(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105721061 A(43)申请公布日 2016.06.29
(21)申请号 201610058350.2(22)申请日 2016.01.28
(71)申请人 中国科学院上海光学精密机械研究
所
地址 201800 上海市嘉定区上海市800－
211邮政信箱(72)发明人 孙建锋 张波 张宁 张国
李光远 许蒙蒙 蔡光宇 贾昱成 卢智勇 刘立人 (74)专利代理机构 上海新天专利代理有限公司
31213
代理人 张泽纯 张宁展(51)Int.Cl.
H04B 10/50(2013.01)H04B 10/61(2013.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图1页
H04B 10/11(2013.01)
(54)发明名称
基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置
(57)摘要
一种基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置，其构成包括信号光光源、可调谐本振激光光源、2×490°自由空间光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、第一混频器、第二混频器、差分器、环路滤波器、压控振荡器、信号接收器和相移器。本发明的实现是通过光与光的混合、电与电的混合，不仅降低了对可调谐本振激光光源的要求，而且能够快速跟踪相位变化，实现快速锁定。这对于未来高精度的激光卫星通信的实现具有不可或缺的作用。
CN 105721061 ACN 105721061 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置，特征在于其构成包括信号光光源(1)、可调谐本振激光光源(2)、2×490°自由空间光学桥接器(3)、第一平衡探测器(4)、第二平衡探测器(5)、第一混频器(6)、第二混频器(7)、差分器(8)、环路滤波器(9)、压控振荡器(10)、信号接收器(11)和相移器(12)；
所述的信号光光源(1)的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器(3)的第一输入端相连，所述的可调谐本振激光光源(2)的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器(3)的第二输入端相连，所述的2×490°自由空间光学桥接器(3)的第一输出端和第二输出端分别与所述的第一平衡探测器(4)的第一输入端和第二输入端相连，第三输出端和第四输出端分别与所述的第二平衡探测器(5)的第一输入端和第二输入端相连，所述的第一平衡探测器(4)的输出端与所述的第一混频器(6)的第一输入端相连，所述的第二平衡探测器(5)的输出端与所述的第二混频器(7)的第一输入端相连，所述的第一混频器(6)的输出端和所述的第二混频器(7)的输出端分别与所述的差分器(8)的第一输入端和第二输入端相连，所述的差分器(8)的输出端与分别所述的环路滤波器(9)的输入端和所述的信号接收器(11)的输入端相连，该环路滤波器(9)输出端与所述的压控振荡器(10)的输入端相连，所述的压控振荡器(10)的输出端分别与所述的第一混频器(6)的第二输入端和所述的相移器(12)的输入端相连，该相移器(12)的输出端与所述的第二混频器(7)的第二输入端相连；
所述的信号光光源(1)产生的信号光与所述的可调谐本振激光光源(2)产生的本振光通过所述的2×490°自由空间光学桥接器(3)进行混合，用所述的第一平衡探测器(4)探测得出I路电信号，用所述的第二平衡探测器(5)探测得到Q路信号，再将所述的压控振荡器(10)输出的电信号与I路电信号通过第一混频器(6)经行混频，并将该电信号通过相移器(12)相移后与Q路信号通过第二混频器(7)进行混频，两路混频信号经过所述的差分器(8)得到差分信号，用所述的信号接收器(11)进行接收。与此同时，将差分信号通过所述的环路滤波器(9)后，反馈给所述的压控振荡器(10)，来控制压控振荡器输出信号的频率，实现相位锁定。
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CN 105721061 A
说 明 书
基于2×4 90°光学桥接器的光电混合探测装置
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技术领域
[0001]本发明涉及自由空间相干光通信，特别是一种基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置。
背景技术
[0002]自由空间相干光通信技术以其高接收灵敏度的优势,受到人们的广泛关注，但其系统存在复杂的问题，尤其是高速大范围可调谐本振光源难以实现，于是我们开展了光电混合探测系统的研究。这将对大范围、高带宽的自由空间相干光通信具有非常重要的意义。[0003]现有技术[1](Leonid G.Kazovsky,Balanced Phase-Locked Loops for Optical Homodyne Receivers:Performance Analysis,Design Considerations,and Laser Linewidth Requirements[J],IEEE Journal of Lightwave Technology,1986,4(2):182～195)表明基于决策驱动的光学零差接收器最大可允许的激光线宽为Δv＝3.1×10-4Rb，环噪声带宽的最优值为Bopt＝[4.72ΔvRkPS/q]1/2；现有技术[2](Leonid G.Kazovsky,Decision-driven phase-locked loop for optical homodyne receivers:Performance analysis and laserlinewidth requirements[J],IEEE Journal of Lightwave Technology,1985,3(6):1238～1247)表明基于决策驱动的光学零差接收器最大可允许的激光线宽为Δv＝5.9×10-6Rb,环噪声带宽的最优值为
