CN110445549A - 基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置 - Google Patents

基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置 Download PDF

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Abstract

一种基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM‑QPSK解调装置，包括：偏振分束器、偏振旋转器、90度光学桥接器、平衡探测器、QPSK鉴相器、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、窄线宽快调谐本振激光器、光纤移相器、可编程逻辑门阵列(FPGA)。该装置通过光学锁相环的方式进行零差相干解调，不需要高速ADC采样。同时，只用一路光学锁相环控制配合光纤移相器既可以实现双偏振零差相干解调也可以进行任何一个偏振态的QPSK信号的零差相干解调。本发明功耗低，接收模式和通信速率可灵活选择，且不需要高速ADC采样，非常适用于高速率、高通信灵敏度、功率稀缺的卫星光通信场景。

Description

基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调 装置
技术领域
本发明涉及自由空间相干通信和光纤相干通信，特别是一种基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK(Polarization multiplexed Quadrature PhaseShift Keying)解调装置。
背景技术
激光相干通信具有灵敏度高、通信带宽大可以进行密集波分复用等优点，是光纤通信的技术热点，正在逐步取代骨干网上激光强度调制通信。同时卫星激光通信也在蓬勃发展，是一代卫星通信关键实现技术。目前，美国宇航局NASA、欧洲宇航局ESA、日本JAXA已进行多轮卫星光通信实验，基于卫星相干激光通信技术的下一代卫星光通信中继网络已开始建设。国内哈尔滨工业大学、中国科学院上海光机所和航天航天集团也进行了卫星间和卫星与地面之间的卫星光通信实验，最高通信速率5.12Gbps，通信体制为零差BPSK，内差BPSK,自差DPSK,OOK,PPM 等。随着目前国防、探测和商业飞机通信的需求增加，高速卫星光通信的需求正在迅速增长。内差BPSK通信技术由于受限于ADC采样速率，目前单波长只能实现几Gbps的通信速率，同时航空用高速ADC的可靠性和功耗也限制其用于更高速率的卫星通信场景。虽然可以通过波分复用技术提高通信速率，但是每个通信波长要增加一套接收系统，系统复杂度和重量较大。
现有技术[1]中国专利CN201110037456.1,“双偏振QPSK解调器”使用高速ADC采样和DSP芯片处理用于解调双偏振QPSK信号。这是目前光纤通信用于解调光相干通信的常用方法，但是此方法功耗较高，所使用的高速ADC和DSP芯片用于卫星光通信的可靠性和可行性存疑，目前国内仅用于几Gbps以下的卫星光通信场景。
研究一种，结构简单，低功耗、高可靠性，可多格式、多速率兼容的高速卫星光通信接收终端非常有意义。
发明内容
本发明针对高速自由空间激光相干通信和光纤相干通信，提出一种基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置。本装置可兼容单偏振和多偏振，通信格式可兼容QPSK、BPSK，通信速率最高40Gbps可向下兼容。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置，其特征在于其结构包括：偏振分束器、第一90度光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、第一QPSK鉴相器、第一ADC、FPGA、第一DAC、本振激光器、1：1光纤分束器、偏振旋转器、第二90度光学桥接器、第三平衡探测器、第四平衡探测器、第二QPSK鉴相器、第二ADC、第二DAC、光纤移相器；
