Page 97 - 《真空与低温》2026年第1期

94 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

2019 年，日本国家计量研究所 Takumi 等 [65] 提 于 InP 的 OPLL，主从激光器锁定频差高达 6.1 GHz，
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出一种基于 FPGA 和电延迟线实现的 OPLL，用于 环路延迟小于 1.8 ns。相位噪声为 2.0×10 rad /Hz@
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光晶格钟中锁定光频梳和激光器的相位，且能自主 ≥20 kHz，且在 10 GHz 带宽中的残余相位误差方
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保持相位锁定达 30 h。2022 年，德国柏林洪堡大学 差为 0.04 rad 。2017 年，加州大学圣巴巴拉分校
Wiegand 等 [66] 开发了一种基于 FPGA 的多功能激光 Rafin 等 [68] 提出高度集成的 OPLL，如图 13 所示，其
频率稳定工具，适用于实现 OPLL。该工具能优化 由基于 InP 的相干光子接收器、高速反馈电子器件
PID 参数，同时采用的 Auto lock 算法可有效补偿延 和射频合成器组成。主从 SG-DBR 激光器的锁定
迟并处理强抖动信号。该方案无需 CPU 参与而仅 频差大于 16 GHz，两个激光器之间的 rms 相位误差
用单块 FPGA 板完成自动锁定，有利于构建小型化、 测量为 8°。2018 年，英国伦敦大学 Balakier 等 [69]
低功耗的系统。 提出采用 PIC 的 OPLL，能实现 4～12 GHz 频差范
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数字化控制 OPLL 多采用 FPGA 技术，能实现复 围内的稳定锁定。拍频相位噪声为 2.0×10 rad /
杂传递函数且具备远程控制、系统灵活重构等特性， Hz@10 kHz，达到光子集成 OPLL 的顶尖水平。
相较模拟系统优势显著。同时，高度商用化的 FPGA 2022 年，美国桑迪亚国家实验室 Lee 等 [70] 在
平台能降低成本且可移植性强，适配多种原子干涉应 原子干涉仪中应用 PIC 兼容激光系统，其具备光
用。因此，该方案是未来 OPLL 发展的重要方向。 调制、光放大和倍频三大功能且采用 OPLL 稳定拉
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2.4 光路集成方案 曼光。干涉仪重力分辨率测试为 Δg/g = 2.0×10 。
光路集成方案是将传统 OPLL 的分立器件（鉴 2024 年，该团队提出了新型 PIC 激光系统 [71] ，其核
相器等）与激光器通过光子集成技术（PIC）整合在 心是 1 560 nm 的硅光子抑制载波单边带调制器，支
单一芯片上，其基底如磷化铟（InP）、氮化硅等上刻 持单激光器生成多路可调谐相干光通道并能对两
蚀有光通道。 路独立光通道相位锁定。基于此系统的原子干涉
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2011 年，英国伦敦大学 Steed 等 [67] 实现单片集成 仪实测重力加速度为 g≈9.77±0.01 m/s 。

射频
偏置
V reverse
采样光栅分布式布拉格反射1:主激光器 光子集成芯片
多模干涉 相位 偏振
半导体 控制器
吸 后 相位 增益 前 半导体 光放大器 半导体 调制器
收 端 端光放大器 相位 光放大器 光电 多模干涉
区 镜 调谐器 镜 探测器
调制器
采样光栅分布式布拉格反射2:从激光器 相位 相位
调制器 调制器
半导体
吸收区 后端镜 增益前端镜半导体 多模干涉 光放大器
光放大器
ext. 电学频谱
光电二极管 分析仪
环路滤波器 运放 2×2
限幅放大器
隔离器
光学频谱
分析仪

图 13 加州大学圣巴巴拉分校研制的 8°rms 相位误差的光子集成 OPLL
Fig. 13 Photonically integrated OPLL with rms phase error of 8°developed by the University of California，Santa Barbara

综上所述，光路集成方案的 OPLL 在系统尺寸 用于原子干涉的 OPLL 技术体系。为清晰对比各
上实现显著的微型化且功耗更低，但其性能仍落后 类方案在实现方式、核心性能指标及应用特点上
于传统器件，主要是受限于光子集成技术的发展。随 的差异，对上述各类方案实现的 OPLL 进行汇总，
着未来研究的深入，该方案将广泛应用于工程实践。 如表 1 所列。可以看出，模拟鉴相方案多用于要求
综合来看，上述模拟鉴相、数字鉴相、数字化 低相位噪声的场景，数字鉴相方案因精度高且结构
控制及光路集成等主流技术方案，共同构成了当前 灵活而应用广泛，数字化控制方案能实现优良的环