CN105721051A - 基于2×2 180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置 - Google Patents

基于2×2 180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置 Download PDF

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Abstract

一种基于2×2 180°光学桥接器的用于自由空间相干光通信的探测装置，包括可调谐本振激光光源、调制器、压控振荡器、信号光光源、光滤波器、2×2 180°自由空间光学桥接器、平衡探测器、环路滤波器和信号接收器。本发明通过可调谐本振激光光源和压控振荡器同时跟踪信号光的相位变化，压控振荡器反应灵敏，可调谐本振激光光源调谐范围大，两者结合能够快速跟踪信号光相位变化实现相位锁定；本装置对相位调制引起的相位偏差要求很低，系统易于调节。当发射机发射二进制相移键控(BPSK)信号时，接收机可以快速的实现基带信号解调。

Description

基于2×2 180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置
技术领域
本发明涉及一种基于2×2180°光学桥接器的用于自由空间相干光通信的探测装置。
背景技术
自由空间相干光通信技术以其高接收灵敏度的优势,受到人们的广泛关注，但其系统存在复杂的问题，尤其是高速大范围可调谐本振光源难以实现，于是我们开展了基于改进的2×2180°光学桥接器系统的研究。这将对大范围、高带宽的自由空间相干光通信具有非常重要的意义。
现有技术[1](LeonidG.Kazovsky,BalancedPhase-LockedLoopsforOpticalHomodyneReceivers:PerformanceAnalysis,DesignConsiderations,andLaserLinewidthRequirements[J],IEEEJournalofLightwaveTechnology,1986,4(2):182～195)表明基于决策驱动的光学零差接收器最大可允许的激光线宽为Δv＝3.1×10-4Rb，环噪声带宽的最优值为Bopt＝[4.72ΔvRkPS/q]1/2；现有技术[2](LeonidG.Kazovsky,Decision-drivenphase-lockedloopforopticalhomodynereceivers:Performanceanalysisandlaserlinewidthrequirements[J],IEEEJournalofLightwaveTechnology,1985,3(6):1238～1247)表明基于决策驱动的光学零差接收器最大可允许的激光线宽为Δv＝5.9×10-6Rb,环噪声带宽的最优值为以上两种接收器都凭借着各自的优势,受到人们的广泛关注，但是都有一个共同的缺点，即高速大范围可调谐本振光源难以实现。于是我们开展了基于改进的2×2180°光学桥接器的探测系统的研究，这将对大范围、高带宽的自由空间相干光通信具有非常重要的意义。
发明内容
本发明针对星间或星地相干激光通信中的应用背景，提出了一种基于2×2180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置。可调谐本振激光光源和压控振荡器同时跟踪信号光的相位变化，利用压控振荡器反应灵敏和可调谐本振激光光源调谐范围大的优势，能够快速跟踪信号光相位变化实现相位锁定。当发射机发射二进制相移键控(BPSK)信号时，接收机可以快速的实现基带信号解调。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于2×2180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置，其构成包括可调谐本振激光光源、调制器、压控振荡器、信号光光源、光滤波器、2×2180°自由空间光学桥接器、平衡探测器、环路滤波器和信号接收器；
所述的可调谐本振激光光源的输出端与所述的调制器的第一输入端相连，所述的压控振荡器的输出端与所述的调制器的第二输入端相连，所述的调制器的输出端与所述的光滤波器的输入端相连，该光滤波器的输出端与所述的2×2180°自由空间光学桥接器的第一输入端相连，所述的信号光光源的输出端与所述的2×2180°自由空间光学桥接器的第二输入端相连，该2×2180°自由空间光学桥接器的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器的第一输入端和第二输入端相连，该平衡探测器的输出端分别与所述的环路滤波器和信号接收器的输入端相连，该环路滤波器的输出端分别与所述的可调谐本振激光光源和压控振荡器的输入端相连；
所述的可调谐本振激光光源产生的本振光与压控振荡器产生的信号通过调制器进行调制后通过带通光滤波器，再将其结果与信号光光源产生的信号光通过2×2180°自由空间光学桥接器进行混合，经平衡探测器探测得出电信号，一部分电信号通过信号接收器接收，另一部分电信号经过环路滤波器反馈给可调谐本振激光光源和压控振荡器，来控制本振光和压控振荡器输出的电压信号的频率，实现相位锁定。
所述的2×2180°自由空间光学桥接器包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第一偏振分束器、第二偏振分束器和四分之一波片；
所述的平衡探测器包括第一探测器、第二探测器和差分电路；
所述的光滤波器的输出光经第一透镜后通过第一偏振分束器变成第一垂直线偏振光，所述的信号光光源发出的光经过第二透镜后通过第一偏振分束器变成第一水平线偏振光，所述的第一垂直线偏振光与第一水平线偏振光经四分之一波片变成圆偏振光，经第二偏振分束器分成第二水平线偏振光和第二垂直线偏振光，所述的第二水平线偏振光经第四透镜入射至第一探测器，所述的第二垂直线偏振光经第三透镜入射至第二探测器，第一探测器和第二探测器探测得到的两路电信号经差分电路后得到两路电信号之差。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将可调谐本振激光光源和压控振荡器同时跟踪信号光的相位变化，利用压控振荡器反应灵敏和可调谐本振激光光源调谐范围大的优势，能够快速跟踪信号光相位变化实现相位锁定。