所述的偏振分束器的第一输出端口与所述的第一90度光学桥接器的信号光输入端口相连，所述的第一90度光学桥接器的I路输出端口与所述的第一平衡探测器的输入端口相连，所述的第一90度光学桥接器的Q路输出端口与所述的第二平衡探测器的输入端口相连，所述的第一平衡探测器的第一输出端口与所述的FPGA第一高速输入端口相连，所述的第一平衡探测器的第二输出端口与所述的第一QPSK鉴相器的第一输入端口相连，所述的第二平衡探测器的第一输出端口与所述的FPGA第二高速输入端口相连，所述的第二平衡探测器的第二输出端口与所述的第一QPSK鉴相器的第二输入端口相连，所述的第一QPSK鉴相器的输出端口相连与所述的第一ADC的输入端口相连，所述的第一ADC的输出端口与所述的FPGA第一低速输入端口相连，所述的FPGA的第一低速输出端口与所述的第一DAC的输入端口相连，所述的第一DAC的输出端口与所述的本振激光器的频率控制端口相连，所述的本振激光器的光学输出端口与所述的1：1光纤分束器输入端口相连，所述的1：1光纤分束器第一输出端口与所述的第一90度光学桥接器的本振光输入端口相连，所述的偏振分束器的第二输出端口与所述的偏振旋转器的输入端口相连，所述的偏振旋转器的输出端口与所述的第二90度光学桥接器的信号光输入端口相连，所述的第二90度光学桥接器的I路输出端口与所述的第三平衡探测器的输入端口相连，所述的第二90度光学桥接器的 Q路输出端口与所述的第四平衡探测器的输入端口相连，所述的第三平衡探测器的第一输出端口与所述的FPGA第三高速输入端口相连，所述的第三平衡探测器的第二输出端口与所述的第二QPSK鉴相器的第一输入端口相连，所述的第四平衡探测器的第一输出端口与所述的FPGA第四高速输入端口相连，所述的第四平衡探测器的第二输出端口与所述的第二QPSK鉴相器的第二输入端口相连，所述的第二QPSK鉴相器的输出端口相连与所述的第二ADC的输入端口相连，所述的第二ADC的输出端口与所述的FPGA第二低速输入端口相连，所述的FPGA的第二低速输出端口与所述的第二DAC的输入端口相连，所述的第二DAC的输出端口与所述的光纤移相器的相位控制端口相连，所述的1：1光纤分束器第二输出端口与所述的光纤移相器的光学输入端口相连，所述的光纤移相器的光学输出端口与所述的第二90度光学桥接器的本振光输入端口相连。
解调PM-QPSK或PM-BPSK信号时，第一QPSK鉴相器、第一ADC、 FPGA、第一DAC、本振激光器构成第一光学锁相环，控制本振激光器使到达第一平衡探测器和第二平衡探测器的信号光和本振光的相位差为 0，第一平衡探测器和第二平衡探测器的输出基带信号，可以直接进入 FPGA接收。同时，第二QPSK鉴相器、第二ADC、第二DAC、光纤移相器、FPGA，构成第二光学锁相环。在第一光学锁相环工作状态下， FPGA根据第二QPSK鉴相器的输出误差信号控制光纤移相器，实现到达第三平衡探测器和第四平衡探测器的信号光和本振光的相位差为0，第三平衡探测器和第四平衡探测器的输出基带信号，可以直接进入 FPGA接收。
解调单偏振的QPSK或者BPSK信号时，第一QPSK鉴相器、第一 ADC、FPGA、第一DAC、本振激光器构成第一光学锁相环，控制本振激光器使到达第一平衡探测器和第二平衡探测器的信号光和本振光的相位差为0，第一平衡探测器和第二平衡探测器的输出基带信号，可以直接进入FPGA接收。或，第二QPSK鉴相器、第二ADC、第二DAC、本振激光器、FPGA，构成第三光学锁相环。FPGA根据第二QPSK鉴相器的输出误差信号控制控制本振激光器，实现到达第三平衡探测器和第四平衡探测器的信号光和本振光的相位差为0，第三平衡探测器和第四平衡探测器的输出基带信号，可以直接进入FPGA接收。
本发明的优点在于：
1、使用基于光学锁相环零差相干检测技术，不需要高速ADC采样，功耗低、重量轻、体积小。
2、双偏振解调共用一只本振激光器，系统复用度高，第二锁相环采用光纤移相器，易于实现光学锁相环。
3、两个偏振态解调、控制和通信信号接收共用一块FPGA，方便进行不同偏振态的信号解调时，通信信号、控制信号和控制对象的切换。
4、此装置既可以解调双偏振信号40Gbps也可以解调单偏振最高20 Gbps QPSK信号或10Gbps BPSK信号。由于FPGA接收速率可变，此接收系统通信速率可向下兼容。
