1、北京邮电大学硕士学位论文相干光通信系统中的锁相技术研究姓名：汤福明申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：林金桐20090226北京邮电大学硕十学位论文相干光通信系统中的锁相技术研究摘要相干光通信的主要优点是灵敏度高，但是它对接收端和发送端的激光源的频率差稳定性要求高。相干光通信中包含了光锁相环，为了更容易的实现锁相，对激光器的线宽要求很高。本文使用的是松下的窄线宽DFB激光器，线宽为05MHz，最大功率为14dBm，设计了该激光器的驱动电路，并实现了峰峰值小于10mY的低纹波电源系统。利用驱动电路测试了松下激光器的温度特性和电流特性，分别为400MHzmA和10GHzC。利用平衡接
2、收机得出了拍频的相噪特性和频率漂移特性，发现了隔离器对于稳定中频的重要性。并利用马赫泽德干涉结构测量单个激光器的相位噪声和频率漂移，得出频率漂移速率为kHz量级，为相干光通信的锁频电路提供了根据。鉴频鉴相器对于锁相环电路是必不可少的，本文通过PFD和分频器还有环路滤波器设计了一个高频的锁相电路。利用高速实时示波器得出了鉴频检相器在不同情况的输出，并得出了环路滤波的直流输出，为后面的锁相提供了实验根据。相干光通信中的中频频率的改变能增加系统的灵活性，在锁相电路中，可以通过改变参考时钟能改变中频频率。为此本文设计了一个直接数字频率合成电路，该电路能实现幅度为04V、频率为0200MHz的正弦信号输
3、出，从而能为锁相电路提供灵活的参考时钟。在该电路的驱动程序中，移植了一个实时的操作系统内核，并设计了键盘扫描和SPI串行通信任务，任务间通过消息邮箱实现通信，这样能灵活的设计任务并最大化的实现直接数字频率合成源的其它功能。其中还探讨了多层电路板对阻抗匹配、信号完整性、EMI控制的必要性。关键词：相干光通信系统，激光器驱动电路，光锁相电路，直接数字频率合成北京邮电大学硕士学位论文THE RESEARCH oF THE oPTICALPHASELoCK LooP IN CoHERENToPTICAL CoMMUNICATIoN SYSTEMABSTRACTThe advantage in cohe
4、rent optical communication system is theincreased sensitivityTo realize itit iS inevitable to use optical phase lockloopIt is important to realize the higher stability intermediate frequencybetween the transmitter and the receiver laser diode and also important touse narrower linewidth laser diodeTh
5、e paper first introduced the circuitdriver of distributedfeedback 1aser diode(LNFE03YBE 1 UPl with alinewidth of 05MHz and a maxium power of 1 4dBmThen we showedthe frequencytemperature and frequency-current characteristic，whichare 400MHzmA and 1 0GHzrespectivelyThen the Paper introducedthe experime
6、ntal platform to analyze the intermediatefrequency(IF)characteristic of coherent receiver,and also came up with a novelarchitecture to reduce the fluctuation of the intermediate frequencyFinally the paper adopted a setup which consists of a MachZehnderInterfe：rometer and a balanced detector to test
