CN108880693A - 一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法。包括如下步骤：1.脉冲信号光和脉冲本振光经混频‑延时‑混频模块，输出相位上错开的光脉冲信号(a和b)。2.上述光脉冲信号经光电二极管和跨阻放大器转换为电脉冲信号(c和d)，将电脉冲信号进行分路输出。其中一路电脉冲信号经延时模块，使两路电脉冲信号相位上相互错开，且c2与d1同相位。3.上述两路电脉冲信号经减法器电路输出。本发明通过精细调节混频‑延时‑混频模块和电路延时模块，可达到利用单个光电二极管实现相干检测的目的。解决了传统相干检测方法中既要使用两个光电二极管，又要对两个光电二极管之间的失配进行校准的问题，提高了相干检测系统的实用性。

Description

一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法

技术领域

本发明涉及光电检测领域，特别涉及量子信息技术中量子态的检测，尤其是相干检测。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，相干光通信的以其灵敏度高，通信容量大，调制方式多种多样等优点而越来越受到学术界的关注。区别于传统光通信，相干光通信的信号检测与解调更多需要依靠相干检测系统。因为在光电检测系统中，被测量信息以光波作为载波，通过对光波的调制而引起光载波特征参量(包括光的强度、相位、偏振、频率和光谱分布)的变化，再通过对携带被测参量信息的光载波进行解调就可以获得被测参量信息。相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现。所以从理论上讲，相干检测能准确检测到光波振幅、频率和相位所携带的信息，但由于光波的频率很高，迄今为止的任何光电检测器都还不能直接感受光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，只能检测光的强度。因此，在大多数情况下只能利用光的干涉观象，将光的这些特征参量最终都转换为光强度的变化进行检测。而这种转换就必须通过相干检测技术

现有的光电相干检测方法是使用两个光电二极管对干涉后的两路光信号进行光电转换，电流相减，跨阻放大等操作。但由于光电二极管产品的灵敏度，响应度甚至光耦合度等存在的差异以及光纤分束器分光比存在的误差会导致光电转换后电流相减时存在残余信号，此残余信号以低频，通常是直流的方式存在。电路在进行微小信号后级放大时会将此直流信号放大，进而导致电路输出端附加极大的偏置电压。而此电压不仅会导致电路饱和，还会超出模数转换子卡的输入动态范围，为系统带来不必要的麻烦。一般地，通过光纤延时器和光纤衰减器对光路以及光电二极管的不匹配进行补偿，相干检测系统可以达到更高的共模抑制比，但这一方法调节的稳定性取决于延时器和衰减器的稳定性。随着相干检测装置增益不断提高，该精度以及稳定性也越来越无法满足要求。人们总是要求有更加可靠完善的方法解决这一问题。

为了解决相干检测残余信号过大，提高相干检测系统的共模抑制比，增大系统的动态范围，我们提出一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法，使系统的实用性和稳定性进一步提升。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对相干检测中元件和结构不理想导致残余信号过大，限制系统共模抑制比和动态范围的问题，本发明提出一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法，是使脉冲本振光和脉冲信号光耦合后的两路脉冲信号相位错开，交替进入同一光电二极管，后级电路再对相位上错开的电脉冲信号进行相减操作，从而达到相干检测的目的。

(二)技术方案

本发明提供一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法，包括三个步骤：

步骤1：脉冲信号光和脉冲本振光经混频-延时-混频模块，输出相位上错开的光脉冲信号(a和b)；

步骤2：上述光脉冲信号经光电二极管和跨阻放大器转换为电脉冲信号(c和d)，将电脉冲信号进行分路输出。其中一路电脉冲信号经延时模块，使两路电脉冲信号相位上相互错开，且c2与d1同相位；

步骤3：上述两路电脉冲信号经减法器电路输出。

上述步骤按照顺序依次进行。

所述的脉冲信号光和脉冲本振光经混频-延时-混频模块，输出相位上错开的光脉冲信号(a和b)。步骤1包括如下步骤：

步骤1a：脉冲信号光和本振光经光纤混频器耦合；

步骤1b：混频器两输出端通过调节光纤延时器使两臂光路不等长；

步骤1c：再经光纤混频器可输出相位上错开的光脉冲信号(a和b)。

所述的光脉冲信号经光电二极管和跨阻放大器转换为电脉冲信号(c和d)，将电脉冲信号进行分路输出。其中一路电脉冲信号经延时模块，使两路电脉冲信号相位上相互错开，且c2与d1同相位。这一操作过程中电脉冲信号延时长度与步骤1错开的光脉冲信号的相位相关。步骤2包括如下步骤：

