空间激光通信具有速率高、保密性好、功耗低、抗干扰性好等优点,是解决星间高速通信的有效途径。其中,零差相干激光通信因抗干扰能力强、探测灵敏度高等特点,获得广泛应用。光学锁相环作为相干激光通信中的重要环节,主要作用是实现信号光与本振光的频率和相位同步。不同于光纤通信,空间激光通信中受环境变化及通信终端运动的影响,导致信号光与本振光存在频差和相差,影响通信接收与解调。受限于环路机理,在光锁相环中存在大范围捕获与高精度锁相之间的矛盾,同时实现快速大范围的频率捕获和稳定锁相成为建立空间相干激光通信链路的关键。本文根据星间高速激光通信为背景,针对远距离、高速率空间相干激光通信为应用需求,开展了光学锁相环及其快速捕获技术研究。首先,针对光学锁相环中光鉴相器、环路滤波器、光压控振荡器等器件及光锁相环工作原理进行研究,对比分析各种光学锁相环的性能特点和应用场合,本文设计选择灵敏度高、线宽要求低的科斯塔斯环,对其进行宽范围快速捕获光学锁相环系统设计。其次,根据空间零差相干激光通信的特点,分析了光学锁相环捕获原理,研究了多普勒频移对星间激光通信的影响。确立基于频率扫描的快速捕获方案,提出多级复合环路最优控制策略,解决环路大范围捕获与高精度锁相之间的矛盾难题。设计了基于延迟异或门的光鉴相器,以满足大范围捕获时的频相鉴别需求;设计了基于声光移频器的精调谐环,实现高精度相位锁定;设计了基于本振激光器的粗调谐环,通过激光器温度控制抑制温度漂移,实现大范围低频扫描,通过电压调谐实现快速扫描。通过建立复合环路控制模型,对环路参数及补偿函数进行优化设计。最后,搭建实验平台对所设计的光学锁相环系统进行了性能测试。通过对光学锁相环工作机理进行深入研究,提出了光学锁相环多级复合环路控制方法,解决了环路捕获范围与锁相精度之间的矛盾。设计了基于声光移频器与本振激光器的宽范围快速捕获光学锁相环系统。经实验验证,所设计的系统具备10GHz的频差捕获性能(包括多普勒频移、温度漂移、以及激光器特性变化频移等),最大捕获时间小于10s,能够有效补偿±8GHz的多普勒频移。经实验测量系统误码率优于1E-7,验证了所设计系统具备宽频、快速捕获和跟踪能力。