CN105721061B - 基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置 - Google Patents

基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN105721061B
CN105721061B CN201610058350.2A CN201610058350A CN105721061B CN 105721061 B CN105721061 B CN 105721061B CN 201610058350 A CN201610058350 A CN 201610058350A CN 105721061 B CN105721061 B CN 105721061B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
output terminal
frequency mixer
input terminal
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610058350.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105721061A (zh
Inventor
孙建锋
张波
张宁
张国
李光远
许蒙蒙
蔡光宇
贾昱成
卢智勇
刘立人
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority to CN201610058350.2A priority Critical patent/CN105721061B/zh
Publication of CN105721061A publication Critical patent/CN105721061A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105721061B publication Critical patent/CN105721061B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/501—Structural aspects
    • H04B10/503—Laser transmitters
    • H04B10/505—Laser transmitters using external modulation
    • H04B10/5057—Laser transmitters using external modulation using a feedback signal generated by analysing the optical output
    • H04B10/50577—Laser transmitters using external modulation using a feedback signal generated by analysing the optical output to control the phase of the modulating signal
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/61—Coherent receivers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/61—Coherent receivers
    • H04B10/615—Arrangements affecting the optical part of the receiver
    • H04B10/6151—Arrangements affecting the optical part of the receiver comprising a polarization controller at the receiver's input stage

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

一种基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置，其构成包括信号光光源、可调谐本振激光光源、2×490°自由空间光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、第一混频器、第二混频器、差分器、环路滤波器、压控振荡器、信号接收器和相移器。本发明的实现是通过光与光的混合、电与电的混合，不仅降低了对可调谐本振激光光源的要求，而且能够快速跟踪相位变化，实现快速锁定。这对于未来高精度的激光卫星通信的实现具有不可或缺的作用。