7、the frequency fluctuationspeed of the laser diodeand came to a conclusion that the IF fluctuationspeed is kHzPhasefrequency detector is inevitable for an optical phaselock loopThe paper introduces a highfrequency printed circuit board whichcontains a frequency divider,a phasefrequency detector,an ac
8、tive loopfilterWith a 3GHz bandwidth realtime oscilloscopethe desiredcharacteristic of the PFD and loop filter iS measuredIn cohemnt optical communication system，the IF can be tuned bythe reference sourceThe paper introduces a frequency source realized bydirect digital synthesize(DDS)The DDS can out
9、put DC to 200MHz sinewave and its amplitude iS about 400mVIn this four-layer printed circuitboard，it consists of AD9959，PIC l 8F452 and keyboardThe driver of thecircuit iS composed of a U COSII kemel and two tasksone iS a北京邮电人学硕+学位论文keyboard scanning，another is the SPI communicationThe taskscommunic
10、ate with mailboxThis mechanism can maximize the functionof AD9959There are also some instructions to keep critical signalSsignal integrity,control the electromagnetic interfere，hold thecharacteristic impedance an so onKEY WORDS：coherent optical communication system，lownoise laserdiode driver,optical
11、 phaselock loop，direct digital frequency synthesizerIV独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：墨塑暨望 日期：!呈Z二!：j?关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学
12、有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：墨堡盟导师签名：日期：=：呈二二：!日期：鲨2二圭兰鱼北京邮电人学硕十学位论文11相干光通信系统111相干光通信系统的背景第一章绪论弟一早三；百下匕在七十年代，损耗为20
13、dB的光纤问世后，人们最先研制并使用IMDD(Intensity ModulationDirect Detection，强度调N直接检测)方式的光纤通信。由于这种方式具有简单、经济、易于调整等优点，而且也能满足当前要求，所以在七十年代人们忽视了对光纤相干光通信方式的研究。到七十年代末期，随着光纤通信的发展，为了得到更大容量、更长距离的光通信系统，人们开始把注意力转到光纤相干光通信方面来。到八九十年代，相干光通信已成为研究热点。然而由于掺铒光纤放大器(EDFA)和波分复用(WDM)技术的出现，使得相干光通信技术的发展缓慢下来n。21。在这段时期，光通信系统的灵敏度和信息容量已经不再是研究的热点。
14、最近几年，相干光通信技术再次复苏。原因如下：一，在数字通信方面，提高C带放大器的放大能力，克服有害的光纤色散效应，增加空间通信的距离和容量成为光通信系统中的重要考虑因素；二，在空间光通信传输方面，相干检测引起了人们极大的兴趣，因为空间光通信传输依赖于高功率激光器和高灵敏度接收等技术H1。采用相干检测技术的星间光通信的数据流量相当于甚至超过整套微波转发设备的数据流量H1。而且，光通信比微波通信能量更集中，使通信更加安全。将单一的光通信系统替代整套的微波转发设备，可使空间通信设备的复杂性大大降低，同时它的重量和能量损耗也会大大减少。三，光器件的研究取得了很大的进步，这些进步包括激光器的功率，线宽和