附图说明
图1为本发明基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置的结构框图。由图可见，本发明一种基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置，其特征在于其结构包括：偏振分束器1、第一90度光学桥接器2、第一平衡探测器3、第二平衡探测器4、第一QPSK鉴相器5、第一ADC6、FPGA7、第一 DAC8、本振激光器9、1：1光纤分束器10、偏振旋转器11、第二90 度光学桥接器12、第三平衡探测器13、第四平衡探测器14、第二QPSK 鉴相器15、第二ADC16、第二DAC17、光纤移相器18；
所述的偏振分束器1的第一输出端口与所述的第一90度光学桥接器 2的信号光输入端口相连，所述的第一90度光学桥接器2的I路输出端口与所述的第一平衡探测器3的输入端口相连，所述的第一90度光学桥接器2的Q路输出端口与所述的第二平衡探测器4的输入端口相连，所述的第一平衡探测器3的第一输出端口与所述的FPGA7第一高速输入端口相连，所述的第一平衡探测器3的第二输出端口与所述的第一QPSK 鉴相器5的第一输入端口相连，所述的第二平衡探测器4的第一输出端口与所述的FPGA7第二高速输入端口相连，所述的第二平衡探测器4 的第二输出端口与所述的第一QPSK鉴相器5的第二输入端口相连，所述的第一QPSK鉴相器5的输出端口相连与所述的第一ADC6的输入端口相连，所述的第一ADC6的输出端口与所述的FPGA7第一低速输入端口相连，所述的FPGA7的第一低速输出端口与所述的第一DAC8的输入端口相连，所述的第一DAC8的输出端口与所述的本振激光器9的频率控制端口相连，所述的本振激光器9的光学输出端口与所述的1：1 光纤分束器10输入端口相连，所述的1：1光纤分束器10第一输出端口与所述的第一90度光学桥接器2的本振光输入端口相连，所述的偏振分束器1的第二输出端口与所述的偏振旋转器11的输入端口相连，所述的偏振旋转器11的输出端口与所述的第二90度光学桥接器12的信号光输入端口相连，所述的第二90度光学桥接器12的I路输出端口与所述的第三平衡探测器13的输入端口相连，所述的第二90度光学桥接器12 的Q路输出端口与所述的第四平衡探测器14的输入端口相连，所述的第三平衡探测器13的第一输出端口与所述的FPGA7第三高速输入端口相连，所述的第三平衡探测器13的第二输出端口与所述的第二QPSK 鉴相器15的第一输入端口相连，所述的第四平衡探测器14的第一输出端口与所述的FPGA7第四高速输入端口相连，所述的第四平衡探测器 14的第二输出端口与所述的第二QPSK鉴相器15的第二输入端口相连，所述的第二QPSK鉴相器15的输出端口相连与所述的第二ADC16的输入端口相连，所述的第二ADC16的输出端口与所述的FPGA7第二低速输入端口相连，所述的FPGA7的第二低速输出端口与所述的第二 DAC17的输入端口相连，所述的第二DAC17的输出端口与所述的光纤移相器18的相位控制端口相连，所述的1：1光纤分束器10第二输出端口与所述的光纤移相器18的光学输入端口相连，所述的光纤移相器18 的光学输出端口与所述的第二90度光学桥接器12的本振光输入端口相连。
实施例1：解调双偏振信号PM-QPSK或PM-BPSK信号
FPGA7同时控制本振激光器9和光纤移相器18，第一光学锁相环和第二光学锁相环同时工作。其中，所述的第一QPSK鉴相器5、第一 ADC6、FPGA7、第一DAC8和本振激光器9构成第一光学锁相环。第一QPSK鉴相器5产生的鉴相误差信号1，经过第一ADC6传入FPGA7，FPGA7根据鉴相误差信号1产生锁相控制信号1，控制信号1经过第一 DAC8控制本振激光器9，确保经所述的1：1光纤分束器10和第一90 度光学桥接器2后到达所述的第一平衡探测器3和第二平衡探测器4的本振光与经所述的偏振分束器1和第一90度光学桥接器2后到达所述的第一平衡探测器3和第二平衡探测器4的信号光的载波相位差为0，使所述的第一平衡探测器3和第二平衡探测器4输出基带信号，并直接传输至所述的FPGA7；
