001; 31 北华大学 理学院 物理系, 吉林 吉林 132013; 41 东北师范大学 物理学院, 长春 130024)
0 引言
在光纤通信技术中, 主动锁模掺铒光纤激光器 因能工作在光纤通信的最低损耗窗口而备受青睐。 但目前, 主动锁模光纤激光器腔内存在短期和长期
基金项目: 国家 863 高技术发展计 划项目 ( 2002AA632080) ; 吉林省自然科学基金资助项目 ( 20050705- 6)
不稳定性, 导致其工作稳定性差, 这是制约其应用 的一个主要因素。长期不稳定性的危害与短期不稳 定性相比更加严重。短期不稳定性只是在脉冲幅度 及时间上的抖动, 脉冲波形依然存在, 在实际通信 系统中表现为误码率增加; 而造成长期不稳定性的 因素, 如等效腔长的漂移和微波频率的漂移, 虽然 变化缓慢但一旦失谐量达到一定程度, 激光器将完 全失锁, 导致脉冲崩溃消失, 在实际通信系统中表
为了从激光器中获得期望输出脉冲, 激光器输出光 束的一部分被耦合到时钟提取电路中, 经过相位控 制器调节 后, 射频信号 被放大, 再 反馈到 LiNbO3 强度调制器中, 实现锁相反馈锁模。如果激光器的 时钟信号与频率合成器的参考信号存在相位差, 通 过锁相环路的锁相作用及 PZT 对激光器光纤腔长的 调节作用, 激光器本身自动移相, 使其输出信号与 参考信号同频同相。一旦激光器系统被锁定, 输出 信号的频率会准确跟踪参 考信号频率, 使相位差 5 e ( t ) He ( t ) 恒为零, 这样在合成器的稳定范围 内, 输出脉冲频率被锁相环稳定在合成器的时钟频 率的稳定度上, 因此输出脉冲的频率稳定性与频率 合成器的稳定性相同。如此反复调节就可以使激光 器输出光脉冲的重复频率始终保持不变, 实现激光 器的长时间稳定工作, 克服由于腔长变化引起的长 期不稳定性, 从而改善激光器的稳定性[ 8] 。
May 2009
Semiconductor Technology Vol134 No15 427
董姝敏 等: 主动锁模光纤激光器的锁相稳定方法
现为通信中断[ 1] 。为使主动锁模光纤激光器长期稳 定运转, 如何稳定腔长成为保证主动锁模光纤激光 器稳定工作的关键[ 2] , 也是国内外研究的热点。
目前采用再生锁模技术稳定主动锁模激光器的 腔长, 是提高光纤激光器稳定性的一种行之有效的 方法[ 3-4] , 在此基础上发展了利用压电陶瓷 ( PZT ) 改变光纤腔长的锁相控制技术。该技术是在主动锁 模光纤激光器中加入锁相控制电路。该锁相控制电 路可将误差信号以闭环反馈的 形式反馈到激 光腔 内, 从而稳定控制谐振腔的光学长度以克服腔长失 谐[ 5- 6] 。为克服传统锁相技术的捕获、锁定速度慢 和噪声大等缺点, 提出了一种变带宽的锁相稳定方 法 ) ) ) 变带宽锁相环 ( transformable bandwidth phaselocked loop, TBPLL) 可实 时监控 激光器 的输出 信 号, 实时改变环路捕捉带宽, 当输出信号的频率变 化时, 锁相环能及时将其牵引到期望频率点上, 实 现在频率差较大的范围内快速捕捉和锁定信号, 从 而提高主动锁模光纤激光器的稳定性。