15、噪声，以及光电探测器的带宽，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善口3。四，在直接检测系统中，只能使用强度调制方式对光波进行调制。而在相干光通信中，除了可以对光波进行幅度调制外，还可以进行频移键控或相移键控。虽然这样增加了系统的复杂性和光损耗，但是相对于IMDD只响应光功率的变化，相干探测可探测出光场的振幅、频率、位相携带的所有信息，因此相干探测是一种全息探测技术，这是IMDD体制不具备的。北京邮电人学硕十学位论文112相干光通信系统的关键技术已经证明，与IMDD通信方式比较，相干光通信方式的主要优点是灵敏度高、选择性好【5】，但它也有几个方面的技术难题需要攻克。1外光调制技术由于半导体激光器
16、对光载波的某一参数直接调制时，总会附带对其他参数的寄生振荡，如ASK(调幅)直接调制伴随着相位的变化，而且调制深度也会受到限制。另外，还会遇到频率特性不平坦及张弛振荡等问题，因此，在相干光通信系统中，除FSK可以采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用外光调制。外光调制是根据某些光电或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。外光调制器主要包括三种，它们分别是利用光电效应、声光效应和磁光效应制成的调制器叩1。采用以上外调制器，可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。目前对外光调制器的研究比较广泛，如利用铌酸锂(LiNb03)马赫干涉仪或定向耦合式的调制器
17、可实现ASK调制，利用量子阱半导体相位外调制器或LiNb03相位调制器实现PSK调制等口1。2稳频技术在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。如对于零差检测相干光通信系统来说，若激光器的频率(或波长)随工作条件的不同而发生漂移，就很难保证本振光与接收光信号之间的频率相对稳定性。外差相干光通系统也是如此。因此只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性，才能保证相干光通信系统的正常工作。激光器的频率稳定主要由三种m：(1)将激光器的频率稳定在某种原子和分子的谐振频率上；(2)利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边带的方法实现稳频；(3)利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电
18、流的自动控制等方法实现稳频。3频谱压缩技术在相干光通信中，光源的频谱宽度也是非常重要的。只有保证光波的窄线宽，才能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响。而且，其线宽越窄，由相位漂移而产生的相位噪声越小。为了满足相干光通信对光源谱宽的要求，通常采取谱宽压缩技术。主要由两种实现方法：(1)注入锁模法，即利用一个单模工作的频率稳定、谱线很窄的主激光器的2北京邮电人学硕+学位论文光功率，注入到需要宽度压缩的从激光器，从而使激光器保持和主激光器一致的谱线宽度及稳定性；(2)外腔反馈法。外腔反馈法是将激光器的输出通过一个外部反射镜和光栅等色散元件反射回腔内，并用外腔的选模特性获得动态单模
19、以及依靠外腔的高Q值压缩谱线宽度。4偏振保持技术在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须有相同的偏振方向，也就是说，两者的电矢量方向必须相同，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度，否则，会使相干探测灵敏度下降。因为在这种情况下，只有信号光波电矢量在本振光波电矢量方上的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。若失配角度超过600，则接收机的灵敏度几乎得不到任何改善，从而失去相干接收的优越性。因此，为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采用光波偏振稳定技术。目前，主要有两种方法：一是采用“保偏光纤“，使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。但保偏光纤与普通单模光纤相比，其损耗较
