平衡光学锁相环的性能分析

李晓光　张剑家　辛德胜　吕曦光　郝博涛

摘 要：光学锁相环是光通信系统的重要组成部分，决定着光通信的质量。本文通过平衡锁相环的原理和结构模型，分析了平衡锁相环的噪声和线宽对相干通信影响。分析结果为相干光通信系统的确立提供了理论依据

关键词：光通信 平衡鎖相环 线宽 噪声

中图分类号：O431 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（c）-0005-03

在通信领域中激光通信系统越来越受到人们的关注，激光通信具有巨大的带宽、好的方向性和无线连接等优点[1]。为提高激光通信的质量，人们越来越关注光学锁相环的设计，其中平衡锁相环是其中研究的重点。平衡锁相环结构简单，实用性强，尤其随着窄谱线激光器的发展，为平衡锁相环在空间光通信系统的应用提供了巨大的空间。

1 平衡锁相环的原理及其结构模型

平衡锁相环如图1所示，它主要包括三大部分：前置电路、1800相移的定向耦合器、平衡探测器。信号光与本振经过1800相移的定向耦合器之后馈入平衡PLL，两个检测器的输出误差信号经由环路滤波器之后控制本振频率。为了达到相位的同步跟踪，光信号的载波不能被完成遏制，需要保留一定强度载波作为导频，以使得本振光进行跟踪并与其相位锁定，否则若平均相位为零，则会出现无相可锁的情况。例如，在PSK调制信号中，利用85%的不完全差相互耦合，就可以保留10%的信号功率，以此获取所需的导频载波分量。

从图中可看到对于每个线宽下都存在一个最佳的误差标准差，使得系统具有最高灵敏度。最佳的误差标准差随着线宽的增加而减小。图5显示了在合理误差方才下，平衡锁相环功率带宽与速率关系。经计算对平衡环而言，最大线宽与系统码率关系为，此时标准方差，功率损失1 dB。由此可看出平衡环对激光器线宽要求较为苛刻。

3 结语

本文通过对平衡光学锁相环路系统模型的建立，分析了影响相干光通信系统的平衡锁相环的噪声和激光线宽以及通信速率等重要参数。通过分析计算，给出了环路最优带宽和最小误差方差表达式，得到了不同线宽下接收灵敏度与误差标准差的关系，并最终确立了平衡锁相环线宽与通信速率关系，分析表明平衡锁相环对激光线宽要求严格。

参考文献

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[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.