所述的第二QPSK鉴相器15、第二ADC16、第二DAC17、光纤移相器18和FPGA7构成第二光学锁相环。第二QPSK鉴相器15产生的鉴相误差信号2，经过第二ADC16传入FPGA7，FPGA7根据鉴相误差信号2产生锁相控制信号2，控制信号经过第二DAC17控制光纤移相器 18，确保经所述的1：1光纤分束器10、光纤移相器18和第二90度光学桥接器12后到达所述的第三平衡探测器13和第四平衡探测器14的本振光与经所述的偏振分束器1、偏振旋转器11和第二90度光学桥接器 12后到达所述的第三平衡探测器13和第四平衡探测器14的信号光的载波相位差为0，使所述的第三平衡探测器13和第四平衡探测器14输出基带信号，并直接传输至所述的FPGA7。
实施例2：解调单偏振(第一偏振态)的QPSK或者BPSK信号
FPGA7控制本振激光器9，第一光学锁相环工作。其中，所述的第一QPSK鉴相器5、第一ADC6、FPGA7、第一DAC8和本振激光器9 构成第一光学锁相环。第一QPSK鉴相器5产生的鉴相误差信号1，经过第一ADC6传入FPGA7，FPGA7根据鉴相误差信号1产生锁相控制信号1，控制信号1经过第一DAC8控制本振激光器9，确保经所述的1： 1光纤分束器10和第一90度光学桥接器2后到达所述的第一平衡探测器3和第二平衡探测器4的本振光与经所述的偏振分束器1和第一90 度光学桥接器2后到达所述的第一平衡探测器3和第二平衡探测器4的信号光的载波相位差为0，使所述的第一平衡探测器3和第二平衡探测器4输出基带信号，并直接传输至所述的FPGA7。
实施例3：解调单偏振(第二偏振态)的QPSK或者BPSK信号
FPGA7控制本振激光器9，第三光学锁相环工作。所述的第二QPSK 鉴相器15、第二ADC16、第一DAC8、本振激光器9和FPGA7构成第三光学锁相环。第二QPSK鉴相器15产生的鉴相误差信号3，经过第二ADC16 传入FPGA7，FPGA7鉴相误差信号3产生锁相控制信号3，控制信号3经过第一DAC8控制本振激光器9，确保经所述的1：1光纤分束器10、光纤移相器18和第二90度光学桥接器12后到达所述的第三平衡探测器 13和第四平衡探测器14的本振光与经所述的偏振分束器1、偏振旋转器 11和第二90度光学桥接器12后到达所述的第三平衡探测器13和第四平衡探测器14的信号光的载波相位差为0，使所述的第三平衡探测器13 和第四平衡探测器14输出基带信号，并直接传输至所述的FPGA7。

Claims (4)

1.一种基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置，其特征在于，包括：偏振分束器(1)、第一90度光学桥接器(2)、第一平衡探测器(3)、第二平衡探测器(4)、第一QPSK鉴相器(5)、第一ADC(6)、FPGA(7)、第一DAC(8)、本振激光器(9)、1：1光纤分束器(10)、偏振旋转器(11)、第二90度光学桥接器(12)、第三平衡探测器(13)、第四平衡探测器(14)、第二QPSK鉴相器(15)、第二ADC(16)、第二DAC(17)和光纤移相器(18)；
所述的偏振分束器(1)的第一输出端口与所述的第一90度光学桥接器(2)的信号光输入端口相连，所述的第一90度光学桥接器(2)的I路输出端口与所述的第一平衡探测器(3)的输入端口相连，所述的第一90度光学桥接器(2)的Q路输出端口与所述的第二平衡探测器(4)的输入端口相连，所述的第一平衡探测器(3)的第一输出端口与所述的FPGA(7)第一高速输入端口相连，所述的第一平衡探测器(3)的第二输出端口与所述的第一QPSK鉴相器(5)的第一输入端口相连，所述的第二平衡探测器(4)的第一输出端口与所述的FPGA(7)第二高速输入端口相连，所述的第二平衡探测器(4)的第二输出端口与所述的第一QPSK鉴相器(5)的第二输入端口相连，所述的第一QPSK鉴相器(5)的输出端口相连与所述的第一ADC(6)的输入端口相连，所述的第一ADC(6)的输出端口与所述的FPGA(7)第一低速输入端口相连，所述的FPGA(7)的第一低速输出端口与所述的第一DAC(8)的输入端口相连，所述的第一DAC(8)的输出端口与所述的本振激光器(9)的频率控制端口相连，所述的本振激光器(9)的光学输出端口与所述的1：1光纤分束器(10)输入端口相连，所述的1：