20、大，价格比较昂贵；二是使用普通单模光纤，在接收端采用偏振分集技术阳1。5中频放大技术在相干光通信中，中频放大的技术也是非常重要的。因为中频信号的频率是本振光与信号光的差频，而通常本振光的频率很高，所以中频放大器是一个宽带高频放大器。又由于它位于接收机的最前端，这就要求它是低噪声的。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。同时，它所接收的信号是很微弱的，所以中频放大器必定是一个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入，因此
21、要求放大器有足够的线型范围，而且增益最好是可调节的。除了以上关键技术外，对于本振光和信号光之间产生的相位漂移，在接收端采用相位分集接收技术以消除相位噪声；为了减小本振光的相对强度噪声对系统的影响，可以采用双路平衡接收技术；零差检测中为了保证本振光与信号光同步而采用的光锁相环技术，以及用于本振频率稳定的AFC(自动频率控制)等。12 相干光通信系统的锁相环路在相干光通信系统中，锁相电路是提高灵敏度的关键因素，也是相干光通信中的一大难点。有人设计了各种不同的方案，最常见的一种锁相环路如图11所示，其中主从激光器都是半导体型的，虽然固体激光器的OPLL(光锁相坏)北京邮电人学硕十学位论文实现相对简单
22、，但是它体积庞大、耗能大，所以不够实用。半导体激光器的相位噪声大，所以需要比较大的环路滤波带宽，同时需要比较短的反馈时延，分立的光电器件是无法实现的，所以需要光电器件一体化归1，鉴于目前光器件性能的提高，这种锁相环路的实现变成了可能，但是成本会非常昂贵。接收桃+射图11光锁相环路原理图钟有人提出了一种基于副载波调制的光锁相环路(SCOPLL)，如图卜2所示。其中光压控振荡器是一个非常关键的部分，是由一个连续外腔可调谐激光器、电的压控振荡器、外幅度调制器组成n制。采用这一技术的优点是不会产生一些原来的技术里出现的干扰现象，如伪相位旋转或伪幅度调制(spurious phase rotation
23、orspurious amplitude modulation)。而且，SCOPLL的频率调谐速度与内置的电子压控振荡器的速度一样快，因此有望实现高带宽的光学锁相环。除了上述的锁相方法，除了这些以外，还有注入光锁相等其它锁相方式。图1-2副载波调制的光锁相环路原理图4北京邮电大学硕十学位论文实现本振光与信号光的相位锁定的另一途径是采用相位分集技术。随着数字信号处理(DSP)技术的发展，这些问题得到了很好的解决。使用数字相干接收机可以在电域完成这些功能，并且不需要锁相环n引，这使得相干探测系统的复杂程度大大降低。而且，使用合适的线性数字滤波器可以很好的补偿系统中的色度色散和偏振模色散。这种方案随
24、着DSP的发展将会得到更大的发展。13 论文主要内容本文主要的研究内容是研究了相干光通信中激光源的频率特性，拍频的频率特性，锁相电路的研究。本文第二章首先从激光器的驱动电路设计开始，设计了一个低纹波的驱动电路，并测量出激光器的温度一频率特性和电流一频率特性，然后利用两个激光器的拍频得出中频信号的特性。其中通过不同的实验得出隔离器对中频的重要性。接着通过一个马赫一泽德干涉结构测出了拍频中心频率偏移的速度，为后面的锁频提供了理论依据。通过设计锁相环电路，得出了鉴频鉴相器的特性和环路滤波器的特性，为相干光通信的锁相提供了初步的基础。通过设计一个频率源可以提高相干光通信系统的灵活性。本文第三章设计了一
25、个直接数字频率合成电路(频率源)。首先介绍了直接数字频率合成的原理，并介绍了数字频率合成电路中的各个关键部分，包括平衡转非平衡，200MHz无源低通滤波电路等。然后介绍了单片机控制部分的程序设计，包括ItCOSII实时操作系统的移植和键盘扫描、SPI串行通信等。最后通过示波器和频谱仪的测量，得出不同频点的相噪并对杂散频谱进行了详细分析。本文第四章对论文工作进行了总结并对其中的不足提出了改进意见。北京邮电人学硕十学位论文第二章相干光通信系统的锁频实现21高功率DFB激光器的驱动电路设计相干光通信系统所采用的光源频率必须保持很高的稳定性，其光源的微小变化，将影响接收机的灵敏度。通过对各种半导体激光
26、器包括：多量子阱半导体激光器(MQW)、分布反馈半导体激光器(DFB)、分布布拉格反射激光器(DBR)、外腔半导体激光器(ECL)的频率稳定度、谱线宽度和集成性等指标进行对比分析，选择频率稳定度和谱线宽度较窄，集成度高的DFB激光器作为相干光源。本文使用的为松下公司的LNFE03YBElUP半导体激光器。DFB激光器LNFE03YBElUP的控制电路包括低噪声、低纹波电源系统和温度控制及其电流驱动控制，如图21所示。电流驱动采用Wavelength公司的LDDIP模块，最大输出电流200mA，电流纹波和噪声小于5pA。211电源系统的设计图21激光器驱动电路的原理框图激光器的频率(也就是波长)
27、对温度和电流非常敏感，电源的纹波会导致频率波动更加厉害，从而导致锁频锁相环路的失效，所以电路的电源供给必须有很小的纹波和噪声。这里的电源系统包括了开关电源、低压差线性电源(LDO)、有源滤波模块，电源输出电压的纹波峰峰值能小于5mV。VICOR公司的有源滤波模块QPOl能在lkHz到500kHz范围内提供6北京邮电人学硕士学位论文30dBPARD(周期与随机偏差)衰减，即能有效地减少开关电源的纹波幅度【1 31。下面的图22是最终实现的+-5v的低纹波电源系统原理图：图2-2低噪声低纹波电源系统磁珠是起到隔离的作用，磁珠的阻抗特性在低频很低，高频时很高。所以磁珠能阻止高频分量通过，并且能把高频
28、分量转换为热量。开光电源由于其开关特性，含差模和共模传导噪声，一般的电路用两个电容就能旁路掉高频和低频噪声。下面介绍电容的频率特性：(a) (b)图23电容的实际模型和对应的阻抗曲线电容的实际模型如图2-3(a)所示，它包括等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)，其阻抗可以由表达式(21)所示。北京邮电人学硕十学位论文胤。出去 (21)根据表达式(21)可以得出阻抗随着频率的变化而变化，如图23(b)所示。可以看出，频率超过谐振点以后就阻抗就会随着频率的增加而增加，这时候旁路特性就不好了。一般的滤波都采用两个容值不一样的电容并联，并且容值相差100倍。大电容对低频有更好的旁路的效果，小
29、电容对高频有好的旁路效果，当相差100倍时，并联的电容的高频旁路有更好的效果。由上面的表达式可以看出，一个电容的寄生参数包括等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。在实际的旁路电容中，焊盘的电感和过孔的电感还有连线的电感都会影响电容的旁路特性。为了提高电容的旁路特性，在走线时要注意一些规则使寄生的电感最小。这些包括：选择封装小的电容，比如用0603或0402贴片电容，旁路电容和电源平面或是地平面的通孔可以大一些，旁路电容尽量靠近电源平面或地平面，这样能缩短连线。旁路电容和电源平面或是地平面的连线尽量粗一些。降低纹波有两种实现方式，一种是无源的方式，即通过电容电感来实现纹波的抑制；另外一
30、种方式是采用有源的方式。在电源系统中，不仅需要低噪声，同时也需要快的瞬态响应，如果使用无源的方式，即用电容电感来滤波，那么低噪声和快的瞬态响应是矛盾的，因为电感是阻止快的瞬态响应的。QPO1纹波衰减芯片不仅能够对lk500kHz有大于30dB的衰减，对50Hz500Hz有大于20dB的衰减，而且能增加电源系统的瞬态响应，减小了由于动态负载而需要的输出电容的个数。所以这个有源滤波芯片既能满足纹波需求，也能满足瞬态响应。由于需要测定的纹波频率带宽为30MHz以下(传导辐射)，所以设定示波器的带宽为20MHz，我们能够得出经过滤波前的纹波特性和经过纹波滤波芯片后的纹波特性，图2-4(a)是没有经过有
31、源滤波的纹波特性，图2-4(b)是经过有源滤波后的纹波特性，可以看出纹波幅度明显降低了很多。为了能J下确的测出纹波大小，必须选择正确的测量方法。示波器的探头带了一根很长的地线，如果在测试点的地连接探头的地，那么这将是一个很大的环路，这个环路将耦合外面的磁场进来，从而导致耦合了噪声。为了避免这个假信号，最好的测量方法是把示波器的探头的地以最近的方法连接测试点的地。北京邮电人：学顷十学位论文(a)图24纹渡滤波前后波形210自动温度控制和电流驱动温度控制有两种方案：ADN8830方案和HTC3000温度控制模块方案。ADN8830方案以ADI公司生产的温度控制芯片ADN8830为核心，然后通过配置
