基于科斯塔斯锁相环的光学零差相干接收技术

徐圣奇，董光焰，李玉韩，胡 亮，郭涛涛，杨海涛，胡永钊，邬双阳，章宇兵，刘伟伟

(1．中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州450047;2．中国电子进出口总公司，北京100036;3．南开大学现代光学研究所，天津300071)

1 引言

近年来，伴随着我国航天事业的发展，各类侦察卫星的时空分辨率得到极大地提高，侦察卫星与指控终端之间单通道最高通信速率已经要求达到每秒数千兆比特量级［1］，微波通信越来越难以满足信息传输的需求，突破新一代高速率、超长距离信息传输技术已成为当务之急。以窄线宽激光光源作为载体的相干光通信技术不仅可以实现接近量子极限的灵敏度［2－3］，而且可以实现每秒数十吉比特的通信速率［4－5］，这些优点决定了相干光通信技术是实现高速率、超长距离信息传输的有效手段。2008年，德国成功完成了5．625 Gbps的星间相干光通信试验［6］，进一步说明了该技术在空间通信领域具有广阔的应用前景。

本文以窄线宽激光器作为本振源，结合90°空间光学混频技术和科斯塔斯光学锁相环技术，实现信号光的零差相干接收。经2×4 90°光学混频器后，实现I、Q两路信号的正交输出，科斯塔斯锁相环可以长时间实现信号光和本振光之间的相位锁定。试验结果表明，该接收机能够很好地实现基带信号的解调。

2 光学相位跟踪控制技术

2．1 光学锁相环路基本原理

零差相干接收技术可以实现接近量子极限的灵敏度，但需要使用光学锁相技术实现信号光和本振光之间的相位锁定。如图1所示，和电学锁相环相同，光学锁相环主要包括三个最基本的组成部分:等效鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和等效压控振荡器(VCO)。等效鉴相器(PD)是个相位比较模块，主要用于比较信号光和本振光之间的相位差，通常由光学耦合器、90°光学混频器和光电探测器来实现;环路滤波器(LF)具有低通滤波功能，能够滤除高频噪声，通过改变环路滤波器(LF)的参数可以调整锁相环的同步范围、噪声带宽等参数;相比于电学锁相环中的压控振荡器，光学环路中的等效压控振荡器(VCO)是由本振激光器来实现的，根据相位差转化成的电信号来调谐本振激光器的中心波长，从而实现本振光与信号光之间的相位同步。

图1 光学锁相环路基本原理

2．2 DFB激光器相位控制技术

DFB激光器是具有光栅反射器，只有满足布拉格条件的波长才能形成受激辐射，即:

式中，Λ为光栅周期;λB为布拉格波长，m=1，2，3…，是DFB激光器纵模的阶次;n是光栅反射区的折射率。布拉格波长可以通过改变光栅反射区的折射率n来实现调谐，折射率n通常采用电流［7］和温度［8］两种手段来改变。

3 实验与结果

图2为基于科斯塔斯锁相环的零差相干接收机原理框图，主要由光学天线、90°光学混频器，光电探测器，锁相环路和本振激光器组成。在实验中，信号光和本振光均采用窄线宽DFB激光器，其中心波长均位于C波段(ITU标准)，偏振态为线偏振。通过外差拍频的方法，我们首先测量了本振激光器的温度和电流调谐特性，测量结果如图3所示，其中，图3(a)对应温度调谐特性，图3(b)对应电流调谐特性。信号源输出的伪随机二进制序列信号(PRBS)经驱动器放大后，Vpp达到相位调制器的半波电压，将该调制信号加载到相位调制器上，信号光经相位调制器后，即输出二进制相移键控(BPSK)信号。

图2 基于科斯塔斯锁相环的零差相干接收机原理框图

信号光经过光学准直后，入射到90°光学混频器中，信号光I/Q两路的分光比为4∶1，光学混频器的输出的四组光束经光电转换和平衡探测后，输出相位差为90°的I/Q两路电信号，I路主要用于通信，其输出电信号经功分器分路后，其中一路信号和Q路信号同时送入环路滤波器。图4为示波器采集的两路信号时间分布图以及对应的李萨如图形，通过拟合可以得到两路信号幅度相等，相位差严格保持90°。由于环境温度等因素的影响，通常等效鉴相器输入两路信号往往存在一定的幅度和相位不平衡，用示波器实时监测I/Q两路信号的幅度和相位，并实时调整本振激光器和90°光学混频器，确保I/Q两路电信号满足环路滤波器(LF)输入接口要求。

图4 I/Q两路信号的李萨如图形

零差相干接收机采用科斯塔斯光学锁相环，这种类型的锁相环对激光器的线宽要求不高，其I/Q两路电信号相乘后可以直接得到相位误差信号，该信号经低通滤波器滤波后作为本振激光器的控制信号，科斯塔斯锁相环可以有效消除数据信号和锁相信号之间的相互串扰，因此锁相残差较低［9］。本振激光器的频率采用温度粗调谐和电流精调谐相结合的双环路调谐模式，两个环路彼此独立，互不串扰。激光器本身带有温度控制电路，温度调谐通过串口直接发送控制字符的方式来实现。激光器经过预热稳定后，本振激光器开始扫频，通过频谱仪实时测量信号光和本振光之间的拍频信号，当拍频信号的频率足够低时，停止温度粗调谐，并闭合锁相环路转入电流精调谐。

锁相环闭合后，I/Q两路电信号被送入鉴相器并解算出相位差信号，该信号经环路滤波后，送入本振激光器的控制端，通过实时控制本振激光器的频率和相位实现信号光和本振光之间的相位锁定，调整环路滤波器的参数，确保获得最小的锁相残差。将信号源加载到相位调制器的调制信号和相干接收机输出的解调信号同时送入高速示波器中，将采集的两组数据用matlab中的eyediagram函数重构的眼图，如图5所示，其中，图5(a)对应调制信号的眼图，图5(b)对应相干解调信号的眼图，从测量结果可以看出，环路锁定条件下相干解调信号的眼图能够明显睁开。

图5 2Gbps调制信号和相干解调信号对应的眼图

4 结论

本文以窄线宽DFB激光器作为光源，结合90°光学混频技术和科斯塔斯光学锁相技术，实现了信号光的零差相干接收。通过外差拍频的方法，测量了窄线宽DFB激光器的温度和电流调谐特性。信号光和本振光经过光学混频器后，I、Q两路信号能够长时间保持正交特性，科斯塔斯锁相环可以实现信号光和本振光之间的相位同步，通过接收2Gbps的二进制相移键控(BPSK)信号，并观测解调信号对应的眼图，结果表明，该接收机能够很好地实现基带信号解调。

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