Description

基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置
技术领域
本发明涉及自由空间相干光通信，特别是一种基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置。
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，于是我们开展了光电混合探测系统的研究。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。
现有技术[1](Leonid G.Kazovsky,Balanced Phase-Locked Loops for OpticalHomodyne Receivers:Performance Analysis,Design Considerations,and LaserLinewidth Requirements[J],IEEE Journal of Lightwave Technology,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](Leonid G.Kazovsky,Decision-driven phase-locked loop for optical homodyne receivers:Performanceanalysis and laserlinewidth requirements[J],IEEE Journal of LightwaveTechnology,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。于是我们开展了光电混合探测系统的研究，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，提出一种基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置。本装置可以快速的高精度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2×490°光学桥接器的光电混合探测装置，特点在于其构成包括信号光光源、可调谐本振激光光源、2×490°自由空间光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、第一混频器、第二混频器、差分器、环路滤波器、压控振荡器、信号接收器和相移器；
所述的信号光光源的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器的第一输入端相连，所述的可调谐本振激光光源的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器的第二输入端相连，所述的2×490°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第一平衡探测器的第一输入端和第二输入端相连，第三输出端和第四输出端分别与所述的第二平衡探测器的第一输入端和第二输入端相连，所述的第一平衡探测器的输出端与所述的第一混频器的第一输入端相连，所述的第二平衡探测器的输出端与所述的第二混频器的第一输入端相连，所述的第一混频器的输出端和所述的第二混频器的输出端分别与所述的差分器的第一输入端和第二输入端相连，差分器的输出端分别与所述的环路滤波器的输入端和所述的信号接收器的输入端相连，该环路滤波器输出端与所述的压控振荡器相连，所述的压控振荡器的输出端分别与所述的第一混频器的第二输入端和所述的相移器的输入端相连，该相移器的输出端与所述的第二混频器的第二输入端相连；
所述的信号光光源产生的信号光与所述的可调谐本振激光光源产生的本振光通过所述的2×4 90°自由空间光学桥接器进行混合，用所述的第一平衡探测器探测得出I路电信号，用所述的第二平衡探测器探测得到Q路信号，再将所述的压控振荡器输出的电信号与I路电信号通过第一混频器经行混频，并将该电信号通过相移器相移后与Q路信号通过第二混频器进行混频，两路混频信号经过所述的差分器得到差分信号，用所述的信号接收器进行接收。与此同时，将差分信号通过所述的环路滤波器后，反馈给所述的压控振荡器，来控制压控振荡器输出信号的频率，实现相位锁定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本装置是通过光与光的混合、电与电的混合实现的，降低了可调谐本振激光光源的要求；
2、本装置通过电信号跟踪相位变化，能够实现相位的快速锁定；
3、本发明可以快速的高精度的实现基带信号解调。
附图说明
图1为本发明基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置的结构示意图。
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，本发明基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置，构成包括信号光光源1、可调谐本振激光光源2、2×490°自由空间光学桥接器3、第一平衡探测器4、第二平衡探测器5、第一混频器6、第二混频器7、差分器8、环路滤波器9、压控振荡器10、信号接收器11和相移器12；
所述的信号光光源1的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器3的第一输入端相连，所述的可调谐本振激光光源2的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器3的第二输入端相连，所述的2×490°自由空间光学桥接器3的第一输出端和第二输出端分别与所述的第一平衡探测器4的第一输入端和第二输入端相连，第三输出端和第四输出端分别与所述的第二平衡探测器5的第一输入端和第二输入端相连，所述的第一平衡探测器4的输出端与所述的第一混频器6的第一输入端相连，所述的第二平衡探测器5的输出端与所述的第二混频器7的第一输入端相连，所述的第一混频器6的输出端和所述的第二混频器7的输出端分别与所述的差分器8的第一输入端和第二输入端相连，所述的差分器8的输出端分别与所述的环路滤波器9的输入端和所述的信号接收器11的输入端相连，该环路滤波器9输出端与所述的压控振荡器10的输入端相连，所述的压控振荡器10的输出端分别与所述的第一混频器6的第二输入端和所述的相移器12的输入端相连，该相移器12的输出端与所述的第二混频器7的第二输入端相连；
所述的信号光光源1产生的信号光与所述的可调谐本振激光光源2产生的本振光通过所述的2×4 90°自由空间光学桥接器3进行混合，用所述的第一平衡探测器4探测得出I路电信号，用所述的第二平衡探测器5探测得到Q路信号，再将所述的压控振荡器10输出的电信号与I路电信号通过第一混频器6经行混频，并将该电信号通过相移器12相移后与Q路信号通过第二混频器7进行混频，两路混频信号经过所述的差分器8得到差分信号，用所述的信号接收器11进行接收。与此同时，将差分信号通过所述的环路滤波器9后，反馈给所述的压控振荡器10，来控制压控振荡器输出信号的频率，实现相位锁定。
本发明工作原理和信号输出分析如下：
假设本振光为平面波，则其复振幅的输出表达式可以写为：
其中，PLO为本振激光器的输出功率,为本振激光器的输出相位，定义如下：
假设信号光为平面波，则其复振幅的输出表达式可以写为：
其中，PS为信号光光源的输出功率，为信号光的输出相位，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：
为了表示光的偏振状态，进入2×490°自由空间光学桥接器的两束输入光可采用偏振矩阵的方式，即：
其中，k1、k2、k3和k4分别代表光的偏振状态，
信号光和经带通光滤波器后的光通过90°相移的定向耦合器后分成四路光，经光电二极管探测后得到的四路电信号分别为(为简化计算，假设量子效率为1):
其中，R为探测器响应度，n1、n2、n3和n4分别为光电二极管的散粒噪声。
通过光电检测后的处理，对这四路信号两两相减，消除掉直流分量，可以得到I支路和Q支路的信号表达式为：
令则通过跨阻抗放大器放大后，I支路和Q支路的输出电压信号表达式为：
其中
N1＝(n1-n2)r
N2＝(n3-n4)r
压控振荡器输出的电压信号分别为：
其中，为压控振荡器的输出相位，定义如下：
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。
电混频器相当于一个乘法器，I支路和Q支路的电压信号与压控振荡器输出的电压信号经过电混频器后的输出表达式分别为：
这里，取k＝0.5，电压V5和电压V6经过减法器后，有：
其中：
显然：
则输出电压可化简为：
其中，为总的误差，定义为：
电压V7经过低通滤波器后进行输出，假设低通滤波器是理想的，仅能让低频的误差信号通过，则经过环路滤波其后的电压为：
本装置先将两路光，即信号光和本振光进入2×490°光学桥接器混合后输出两路电信号，再将两路电信号分别与压控振荡器输出的电信号及其混频后的电信号通过混频器进行混频，实验表明，本发明不仅相位跟踪速度快，还降低了对可调谐激光器的要求，这对于未来高精度的激光卫星通信的实现具有不可或缺的作用。

Claims (1)

1.一种基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置，特征在于其构成包括信号光光源(1)、可调谐本振激光光源(2)、2×490°自由空间光学桥接器(3)、第一平衡探测器(4)、第二平衡探测器(5)、第一混频器(6)、第二混频器(7)、差分器(8)、环路滤波器(9)、压控振荡器(10)、信号接收器(11)和相移器(12)；
所述的信号光光源(1)的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器(3)的第一输入端相连，所述的可调谐本振激光光源(2)的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器(3)的第二输入端相连，所述的2×490°自由空间光学桥接器(3)的第一输出端和第二输出端分别与所述的第一平衡探测器(4)的第一输入端和第二输入端相连，第三输出端和第四输出端分别与所述的第二平衡探测器(5)的第一输入端和第二输入端相连，所述的第一平衡探测器(4)的输出端与所述的第一混频器(6)的第一输入端相连，所述的第二平衡探测器(5)的输出端与所述的第二混频器(7)的第一输入端相连，所述的第一混频器(6)的输出端和所述的第二混频器(7)的输出端分别与所述的差分器(8)的第一输入端和第二输入端相连，所述的差分器(8)的输出端分别与 所述的环路滤波器(9)的输入端和所述的信号接收器(11)的输入端相连，该环路滤波器(9)输出端与所述的压控振荡器(10)的输入端相连，所述的压控振荡器(10)的输出端分别与所述的第一混频器(6)的第二输入端和所述的相移器(12)的输入端相连，该相移器(12)的输出端与所述的第二混频器(7)的第二输入端相连；
所述的信号光光源(1)产生的信号光与所述的可调谐本振激光光源(2)产生的本振光通过所述的2×490°自由空间光学桥接器(3)进行混合，用所述的第一平衡探测器(4)探测得出I路电信号，用所述的第二平衡探测器(5)探测得到Q路信号，再将所述的压控振荡器(10)输出的电信号与I路电信号通过第一混频器(6)经行混频，并将该电信号通过相移器(12)相移后与Q路信号通过第二混频器(7)进行混频，两路混频信号经过所述的差分器(8)得到差分信号，用所述的信号接收器(11)进行接收， 与此同时，将差分信号通过所述的环路滤波器(9)后，反馈给所述的压控振荡器(10)，来控制压控振荡器输出信号的频率，实现相位锁定。
CN201610058350.2A 2016-01-28 2016-01-28 基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置 Active CN105721061B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610058350.2A CN105721061B (zh) 2016-01-28 2016-01-28 基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610058350.2A CN105721061B (zh) 2016-01-28 2016-01-28 基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105721061A CN105721061A (zh) 2016-06-29
CN105721061B true CN105721061B (zh) 2018-05-08