32、外围的阻容网络来构成PID或简单的积分电路，输出的控制信号去控制两个MOSFET，即FAIRCHILD半导体公司生产的FDW2520C，来驱动激光器的TEC，从而实现自动温度控制。但是在实际的使用过程中，发现使用ADN8830来实现自动温度控制，容易出现以下问题：1 需要配置阻容网络来构成PID或秘分结构，同时还需要另外两个MOSFET来完成驱动工作，因此电路结构相对复杂；2 在实际测试中发现，自己配簧的PID结构很容易发生振荡，使得激光器输出也产生振荡现象，这卜振荡将增加相位噪声，引起锁相环路的失锁；3 山于ADN8830构成的温度拄制需要自己进行芯片级的PCB布局和设计，虽然可以通过不断的
33、优化设计来减少温度控制所带来噪声影响，但晟终的实际效果与使用HTC3000温度控制模块相比还是相击甚远。基于I面晌蟓囡，最后更换了ADN9930的方案，转而使用HTC3000温度控制模块。HTC3000温度控制模块是由Wavelength Electronics公司生产的高效率，高稳止性温度控制器，控制精度可达o 001。千H比于ADN8830，使用HTC3000温度控制模块有以下优缺点：1 湍度拧制精度更高，更稳定，同时具有可酾的比例增益，proportionalGain(P)，和积分常数，IntegratorTimeConstant(I)，从而具有更好的叮移植性，刈J。不同的激光器，都能达
34、到最好的性能：2 模块化，使得无|是原理罔还足PCB设都大大的得以简化：北京邮电人学硕十学位论文3 噪声更少，对光板上其他模块的影响更小了；4但是相对占用光板的面积略大；5相对成本略高；电流驱动采用Wavelength Electronics公司的LDD1P芯片，能提供最大200mA的电流，在恒电流模式下温度系数小于100ppmC，噪声和纹波(RMS)小于50pltl5】，所以有很好的特性。213激光器在相干光通信中，接收端激光器的功率对灵敏度的影响非常大，但是如果激光器的功率太大，则要求平衡接收机的输入功率也要很大。基于实验室平衡接收机的指标，选择了松下公司LNFE03YBEluP激光器，该
35、激光器的最大输出功率是14dBm，最大驱动电流450mA，峰值波长154531nm，边模抑制比454dB，相对强度噪声158dBHz，线宽05MHz，退偏度38dB。由于该激光器的外壳连接了Laser Diode的正极，为了激光器的安全，采用负电流驱动，即把激光器的外壳与地相连，负极接负电压。激光器的温度对波长的响应是一个慢变的过程，而电流对波长的响应是快变的。综合温度控制电路、电路驱动电路和激光器，设计了如图25的驱动电路原理图：lnntp图2-5激光器自动温度控制电路和电流驱动原理图10北京岍U人学硕十学位论j在上述设计的驱动电路中，通过调节温度实现激光器波长慢速大范围调谐，通过改变驱动电
36、流实现波长快速小范围调谐。图2-6为光谱仪测得的激光器输出波托及输出功率随注入电流变化曲线，当注入电流足够大时，小范围内改变输入电流进行激光器调频对输出功率的影响非常小。图26激光器精出波长爱群蔷功率随注八电流变化曲线22接收端与发送端的拍频特性相干光通信中有两种接受方式，一种是零差，另外一种是外差。如果信号光与本振光的频率相等，即，IF-O，这种检测称为“零差检测”。若信号光与本振光的频率不同，即J rFO，则称为“外差检测”。零差由于对相位非常敏感，导致接收端的实现非常复杂，同时对发送端和接收端的源要求很严格，所以这里使用外差的接收方式【。采用外差接受的原理框图如图2-7(刮听示，图27为
37、激光器驱动电路。罐图2-7中颊电路宴现原理图(8) “囤28教光嚣的电流和温度调颊特性北京邮lH人学硕1。学伉沧立平衡接收机能抑制强度噪声，在多信道系统中能抑制相邻信道的干扰，所以基本在所有的相于光系统中都是用平衡接收机。实验中用的平衡接收机是Discovery公司的DSC720，带宽为20GHz，响应度为O 65(1550rim)，CMRR(共模抑制比)为30dB，PDL为005，最大功率为13dBm。利用40G电谱仪观察两个DFB激光器拍频可得到被测激光器更精确的调频特性，如图2-8所示激光器的电流和温度调频特性分别为400MHzmA和10GHzC。圈2-9中额信号在频谱议上不同时刻的结果
38、在图2-9中可以看出，拍频的线宽稳定，3db带宽大概为2MHz。这是由于这个线宽主要由激光器的线宽所决定的。但是中心频率波动很大，图中每格是IOMHz，所以波动达到了17MHz左右，在相干光通信中，要实现锁相电路，这么宽的相噪是很难实现的。经过实验证明，对接收端和发送端激光器各加一个隔离器可以消除反射，实现了拍频的稳定并且波动不到2MHz。图2-10(a)为原理图，图2-10(b)为取样示波器测出的信号，图2-10(c)为更为稳定的中频信号。蕤#留腊，豳图210 DFB激光器加隔离嚣的拍频特性a慨翔潮蠹翳馘黎篱鍪激萋懑豢撩蓊霾囡圈鬃誊北京邮电人学硕十学位论文23激光器的频率漂移特性要实现锁相必