以上两
种接收器都凭借着各自的优势,受到人们的广泛关注，但是都有一个共同的缺点，即高速大范围可调谐本振光源难以实现。于是我们开展了光电混合探测系统的研究，这将对大范围、高带宽的自由空间相干光通信具有非常重要的意义。
发明内容
[0004]本发明针对星间或星地相干激光通信中的应用背景，提出一种基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置。本装置可以快速的高精度的实现基带信号解调。[0005]本发明的技术解决方案如下：[0006]一种基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置，特点在于其构成包括信号光光源、可调谐本振激光光源、2×490°自由空间光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、第一混频器、第二混频器、差分器、环路滤波器、压控振荡器、信号接收器和相移器；[0007]所述的信号光光源的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器的第一输入端相连，所述的可调谐本振激光光源的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器的第二输入端相连，所述的2×490°自由空间光学桥接器的第一输出端和第二输出端分别与所述的第一平衡探测器的第一输入端和第二输入端相连，第三输出端和第四输出端分别与所述的第二平衡探测器的第一输入端和第二输入端相连，所述的第一平衡探测器的输出端与所述的第一混频器的第一输入端相连，所述的第二平衡探测器的输出端与所述的第二混频器的第一输入端相连，所述的第一混频器的输出端和所述的第二混频器的输出端分别与所述
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说 明 书
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的差分器的第一输入端和第二输入端相连，差分器的输出端分别与所述的环路滤波器的输入端和所述的信号接收器的输入端相连，该环路滤波器输出端与所述的压控振荡器相连，所述的压控振荡器的输出端分别与所述的第一混频器的第二输入端和所述的相移器的输入端相连，该相移器的输出端与所述的第二混频器的第二输入端相连；
[0008]所述的信号光光源产生的信号光与所述的可调谐本振激光光源产生的本振光通过所述的2×4 90°自由空间光学桥接器进行混合，用所述的第一平衡探测器探测得出I路电信号，用所述的第二平衡探测器探测得到Q路信号，再将所述的压控振荡器输出的电信号与I路电信号通过第一混频器经行混频，并将该电信号通过相移器相移后与Q路信号通过第二混频器进行混频，两路混频信号经过所述的差分器得到差分信号，用所述的信号接收器进行接收。与此同时，将差分信号通过所述的环路滤波器后，反馈给所述的压控振荡器，来控制压控振荡器输出信号的频率，实现相位锁定。[0009]与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0010]1、本装置是通过光与光的混合、电与电的混合实现的，降低了可调谐本振激光光源的要求；[0011]2、本装置通过电信号跟踪相位变化，能够实现相位的快速锁定；[0012]3、本发明可以快速的高精度的实现基带信号解调。附图说明
[0013]图1为本发明基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置的结构示意图。具体实施方式
[0014]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此本发明的保护范围。
[0015]图1为本发明原理示意图。由图可见，本发明基于2×490°光学桥接器的光电混合探测装置，构成包括信号光光源1、可调谐本振激光光源2、2×490°自由空间光学桥接器3、第一平衡探测器4、第二平衡探测器5、第一混频器6、第二混频器7、差分器8、环路滤波器9、压控振荡器10、信号接收器11和相移器12；
[0016]所述的信号光光源1的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器3的第一输入端相连，所述的可调谐本振激光光源2的输出端与所述的2×490°自由空间光学桥接器3的第二输入端相连，所述的2×490°自由空间光学桥接器3的第一输出端和第二输出端分别与所述的第一平衡探测器4的第一输入端和第二输入端相连，第三输出端和第四输出端分别与所述的第二平衡探测器5的第一输入端和第二输入端相连，所述的第一平衡探测器4的输出端与所述的第一混频器6的第一输入端相连，所述的第二平衡探测器5的输出端与所述的第二混频器7的第一输入端相连，所述的第一混频器6的输出端和所述的第二混频器7的输出端分别与所述的差分器8的第一输入端和第二输入端相连，所述的差分器8的输出端分别与所述的环路滤波器9的输入端和所述的信号接收器11的输入端相连，该环路滤波器9输出端与所述的压控振荡器10的输入端相连，所述的压控振荡器10的输出端分别与所述的第一混频器6的第二输入端和所述的相移器12的输入端相连，该相移器12的输出端与所述的第二混频器7的第二输入端相连；
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CN 105721061 A[0017]
说 明 书
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所述的信号光光源1产生的信号光与所述的可调谐本振激光光源2产生的本振光
通过所述的2×4 90°自由空间光学桥接器3进行混合，用所述的第一平衡探测器4探测得出I路电信号，用所述的第二平衡探测器5探测得到Q路信号，再将所述的压控振荡器10输出的
并将该电信号通过相移器12相移后与Q路电信号与I路电信号通过第一混频器6经行混频，
信号通过第二混频器7进行混频，两路混频信号经过所述的差分器8得到差分信号，用所述的信号接收器11进行接收。与此同时，将差分信号通过所述的环路滤波器9后，反馈给所述的压控振荡器10，来控制压控振荡器输出信号的频率，实现相位锁定。[0018]本发明工作原理和信号输出分析如下：[0019]假设本振光为平面波，则其复振幅的输出表达式可以写为：
[0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027]
其中，PLO为本振激光器的输出功率,为本振激光器的输出相位，定义如下：
假设信号光为平面波，则其复振幅的输出表达式可以写为：
其中，PS为信号光光源的输出功率，为信号光的输出相位，定义如下：
其中，为激光发射器相位噪声，常数是为了简化过程引进的，在实际过
程中并不产生。为相位调制深度，定义如下：
[0028][0029]
θ为相位调制引起的相位偏差。
[0030]当用BPSK(二进制相移键控)对发射机的发射信号进行调制时，被发射的数据，要么为0，要么为1，d(t)定义如下：
[0031][0032]
为了表示光的偏振状态，进入2×490°自由空间光学桥接器的两束输入光可采用偏振矩阵的方式，即：
[0033]
[0034][0035][0036]
其中，k1、k2、k3和k4分别代表光的偏振状态，
信号光和经带通光滤波器后的光通过90°相移的定向耦合器后分成四路光，经光电二极管探测后得到的四路电信号分别为(为简化计算，假设量子效率为1):
[0037]
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CN 105721061 A[0038][0039][0040]
说 明 书
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R为探测器响应度，n1、n2、n3和n4分别为光电二极管的散粒噪声。其中，
[0042]通过光电检测后的处理，对这四路信号两两相减，消除掉直流分量，可以得到I支路和Q支路的信号表达式为：
[0043][0044][0045]
[0041]
令则通过跨阻抗放大器放大后，I支路和Q支路的输出电压信号表达式
为：
[0046][0047][0048][0049][0050][0051][0052][0053][0054][0055][0056][0057]
其中
N1＝(n1-n2)rN2＝(n3-n4)r
压控振荡器输出的电压信号分别为：
其中，其中，
为压控振荡器的输出相位，定义如下：
定义如下：为压控振荡器的相位噪声，fVCO为压控振荡器的输出频率，
fVCO＝fVCO0+k·VVCO
[0058]VVCO为压控振荡器的输出电压，fVCO0为初始频率，k为电压对频率的影响系数。[0059]电混频器相当于一个乘法器，I支路和Q支路的电压信号与压控振荡器输出的电压信号经过电混频器后的输出表达式分别为：
[0060][0061][0062]
这里，取k＝0.5，电压V5和电压V6经过减法器后，有：
[0063]
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CN 105721061 A[00][0065][0066][0067][0068][0069][0070][0071][0072]
说 明 书
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其中：显然：
则输出电压可化简为：
其中，为总的误差，定义为：
假设低通滤波器是理想的，仅能让低频的误电压V7经过低通滤波器后进行输出，
差信号通过，则经过环路滤波其后的电压为：
[0073][0074]
本装置先将两路光，即信号光和本振光进入2×490°光学桥接器混合后输出两路电信号，再将两路电信号分别与压控振荡器输出的电信号及其混频后的电信号通过混频器进行混频，实验表明，本发明不仅相位跟踪速度快，还降低了对可调谐激光器的要求，这对于未来高精度的激光卫星通信的实现具有不可或缺的作用。
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说 明 书 附 图
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图1
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