Family

ID=56155136

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610058350.2A Active CN105721061B (zh) 2016-01-28 2016-01-28 基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105721061B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107733525B (zh) * 2017-09-14 2020-05-05 中国科学院上海光学精密机械研究所 光电混合振荡锁相环
CN108040025B (zh) * 2018-01-16 2020-12-01 湖南迈克森伟电子科技有限公司 星间激光超宽带数据解调系统
CN109239931B (zh) * 2018-11-06 2021-10-15 上海联能光子技术有限公司 一种基于自由空间光学桥接器的自动化制作装置与方法
CN110987146B (zh) * 2019-11-03 2022-02-08 武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司 一种光纤传感自差接收装置
CN112857564A (zh) * 2019-11-28 2021-05-28 余姚舜宇智能光学技术有限公司 光电探测器电路系统和光电探测方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1486538A (zh) * 2001-01-09 2004-03-31 索尼公司 多频带无线信号发送机/接收机
CN1829209A (zh) * 2005-02-28 2006-09-06 精工爱普生株式会社 对二进制相移键控(bpsk)信号进行相干解调的系统
CN104954070A (zh) * 2015-06-15 2015-09-30 中国科学院光电技术研究所 一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101257349B (zh) * 2007-02-26 2011-05-11 富士通株式会社 数字相位估计器、数字锁相环以及光相干接收机

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1486538A (zh) * 2001-01-09 2004-03-31 索尼公司 多频带无线信号发送机/接收机
CN1829209A (zh) * 2005-02-28 2006-09-06 精工爱普生株式会社 对二进制相移键控(bpsk)信号进行相干解调的系统
CN104954070A (zh) * 2015-06-15 2015-09-30 中国科学院光电技术研究所 一种用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
相位补偿偏振分光2×4 90°自由空间光学桥接器;周煜 等;《光学学报》;20091231;第29卷(第12期);第3291-3294页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105721061A (zh) 2016-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105721061B (zh) 基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置
CN105634591B (zh) 基于2×4 90°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置
CN108332735B (zh) 基于外加光束干涉的谐振式光纤陀螺相干解调系统和方法
US20230136882A1 (en) Coherent microwave photonics radar detection method and system based on injection locking frequency multiplication
US9154231B2 (en) Generation of an optical local-oscillator signal for a coherent-detection scheme
US9755759B2 (en) Polarisation-independent coherent optical receiver
CN104065416A (zh) 基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统
Pagán et al. Electro-optic millimeter-wave harmonic downconversion and vector demodulation using cascaded phase modulation and optical filtering
US20120288286A1 (en) Optical receiver for amplitude-modulated signals
US4817206A (en) Optical-fiber transmission system with polarization modulation and heterodyne coherent detection
US7149435B2 (en) Method and apparatus for transmitting high-frequency signals in optical communication system
CN105162522B (zh) 本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置
CN107707309A (zh) 基于级联相位和偏振调制器的微波光子正交混频方法、装置
US11262639B2 (en) Apparatus and methods for upconversion of a millimeter-wave signal and detection of the upconverted signal
CN107733525B (zh) 光电混合振荡锁相环
CN105890780B (zh) 一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法
US9166678B1 (en) Heterogeneous microwave photonic circuits
US7269354B1 (en) Superheterodyne photonic receiver using non-serial frequency translation
CN112285732A (zh) 光子辅助多普勒雷达探测方法及装置
CN105721051B (zh) 基于2×2 180°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置
Tang et al. Simultaneous measurement of microwave doppler frequency shift and angle of arrival based on a silicon integrated chip
CN113691321B (zh) 低功率微波信号一体化处理方法与一体化接收机
Scotti et al. Dual use architecture for innovative lidar and free space optical communications
Biernacki et al. A two-channel optical downconverter for phase detection
CN116366161B (zh) 光纤环网射频信号稳定传递系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant