平衡光學(xué)鎖相環(huán)的性能分析

李曉光　張劍家　辛德勝　呂曦光　郝博濤

摘 要：光學(xué)鎖相環(huán)是光通信系統(tǒng)的重要組成部分，決定著光通信的質(zhì)量。本文通過平衡鎖相環(huán)的原理和結(jié)構(gòu)模型，分析了平衡鎖相環(huán)的噪聲和線寬對相干通信影響。分析結(jié)果為相干光通信系統(tǒng)的確立提供了理論依據(jù)

關(guān)鍵詞：光通信 平衡鎖相環(huán) 線寬 噪聲

中圖分類號：O431 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（c）-0005-03

在通信領(lǐng)域中激光通信系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注，激光通信具有巨大的帶寬、好的方向性和無線連接等優(yōu)點[1]。為提高激光通信的質(zhì)量，人們越來越關(guān)注光學(xué)鎖相環(huán)的設(shè)計，其中平衡鎖相環(huán)是其中研究的重點。平衡鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，尤其隨著窄譜線激光器的發(fā)展，為平衡鎖相環(huán)在空間光通信系統(tǒng)的應(yīng)用提供了巨大的空間。

1 平衡鎖相環(huán)的原理及其結(jié)構(gòu)模型

平衡鎖相環(huán)如圖1所示，它主要包括三大部分：前置電路、1800相移的定向耦合器、平衡探測器。信號光與本振經(jīng)過1800相移的定向耦合器之后饋入平衡PLL，兩個檢測器的輸出誤差信號經(jīng)由環(huán)路濾波器之后控制本振頻率。為了達到相位的同步跟蹤，光信號的載波不能被完成遏制，需要保留一定強度載波作為導(dǎo)頻，以使得本振光進行跟蹤并與其相位鎖定，否則若平均相位為零，則會出現(xiàn)無相可鎖的情況。例如，在PSK調(diào)制信號中，利用85%的不完全差相互耦合，就可以保留10%的信號功率，以此獲取所需的導(dǎo)頻載波分量。

從圖中可看到對于每個線寬下都存在一個最佳的誤差標(biāo)準(zhǔn)差，使得系統(tǒng)具有最高靈敏度。最佳的誤差標(biāo)準(zhǔn)差隨著線寬的增加而減小。圖5顯示了在合理誤差方才下，平衡鎖相環(huán)功率帶寬與速率關(guān)系。經(jīng)計算對平衡環(huán)而言，最大線寬與系統(tǒng)碼率關(guān)系為，此時標(biāo)準(zhǔn)方差，功率損失1 dB。由此可看出平衡環(huán)對激光器線寬要求較為苛刻。

3 結(jié)語

本文通過對平衡光學(xué)鎖相環(huán)路系統(tǒng)模型的建立，分析了影響相干光通信系統(tǒng)的平衡鎖相環(huán)的噪聲和激光線寬以及通信速率等重要參數(shù)。通過分析計算，給出了環(huán)路最優(yōu)帶寬和最小誤差方差表達式，得到了不同線寬下接收靈敏度與誤差標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系，并最終確立了平衡鎖相環(huán)線寬與通信速率關(guān)系，分析表明平衡鎖相環(huán)對激光線寬要求嚴(yán)格。

參考文獻

[1] F·Herzog，K·Kudielka，D·Erni，etc.Optical phase locked loop for transparent inter-satellite communications[J].Optics Express，2005，13（10）：3816-3822.

[2] D·O·Caplan.Laser communication transmitter and receiver design[J].J.Opt.Fiber Commun.Rep.，2007，4：225-362.

[3] P·S·Cho.Optical Phase-Locked Loop Performance in Homodyne Detection using Pulsed and CW LO.Optical Amplifiers and Their Applications，2006.

[4] K·Kikuchi.Phase-diversity homodyne detection of multi-level optical modulation with digitalcarrier phase estimation. IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.，2006，12（4）：563-570.