2、本发明对相位调制引起的相位偏差要求很低，系统易于调节。
3、当发射机发射二进制相移键控(BPSK)信号时，接收机可以快速的实现基带信号解调。
附图说明
图1为本发明基于2×2180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置示意图。
图2为本发明一个实施例的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明原理示意图。由图可见，本发明的的结构包括可调谐本振激光光源1、调制器2、压控振荡器3、信号光光源4、光滤波器5、2×2180°自由空间光学桥接器6、平衡探测器7、环路滤波器8和信号接收器9。
图2为本发明一个实施例的结构图。由图可见，本发明的结构包括可调谐本振激光光源1、调制器2、压控振荡器3、信号光光源4、光滤波器5、环路滤波器6、第一透镜10、第一偏振分束器11、第二透镜12、第三透镜13、四分之一波片16、第二偏振分束器17、第四透镜18、第一探测器14、第二探测器15、差分电路20和信号接收器9。
所述的可调谐本振激光光源1的输出端与所述的调制器2的第一输入端相连，所述的压控振荡器3的输出端与所述的调制器2的第二输入端相连，所述的调制器2的输出端与所述的光滤波器5的输入端相连，该光滤波器5的输出端与所述的2×2180°自由空间光学桥接器6的第一输入端相连，所述的信号光光源4的输出端与所述的2×2180°自由空间光学桥接器6的第二输入端相连，该2×2180°自由空间光学桥接器6的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器7的第一输入端和第二输入端相连，该平衡探测器7的输出端分别与所述的环路滤波器8和信号接收器9的输入端相连，该环路滤波器8的输出端分别与所述的可调谐本振激光光源1和压控振荡器3的输入端相连；
所述的可调谐本振激光光源1产生的本振光与压控振荡器3产生的信号通过调制器2进行调制后通过带通光滤波器5，再将其结果与信号光光源4产生的信号光通过2×2180°自由空间光学桥接器6进行混合，经平衡探测器7探测得出电信号，一部分电信号通过信号接收器9接收，另一部分电信号经过环路滤波器8反馈给可调谐本振激光光源1和压控振荡器3，来控制本振光和压控振荡器3输出的电压信号的频率，实现相位锁定；
所述的可调谐本振激光光源1和压控振荡器3同时跟踪信号光的相位变化，实现相位快速锁定。
所述的2×2180°自由空间光学桥接器6包括第一透镜10、第一偏振分束器11、第二透镜12、第三透镜13、四分之一波片16、第二偏振分束器17、第四透镜18；
所述的平衡探测器7包括第一探测器14、第二探测器15和差分电路20；
所述的光滤波器5的输出光经第一透镜10后通过第一偏振分束器11变成第一垂直线偏振光，所述的信号光光源4发出的光经过第二透镜12后通过第一偏振分束器11变成第一水平线偏振光，所述的第一垂直线偏振光与第一水平线偏振光经四分之一波片16变成圆偏振光，经第二偏振分束器17分成第二水平线偏振光和第二垂直线偏振光，所述的第二水平线偏振光经第四透镜18入射至第一探测器14，所述的第二垂直线偏振光经第三透镜13入射至第二探测器15，第一探测器14和第二探测器15探测得到的两路电信号经差分电路20后得到两路电信号之差。
信号输出分析：
假设本振光为平面波，则其输出表达式为:
其中，为本振激光器的相位噪声，PLO为本振光的输出功率，fLO为本振光的输出频率，定义如下：
fLO＝fLO0+a·T
T为温度，受输入电压的控制，通过改变输入电压，可以改变温度，从而改变本振光的输出频率。fLO0为初始频率，a为温度对频率的影响系数。
压控振荡器输出为：
其中，为压控振荡器的相位噪声，fVCO为压控振荡器的输出频率，定义如下：
fVCO＝fVCO0+k·VVCO
VVCO为压控振荡器的输出电压，fVCO0为初始频率，k为电压对频率的影响系数。
调制器中的本振光在压控振荡器的作用下，输出的光的表达式为:
其中，m为调制深度。
假设经过调制器调制后的光通过一个带通光滤波器，假设带通滤波器是理想的，且仅保留低频成分，则有：
Δf→0
则其复振幅的表达式可以写为：
其中
P O = m P L O
假设信号光为平面波，则其输出表达式为:
其中，PS为本振光的输出功率，为本振激光器的输出相位，定义如下：
其中，为激光发射器相位噪声，常数是为了简化过程引进的，在实际过程中并不产生。为相位调制深度，定义如下：
θ为相位调制引起的相位偏差。
当用BPSK(二进制相移键控)对发射机的发射信号进行调制时，被发射的数据，要么为0，要么为1，d(t)定义如下：
信号光和经带通光滤波器后的光通180°相移的定向耦合器后,两者的线性组合为:
E 1 = 1 2 ( E S + E O )
E 2 = 1 2 ( E s - E O )
即：
则根据I＝|E|2，可得出经过光电探测器的两路输出光电流分别为：
其中，R为探测器响应度，n1和n2分别为两个探测器的散粒噪声。
显然，输出电流差为：
则输出电压差为：
其中，r为电流到电压转换的跨阻阻值，n＝(n1-n2)r。
显然：
其中：
则输出电压可化简为：
即：
其中，为总的误差，定义为：
其中，为总的相位噪声，为总的控制相位，分别定义为：
对于相干接收机，总的误差方差值为：
σ 2 = 2.36 Δ v B n + qB n 2 RP n sin 2 θ + 2 B n R b tan 2 θ
其中，Rb(bit/s)是系统的比特率，q(A·S)是电子电荷。
对应的最小误差方差为：
σ m i n 2 = 2 [ 2.36 Δ v ( q 2 RP s sin 2 θ + 2 R b tan 2 θ ) ] 1 / 2
用于数据传输的信号功率为：
P S = [ Q - 1 ( B E R ) ] 2 · qR b 4 Rcos 2 θ
则有：
Δ v = 0.053 σ 4 tan 2 θR b 1 + 1 [ Q - 1 ( B E R ) ] 2
令σ＝10°≈0.175rad，Rb＝1010bit/s，Δv＝100kHz,BER＝10-10则有：
θ＝24.4°
最终，当发射机发射二进制相移键控(BPSK)信号时，相位调制引起的相位偏差最大允许为24.4°，这对于系统的调节会方便很多，从而，接收机可以快速的实现基带信号解调。

