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星际自由空间的信息传输要求通信系统能够实现更宽的带宽,更高的数据传输速率和更长的传输距离。与传统的微波通信相比,激光通信具有更大的优势。例如,相干光通信技术可以提高系统的接收灵敏度,增强信号传输的抗干扰能力,非常适合信号的长距离传输,常用于自由空间光通信领域。其中,光锁相环是相干光通信的关键技术,它能实现本振光与信号光的相位同步,具有很大的研究价值。本文针对1064nm BPSK零差相干光通信系统,以宽带光锁相环为研究课题,重点关注光锁相环的捕获性能,希望能够快速地捕获较大的激光差频,本文的主要内容分为以下四个部分:1.介绍了光锁相环技术的研究背景,概述了国内外光锁相环的研究动态;以科斯塔斯光锁相环为结构基础,分析了光锁相环的工作原理,并分别对光锁相环的核心部件及其涉及的关键技术,包括高性能窄线宽的可调激光器,90°光混频器,环路滤波器以及频率辅助捕捉技术,进行了具体的分析。2.对科斯塔斯光锁相环系统进行拉普拉斯域的线性模型分析,通过数学计算和理论推导,设计了一组适合本课题的光锁相环参数;应用Matlab/Simulink软件对科斯塔斯光锁相环系统进行仿真实验研究,仿真实验表明科斯塔斯光锁相环能在80 ms以内捕获1MHz的激光差频,而对100MHz的激光差频就需要很长的时间,验证了光锁相环需要增添辅助频率捕获模块的必要性。通过改变科斯塔斯光锁相环的结构,提出了一种扫描方案来加快频率捕获过程。改进后的仿真系统成功实现了50ms内对7MHz差频的捕获。3.通过比较NPRO激光器温度调谐与PZT调谐的特点,课题先对NPRO激光器温度调谐,使得信号光与本振光的差频处于PZT调谐范围内,再利用PZT调谐实现快速锁相。采用MAX1978芯片设计了NPRO激光器的自动温度控制电路,实验测试该温控系统的温控精度高达0.01℃,温控后信号光与本振光平衡探测后的差频电信号输出波形相对稳定,其频率虽在不断波动,但处于60MHz以内。4.介绍了宽带光锁相环的鉴频捕获原理,并以STC89C51RC单片机为控制核心,设计了宽带鉴频捕获电路。实验测得光锁相环本身的捕捉带为600kHz,锁定状态持续时间约为16 min;而在增添鉴频捕获模块后,环路能够在1 s内快速捕获±60MHz的差频信号,并且此后的锁相状态能持续152 s左右。