基于科斯塔斯鎖相環的光學零差相干接收技術

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．南開大學現代光學研究所，天津300071)

1 引言

近年來，伴隨著我國航天事業的發展，各類偵察衛星的時空分辨率得到極大地提高，偵察衛星與指控終端之間單通道最高通信速率已經要求達到每秒數千兆比特量級［1］，微波通信越來越難以滿足信息傳輸的需求，突破新一代高速率、超長距離信息傳輸技術已成為當務之急。以窄線寬激光光源作為載體的相干光通信技術不僅可以實現接近量子極限的靈敏度［2－3］，而且可以實現每秒數十吉比特的通信速率［4－5］，這些優點決定了相干光通信技術是實現高速率、超長距離信息傳輸的有效手段。2008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在空間通信領域具有廣闊的應用前景。

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

2 光學相位跟蹤控制技術

2．1 光學鎖相環路基本原理

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

圖1 光學鎖相環路基本原理

2．2 DFB激光器相位控制技術

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是光柵反射區的折射率。布拉格波長可以通過改變光柵反射區的折射率n來實現調諧，折射率n通常采用電流［7］和溫度［8］兩種手段來改變。

3 實驗與結果

圖2為基于科斯塔斯鎖相環的零差相干接收機原理框圖，主要由光學天線、90°光學混頻器，光電探測器，鎖相環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標準)，偏振態為線偏振。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諧特性，測量結果如圖3所示，其中，圖3(a)對應溫度調諧特性，圖3(b)對應電流調諧特性。信號源輸出的偽隨機二進制序列信號(PRBS)經驅動器放大后，Vpp達到相位調制器的半波電壓，將該調制信號加載到相位調制器上，信號光經相位調制器后，即輸出二進制相移鍵控(BPSK)信號。

圖2 基于科斯塔斯鎖相環的零差相干接收機原理框圖

信號光經過光學準直后，入射到90°光學混頻器中，信號光I/Q兩路的分光比為4∶1，光學混頻器的輸出的四組光束經光電轉換和平衡探測后，輸出相位差為90°的I/Q兩路電信號，I路主要用于通信，其輸出電信號經功分器分路后，其中一路信號和Q路信號同時送入環路濾波器。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，用示波器實時監測I/Q兩路信號的幅度和相位，并實時調整本振激光器和90°光學混頻器，確保I/Q兩路電信號滿足環路濾波器(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鎖相環，這種類型的鎖相環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，科斯塔斯鎖相環可以有效消除數據信號和鎖相信號之間的相互串擾，因此鎖相殘差較低［9］。本振激光器的頻率采用溫度粗調諧和電流精調諧相結合的雙環路調諧模式，兩個環路彼此獨立，互不串擾。激光器本身帶有溫度控制電路，溫度調諧通過串口直接發送控制字符的方式來實現。激光器經過預熱穩定后，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，當拍頻信號的頻率足夠低時，停止溫度粗調諧，并閉合鎖相環路轉入電流精調諧。

鎖相環閉合后，I/Q兩路電信號被送入鑒相器并解算出相位差信號，該信號經環路濾波后，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信號光和本振光之間的相位鎖定，調整環路濾波器的參數，確保獲得最小的鎖相殘差。將信號源加載到相位調制器的調制信號和相干接收機輸出的解調信號同時送入高速示波器中，將采集的兩組數據用matlab中的eyediagram函數重構的眼圖，如圖5所示，其中，圖5(a)對應調制信號的眼圖，圖5(b)對應相干解調信號的眼圖，從測量結果可以看出，環路鎖定條件下相干解調信號的眼圖能夠明顯睜開。

圖5 2Gbps調制信號和相干解調信號對應的眼圖

4 結論

本文以窄線寬DFB激光器作為光源，結合90°光學混頻技術和科斯塔斯光學鎖相技術，實現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諧特性。信號光和本振光經過光學混頻器后，I、Q兩路信號能夠長時間保持正交特性，科斯塔斯鎖相環可以實現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，并觀測解調信號對應的眼圖，結果表明，該接收機能夠很好地實現基帶信號解調。

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