Claims (3)

1.一种基于2×2180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置，特征在于其构成包括可调谐本振激光光源(1)、调制器(2)、压控振荡器(3)、信号光光源(4)、光滤波器(5)、2×2180°自由空间光学桥接器(6)、平衡探测器(7)、环路滤波器(8)和信号接收器(9)；
所述的可调谐本振激光光源(1)的输出端与所述的调制器(2)的第一输入端相连，所述的压控振荡器(3)的输出端与所述的调制器(2)的第二输入端相连，所述的调制器(2)的输出端与所述的光滤波器(5)的输入端相连，该光滤波器(5)的输出端与所述的2×2180°自由空间光学桥接器(6)的第一输入端相连，所述的信号光光源(4)的输出端与所述的2×2180°自由空间光学桥接器(6)的第二输入端相连，该2×2180°自由空间光学桥接器(6)的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器(7)的第一输入端和第二输入端相连，该平衡探测器(7)的输出端分别与所述的环路滤波器(8)和信号接收器(9)的输入端相连，该环路滤波器(8)的输出端分别与所述的可调谐本振激光光源(1)和压控振荡器(3)的输入端相连；
所述的可调谐本振激光光源(1)产生的本振光与压控振荡器(3)产生的信号通过调制器(2)进行调制后通过带通光滤波器(5)，再将其结果与信号光光源(4)产生的信号光通过2×2180°自由空间光学桥接器(6)进行混合，经平衡探测器(7)探测得出电信号，一部分电信号通过信号接收器(9)接收，另一部分电信号经过环路滤波器(8)反馈给可调谐本振激光光源(1)和压控振荡器(3)，来控制本振光和压控振荡器(3)输出的电压信号的频率，实现相位锁定。
2.根据权利要求1所述的基于2×2180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置，其特征在于可调谐本振激光光源(1)和压控振荡器(3)同时跟踪信号光的相位变化，实现相位快速锁定。
3.根据权利要求1所述的基于2×2180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置，其特征在于，所述的2×2180°自由空间光学桥接器(6)包括第一透镜(10)、第一偏振分束器(11)、第二透镜(12)、第三透镜(13)、四分之一波片(16)、第二偏振分束器(17)、第四透镜(18)；
所述的平衡探测器(7)包括第一探测器(14)、第二探测器(15)和差分电路(20)；
所述的光滤波器(5)的输出光经第一透镜(10)后通过第一偏振分束器(11)变成第一垂直线偏振光，所述的信号光光源(4)发出的光经过第二透镜(12)后通过第一偏振分束器(11)变成第一水平线偏振光，所述的第一垂直线偏振光与第一水平线偏振光经四分之一波片(16)变成圆偏振光，经第二偏振分束器(17)分成第二水平线偏振光和第二垂直线偏振光，所述的第二水平线偏振光经第四透镜(18)入射至第一探测器(14)，所述的第二垂直线偏振光经第三透镜(13)入射至第二探测器(15)，第一探测器(14)和第二探测器(15)探测得到的两路电信号经差分电路(20)后得到两路电信号之差。
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