高速BPSK相干光通信系统对激光器线宽要求VIP免费

收稿日期:2009－10－12;修回日期:2009－12－24高速BPSK相干光通信系统对激光器线宽要求徐争放(中国空间技术研究院西安分院，西安710000)摘要文章概述了激光器相位噪声对零差相干检测光通信系统性能的影响，对特定的基于平衡探测的科斯塔斯(Costas)环路接收系统相位误差进行了详细的理论分析，最后获得了不同传输码速率下的零差相干检测光通信系统对激光器线宽的具体要求。关键词激光通信相干检测锁相环(PLL)0引言光通信系统因其本身具有的巨大带宽、好的方向性及可以无线连接而受到关注。另外，激光系统的体积小、质量轻、功耗低等优点以及空间激光链路抗截获能力强、保密性好的特点，其在特定领域的应用越来越受到关注［1］。随着激光技术的飞速发展，实用的无线激光通信系统也从最初的强度调制/直接检测逐渐向相位调制/相干检测过渡［2～5］。相对于直接探测系统，相干检测系统的条件要苛刻得多，所有这些限制条件为系统换来的最大好处是极大地提高了系统的灵敏度。其中，对高稳定度、极窄线宽的本振激光源就有很严格的要求。目前，受限于激光器发射功率、频率稳定度及线宽，对激光相干技术的研究将更多的注意力放在1064nm和1550nm两个波段。文章将以特定的平衡探测、零差接收系统为研究对象，对激光器线宽与传输码速率的相互关系进行简单的讨论。1激光器相位噪声对零差检测光接收系统性能的影响光通信系统与电通信系统比较，载频与信息信号带宽方面有巨大差异，导致在光通信系统中会提出特定的技术问题。例如光通信领域，相干常用来描述存在本机振荡器光波叠加到输入信号的系统，并不要求一定要恢复、利用载波的相位、频率进行解调和检测，这一点与经典相干通信系统的含义不同;在电学领域，载波线宽的概念很少被提及，主要是因为它的线宽可低至几分之一赫兹。而根据半导体激光器的工作原理，即使对于单频激光器，由于受到相位噪声的影响，发射的信号也不能用纯正弦波来表征，其大小是用激光器的线宽来评判的，换言之，激光器相位噪声的大小与其线宽直接相关。在文献［6］中，将激光器的噪声频谱根据不同的物理现象分为3个主要的区域:激光器温度波动产生的闪烁噪声、对应于激光器腔谐振频率的张弛频率噪声、及处于闪烁噪声和张弛频率噪声之间比较平坦的白频率噪声。在实际系统中，闪烁噪声将导致低频成份(慢变部分);张弛频率噪声位于比系统带宽高得多的频率上，其对激光器相位噪声的影响由于频率、相位的积分关系而大大减弱;白频率噪声的影响是最为关键的。基于白频率噪声影响的设定，激光器发射的未调制信号可以表示为:es(t)=Esej［w0t+(t)］，其中，(t)为零均值白高斯噪声，其功率谱密度为2πΔv，可以获得激光器输出谱为罗伦兹线形的结论(Δv是激光器的谱线宽度)，与实际测试结果相符，这也进一步6空间电子技术SPACEELECTRONICTECHNOLOGY2011年第1期证明了白频率噪声影响的重要性。在相干光通信的同步系统中，检测过程利用了载波的相位。由于信号源本身受到相位噪声的严重影响，同步检测系统甚至会出现利用信号功率的增加也无法减小误码率的情况，即系统出现误码率本底。针对本机振荡器参考信号不准确相位对PSK系统性能的影响，参考文献［6］中有明确的结论，如图1所示。图中给出了不同相位误差(相位误差的标准偏差用δe表示)下，误码率与比特光子数表示的接收信号功率之间的关系。图1不同相位噪声偏差下，零差BPSK接收系统误码率与比特光子数的关系根据图1可以获得激光器相位噪声对零差检测的光接收系统的影响情况。图中每条曲线大致可以分为2个部分:前半部分误码率随着接收信号功率的增加迅速减小、后半部分误码率随着接收信号功率的增加几乎没有变化，即出现误码率本底;激光器相位噪声越大，本底误码率值出现得越早。特别是激光器相位噪声越大、本底误码率值出现得越早这一特点，将是零差BPSK载波跟踪光通信系统的一个基本限制。2相位误差对基于平衡探测的Costas环路接收系统的相关分析在零差探测的激光相干接收系统中，常用于恢复载频的方法包括残余载波跟踪环路、判决驱动环路、Costas环路法，以上几种方法各有优缺点。文中主要选择基于平衡探测的Costas环路接收系...