步骤2a：上述光脉冲信号经光电二极管和跨阻放大器可转为电脉冲信号(c和d)；

步骤2b：根据基尔霍夫定律，将电脉冲信号分为两路，输出到跟随器，跟随器作缓冲隔离；

步骤2c：其中一路电脉冲信号经电路延时线，使两路电脉冲信号相位上相互错开，且信号c2与信号d1同相位。

所述的上述两路电脉冲信号经减法器电路输出，这是运放减法器电路的工作原理。步骤3包括如下步骤：

步骤3a：上述两路中同相位的电脉冲信号经减法器电路输出，不同相位的电脉冲信号作为残余信号；

步骤3b：减法器电路输出为相干检测后的结果，其中残余信号(如c1和d2)舍去。

(三)有益效果

本发明使用单个光电二极管实现相干检测，达到了提高系统共模抑制比和动态范围的效果，提升了系统的可靠性和实用性。

附图说明

图1为本发明的原理实现框架示意图

图2为本发明的一种具体实现方法示意图

具体实施方式

本发明通过光纤器件和电路元件相配合搭建简单系统，系统只使用单个光电二极管实现相干检测，具体步骤如下：

按图2本发明的一种具体实现方法示意图，搭建相干检测系统，脉冲信号光和脉冲本振光通过光纤混频器，其两臂输出端通过调节光纤延时器，对其中一路光脉冲信号进行适当的延时，以至于当两路光脉冲信号再次进入光纤混频器后可输出相位上错开的光脉冲信号(a和b)；利用光电探测器对光脉冲信号进行光电转换。根据基尔霍夫电压定律，此时的电压脉冲信号可分成两路电压脉冲信号输出；为了防止后级电路对电压分路节点造成影响，电压脉冲信号需通过电压跟随器进行缓冲和隔离；然后，其中一路电压脉冲信号经过无源延时线，精细调节无源延时线和光纤延时器的延时参数，使得电压脉冲信号c2和电压脉冲信号d1在相位上完全重合，同相位的电压脉冲信号经过运放的减法器电路输出，以保证电路输出端可以获得更小的偏置电压。而首尾两端多余信号c1和多余信号d2可做舍弃处理。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法，其特征在于，包括：

步骤1：脉冲信号光和脉冲本振光经混频-延时-混频模块，输出相位上错开的光脉冲信号(a和b)；

步骤2：上述光脉冲信号经光电二极管和跨阻放大器转换为电脉冲信号(c和d)，将电脉冲信号进行分路输出。其中一路电脉冲信号经延时模块，使两路电脉冲信号相位上相互错开，且c2与d1同相位；

步骤3：上述两路电脉冲信号经减法器电路输出。

上述步骤按照顺序依次进行。

2.根据权利要求1所述的一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1a：脉冲信号光和本振光经光纤混频器耦合；

步骤1b：混频器两输出端通过调节光纤延时器使两臂光路不等长；

步骤1c：再经光纤混频器可输出相位上错开的光脉冲信号(a和b)。

3.根据权利要求1所述的一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2a：上述光脉冲信号经光电二极管和跨阻放大器可转为电脉冲信号(c和d)；

步骤2b：根据基尔霍夫定律，将电脉冲信号分为两路，输出到跟随器，跟随器作缓冲隔离；

步骤2c：其中一路电脉冲信号经电路延时线，使两路电脉冲信号相位上相互错开，且信号c2与信号d1同相位。

4.根据权利要求1所述的一种使用单个光电二极管实现相干检测的方法，其特征在于，所述步骤3中包括如下步骤：

步骤3a：上述两路中同相位的电脉冲信号经减法器电路输出，不同相位的电脉冲信号作为残余信号；

步骤3b：减法器电路输出为相干检测后的结果，其中残余信号(如c1和d2)舍去。