光学锁相环(OPLL)技术是一种利用电反馈控制的方法对光学信号频率及相位进行锁定的技术,其目的是实现两个或多个不同的光载波之间相位的同步。光学锁相环由于其体积小、功耗低、能够主动抑制激光器的相位噪声等特点,在相干光通信、相干光测量、微波光子学和相干功率合成等领域作为关键器件受到了研究人员的高度关注。本文介绍了光学锁相环技术的应用背景、分类和原理等,并且结合两个不同应用背景对光学锁相环技术进行了深入研究。在光频域反射仪(OFDR)中,着重研究了利用外差式光学锁相环实现的宽范围扫频窄线宽激光器。在空间激光通信应用中,着重研究了科斯塔斯光学锁相环在高灵敏度零差接收机中的应用。本文内容包括对OPLL系统进行理论建模、结构设计、系统参数优化、以及实验结果分析等。文章首先从各个子系统对光学锁相环技术进行了理论分析,重点包括:光鉴相器(OPD),环路滤波器和光压控振荡器(OVCO)几个模块。在光鉴相器部分,从零差和外差对光鉴相器进行了分类,比较了不同光鉴相器的特点和应用场合。在环路滤波器部分,利用经典锁相环理论对光学锁相环环路进行建模,从环路带宽、稳态误差、噪声性能和系统稳定性等方面对环路参数进行理论分析和仿真。在光压控振荡器部分,对激光器的不同频率调制方式、调频响应和激光器相位噪声进行比较和分析。最后,本文还对光学锁相环中的其他重要问题如延迟受限环路,复合环路技术以及光相位噪声测量方法进行了研究。在理论分析的基础上,本文针对光频域反射仪的应用,设计和实现了一套基于外差光学锁相环实现的宽范围扫频窄线宽激光器。主要工作包括:关键器件的选型、锁相电路设计和环路参数优化。实验结果表明,使用该发射模块的光频域反射仪系统,能在500 m的测量范围内获得毫米量级的距离分辨率。本文的另一部分实验工作着重于实现基于科斯塔斯光学锁相环的零差接收机。该非线性锁相环路主要应用于实现高灵敏度星间激光通信接收机。本文完成了5 Gbps二进制相移键控(BPSK)接收机设计与优化,实现了本振激光器与信号激光的相位跟踪。实验结果表明,残余相位均方根误差为3.5°,10-9误码率下的灵敏度为-41.4 dBm。