基于科斯塔斯鎖相環(huán)的光學(xué)零差相干接收技術(shù)

徐圣奇，董光焰，李玉韓，胡 亮，郭濤濤，楊海濤，胡永釗，鄔雙陽，章宇兵，劉偉偉

(1．中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州450047;2．中國電子進出口總公司，北京100036;3．南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所，天津300071)

1 引言

近年來，伴隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，各類偵察衛(wèi)星的時空分辨率得到極大地提高，偵察衛(wèi)星與指控終端之間單通道最高通信速率已經(jīng)要求達到每秒數(shù)千兆比特量級［1］，微波通信越來越難以滿足信息傳輸?shù)男枨?，突破新一代高速率、超長距離信息傳輸技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。以窄線寬激光光源作為載體的相干光通信技術(shù)不僅可以實現(xiàn)接近量子極限的靈敏度［2－3］，而且可以實現(xiàn)每秒數(shù)十吉比特的通信速率［4－5］，這些優(yōu)點決定了相干光通信技術(shù)是實現(xiàn)高速率、超長距離信息傳輸?shù)挠行侄巍?008年，德國成功完成了5．625 Gbps的星間相干光通信試驗［6］，進一步說明了該技術(shù)在空間通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文以窄線寬激光器作為本振源，結(jié)合90°空間光學(xué)混頻技術(shù)和科斯塔斯光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)，實現(xiàn)信號光的零差相干接收。經(jīng)2×4 90°光學(xué)混頻器后，實現(xiàn)I、Q兩路信號的正交輸出，科斯塔斯鎖相環(huán)可以長時間實現(xiàn)信號光和本振光之間的相位鎖定。試驗結(jié)果表明，該接收機能夠很好地實現(xiàn)基帶信號的解調(diào)。

2 光學(xué)相位跟蹤控制技術(shù)

2．1 光學(xué)鎖相環(huán)路基本原理

零差相干接收技術(shù)可以實現(xiàn)接近量子極限的靈敏度，但需要使用光學(xué)鎖相技術(shù)實現(xiàn)信號光和本振光之間的相位鎖定。如圖1所示，和電學(xué)鎖相環(huán)相同，光學(xué)鎖相環(huán)主要包括三個最基本的組成部分:等效鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和等效壓控振蕩器(VCO)。等效鑒相器(PD)是個相位比較模塊，主要用于比較信號光和本振光之間的相位差，通常由光學(xué)耦合器、90°光學(xué)混頻器和光電探測器來實現(xiàn);環(huán)路濾波器(LF)具有低通濾波功能，能夠濾除高頻噪聲，通過改變環(huán)路濾波器(LF)的參數(shù)可以調(diào)整鎖相環(huán)的同步范圍、噪聲帶寬等參數(shù);相比于電學(xué)鎖相環(huán)中的壓控振蕩器，光學(xué)環(huán)路中的等效壓控振蕩器(VCO)是由本振激光器來實現(xiàn)的，根據(jù)相位差轉(zhuǎn)化成的電信號來調(diào)諧本振激光器的中心波長，從而實現(xiàn)本振光與信號光之間的相位同步。

圖1 光學(xué)鎖相環(huán)路基本原理

2．2 DFB激光器相位控制技術(shù)

DFB激光器是具有光柵反射器，只有滿足布拉格條件的波長才能形成受激輻射，即:

式中，Λ為光柵周期;λB為布拉格波長，m=1，2，3…，是DFB激光器縱模的階次;n是光柵反射區(qū)的折射率。布拉格波長可以通過改變光柵反射區(qū)的折射率n來實現(xiàn)調(diào)諧，折射率n通常采用電流［7］和溫度［8］兩種手段來改變。

3 實驗與結(jié)果

圖2為基于科斯塔斯鎖相環(huán)的零差相干接收機原理框圖，主要由光學(xué)天線、90°光學(xué)混頻器，光電探測器，鎖相環(huán)路和本振激光器組成。在實驗中，信號光和本振光均采用窄線寬DFB激光器，其中心波長均位于C波段(ITU標(biāo)準(zhǔn))，偏振態(tài)為線偏振。通過外差拍頻的方法，我們首先測量了本振激光器的溫度和電流調(diào)諧特性，測量結(jié)果如圖3所示，其中，圖3(a)對應(yīng)溫度調(diào)諧特性，圖3(b)對應(yīng)電流調(diào)諧特性。信號源輸出的偽隨機二進制序列信號(PRBS)經(jīng)驅(qū)動器放大后，Vpp達到相位調(diào)制器的半波電壓，將該調(diào)制信號加載到相位調(diào)制器上，信號光經(jīng)相位調(diào)制器后，即輸出二進制相移鍵控(BPSK)信號。

圖2 基于科斯塔斯鎖相環(huán)的零差相干接收機原理框圖

信號光經(jīng)過光學(xué)準(zhǔn)直后，入射到90°光學(xué)混頻器中，信號光I/Q兩路的分光比為4∶1，光學(xué)混頻器的輸出的四組光束經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和平衡探測后，輸出相位差為90°的I/Q兩路電信號，I路主要用于通信，其輸出電信號經(jīng)功分器分路后，其中一路信號和Q路信號同時送入環(huán)路濾波器。圖4為示波器采集的兩路信號時間分布圖以及對應(yīng)的李薩如圖形，通過擬合可以得到兩路信號幅度相等，相位差嚴格保持90°。由于環(huán)境溫度等因素的影響，通常等效鑒相器輸入兩路信號往往存在一定的幅度和相位不平衡，用示波器實時監(jiān)測I/Q兩路信號的幅度和相位，并實時調(diào)整本振激光器和90°光學(xué)混頻器，確保I/Q兩路電信號滿足環(huán)路濾波器(LF)輸入接口要求。

圖4 I/Q兩路信號的李薩如圖形

零差相干接收機采用科斯塔斯光學(xué)鎖相環(huán)，這種類型的鎖相環(huán)對激光器的線寬要求不高，其I/Q兩路電信號相乘后可以直接得到相位誤差信號，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后作為本振激光器的控制信號，科斯塔斯鎖相環(huán)可以有效消除數(shù)據(jù)信號和鎖相信號之間的相互串?dāng)_，因此鎖相殘差較低［9］。本振激光器的頻率采用溫度粗調(diào)諧和電流精調(diào)諧相結(jié)合的雙環(huán)路調(diào)諧模式，兩個環(huán)路彼此獨立，互不串?dāng)_。激光器本身帶有溫度控制電路，溫度調(diào)諧通過串口直接發(fā)送控制字符的方式來實現(xiàn)。激光器經(jīng)過預(yù)熱穩(wěn)定后，本振激光器開始掃頻，通過頻譜儀實時測量信號光和本振光之間的拍頻信號，當(dāng)拍頻信號的頻率足夠低時，停止溫度粗調(diào)諧，并閉合鎖相環(huán)路轉(zhuǎn)入電流精調(diào)諧。

鎖相環(huán)閉合后，I/Q兩路電信號被送入鑒相器并解算出相位差信號，該信號經(jīng)環(huán)路濾波后，送入本振激光器的控制端，通過實時控制本振激光器的頻率和相位實現(xiàn)信號光和本振光之間的相位鎖定，調(diào)整環(huán)路濾波器的參數(shù)，確保獲得最小的鎖相殘差。將信號源加載到相位調(diào)制器的調(diào)制信號和相干接收機輸出的解調(diào)信號同時送入高速示波器中，將采集的兩組數(shù)據(jù)用matlab中的eyediagram函數(shù)重構(gòu)的眼圖，如圖5所示，其中，圖5(a)對應(yīng)調(diào)制信號的眼圖，圖5(b)對應(yīng)相干解調(diào)信號的眼圖，從測量結(jié)果可以看出，環(huán)路鎖定條件下相干解調(diào)信號的眼圖能夠明顯睜開。

圖5 2Gbps調(diào)制信號和相干解調(diào)信號對應(yīng)的眼圖

4 結(jié)論

本文以窄線寬DFB激光器作為光源，結(jié)合90°光學(xué)混頻技術(shù)和科斯塔斯光學(xué)鎖相技術(shù)，實現(xiàn)了信號光的零差相干接收。通過外差拍頻的方法，測量了窄線寬DFB激光器的溫度和電流調(diào)諧特性。信號光和本振光經(jīng)過光學(xué)混頻器后，I、Q兩路信號能夠長時間保持正交特性，科斯塔斯鎖相環(huán)可以實現(xiàn)信號光和本振光之間的相位同步，通過接收2Gbps的二進制相移鍵控(BPSK)信號，并觀測解調(diào)信號對應(yīng)的眼圖，結(jié)果表明，該接收機能夠很好地實現(xiàn)基帶信號解調(diào)。

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