1光纤分束器(10)第一输出端口与所述的第一90度光学桥接器(2)的本振光输入端口相连，所述的偏振分束器(1)的第二输出端口与所述的偏振旋转器(11)的输入端口相连，所述的偏振旋转器(11)的输出端口与所述的第二90度光学桥接器(12)的信号光输入端口相连，所述的第二90度光学桥接器(12)的I路输出端口与所述的第三平衡探测器(13)的输入端口相连，所述的第二90度光学桥接器(12)的Q路输出端口与所述的第四平衡探测器(14)的输入端口相连，所述的第三平衡探测器(13)的第一输出端口与所述的FPGA(7)第三高速输入端口相连，所述的第三平衡探测器(13)的第二输出端口与所述的第二QPSK鉴相器(15)的第一输入端口相连，所述的第四平衡探测器(14)的第一输出端口与所述的FPGA(7)第四高速输入端口相连，所述的第四平衡探测器(14)的第二输出端口与所述的第二QPSK鉴相器(15)的第二输入端口相连，所述的第二QPSK鉴相器(15)的输出端口相连与所述的第二ADC(16)的输入端口相连，所述的第二ADC(16)的输出端口与所述的FPGA(7)第二低速输入端口相连，所述的FPGA(7)的第二低速输出端口与所述的第二DAC(17)的输入端口相连，所述的第二DAC(17)的输出端口与所述的光纤移相器(18)的相位控制端口相连，所述的1：1光纤分束器(10)第二输出端口与所述的光纤移相器(18)的光学输入端口相连，所述的光纤移相器(18)的光学输出端口与所述的第二90度光学桥接器(12)的本振光输入端口相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置，其特征在于，所述的第一QPSK鉴相器(5)、第一ADC(6)、FPGA(7)、第一DAC(8)和本振激光器(9)构成第一光学锁相环，确保经所述的1：1光纤分束器(10)和第一90度光学桥接器(2)后到达所述的第一平衡探测器(3)和第二平衡探测器(4)的本振光与经所述的偏振分束器(1)和第一90度光学桥接器(2)后到达所述的第一平衡探测器(3)和第二平衡探测器(4)的信号光的载波相位差为0，使所述的第一平衡探测器(3)和第二平衡探测器(4)输出基带信号，并直接传输至所述的FPGA(7)；
所述的第二QPSK鉴相器(15)、第二ADC(16)、第二DAC(17)、光纤移相器(18)和FPGA(7)构成第二光学锁相环，确保经所述的1：1光纤分束器(10)、光纤移相器(18)和第二90度光学桥接器(12)后到达所述的第三平衡探测器(13)和第四平衡探测器(14)的本振光与经所述的偏振分束器(1)、偏振旋转器(11)和第二90度光学桥接器(12)后到达所述的第三平衡探测器(13)和第四平衡探测器(14)的信号光的载波相位差为0，使所述的第三平衡探测器(13)和第四平衡探测器(14)输出基带信号，并直接传输至所述的FPGA(7)。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40Gbps PM-QPSK解调装置，其特征在于，所述的第二QPSK鉴相器(15)、第二ADC(16)、第一DAC(8)、本振激光器(9)和FPGA(7)构成第三光学锁相环，确保经所述的1：1光纤分束器(10)、光纤移相器(18)和第二90度光学桥接器(12)后到达所述的第三平衡探测器(13)和第四平衡探测器(14)的本振光与经所述的偏振分束器(1)、偏振旋转器(11)和第二90度光学桥接器(12)后到达所述的第三平衡探测器(13)和第四平衡探测器(14)的信号光的载波相位差为0，使所述的第三平衡探测器(13)和第四平衡探测器(14)输出基带信号，并直接传输至所述的FPGA(7)。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于光学锁相环和光纤移相器的单波长40GbpsPM-QPSK解调装置，其特征在于，所述的第一平衡探测器(3)、第二平衡探测器(4)、第三平衡探测器(13)和第四平衡探测器(14)的通信码率均为10Gbps，在解调PM-QPSK信号时，接收机最高码率可达40Gbps。
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