39、须得先实现稳频，也就是拍频的中心频率要稳定。上面的实验可以看出中心频率在来回波动。为了更精确的获得激光器的频率漂移速度，通过一个马赫-泽德干涉结构可以大概得出中心频率的波动频率。采用图211(a)所示的马赫一泽德干涉结构测量激光器的相位噪声和频率漂移情况，两干涉臂之间的延时不变。下面为其数学原理：A：cos(wd+)B：cos(wd+砚+月+f) (2 2)C：cos(Awt+妒(I)+f)A表达式为没有经过光延时线的信号；B表达式为经过光延时线的信号；C表达式为经过平衡接收机的信号，Aw为频率漂移，妒(O为线宽导致的相位噪声。睦驴E扛社一囝2-11激光器的频率漂移测试实验曩结果低频实时采样示
40、波器上获得的波形如图2。1】(b)(c)所示，反映了激光器的相位和幅度漂移谜度。图中大幅度的周期变化信号反映了激光器的频率漂移，而快速微小的幅度抖动反映了激光器的相位噪声变化。激光器具有速度在秒量级的频率漂移以及微秒量级的相位噪声抖动，它们在电谱仪上分别表现为中频信号中心频率的漂移和线宽展宽。从罔21l(b)能得出频率漂移的速度是kHz量级的，所以可以通过合适的锁频电路柬稳定中心频率。北京邮电人学硕十学位论文24相干光通信接收端锁频电路241锁频原理激光器拍频得到中频时钟含有很大的相位噪声，如果采用经典锁相环，需要设计很宽的环路滤波器，对锁相环路延时要求很高，考虑到环路中包括一段较长光路传输，
41、如果不采用集成设计很难实现环路延时要求，但多个功能器件的集成设计就目前技术而言很难实现，本文先对中频时钟分频，降低相位噪声，再做相位误差探测，降低了对环路滤波器带宽和环路延时的设计要求，再通过将分立微波器件设计到同一块PCB(印刷电路板)上，并在光路中插入尽量短的光纤尾纤，就能满足环路延时的需要，原理框图如图212所示。其中的参考源设计采用直接数字频率合成(DDS)来实现，这样能灵活的改变参考频率，从而灵活的输出中频频率，提高相干光通信系统的灵活性。图212相干光通信锁相原理框图在上述方案的锁相环中，为了实用化，用半导体激光器比较合适。为了能实现锁相，半导体激光器必须满足以下要求【9】：对于一
42、个给定的环路时延，激光器的线宽决定了最小的相位误差的方差(phaseerror variance)。光电器件和微波器件能导致的最小时延大概是04ns，为了满足相位方差，拍频的线宽要低于8MHz。如果要实现小于04ns的环路时延，可行的方法只有集成光电器件。 激光器的调频特性直接影响环路的转移函数，调频特性要平坦。 为了达到高增益环路，激光器的输出功率必须要大于5roW。 强度噪声和IM(直调)必须比较低，因为输出功率的波动将通过环路转换成相位噪声。14北京邮电大学硕士学位论文环路滤波的要求如下【9】：为了减少相位噪声，激光器的线宽必须很窄，回路滤波带宽要宽。相噪太大的话不仅会恶化输出信号，而且
43、会使电路失锁。回路滤波带宽要宽，必须要满足下面的条件：A环路时延必须要小；B微波器件的响应带宽和本地激光器的FM(调频)响应必须宽并且要在幅度和相位方面一致。参考频率源用直接数字频率合成，本文第三章将讨论直接数字频率合成的原理和电路设计。242电路设计由于锁频电路中中频的频率高达10G，对电路板的板材有更高的要求。在这里，我们使用罗杰斯板材。这种板材的优点是：介电常数稳定，能保持阻抗的稳定性，介电常数低，能传输更快的速率，而普通的FR4就没有这么适合。为了给整个PCB板提供所需电压，电源系统需要有个低阻抗，地平面也需要有个低阻抗，低阻抗的电源和地平面能够保持电源系统的完整性。为了实现这个目的，
44、需要单独的平面层和合理的旁路电容，耦合电容。电源部分有可能离芯片比较“远”，而连接二者的导线具有分布的电阻、电容和电感，且这些参数和导线的长度相关，如电感和导线的长度成J下比等，这些分布参数都会影响能量的传送，因此需要在芯片处“去耦”，而对开关电源的滤波电容则称为“旁路”。在芯片的旁边放置一个小电源(比如电容)，能让电容到芯片Vet管脚之间的走线长度最小，从而减少环路面积。这能尽量减少由导线电感引起的电压降问题。且由于回路环路减小了，所以(电磁辐射)EMI也减小了。在Allegro中布线时，对高频线都得当作传输线。所以不能走直角线，直角线尽量走45度线。线不能走的太长，太长的话就相当于一个天线
45、，这样将产生EMI问题，将干扰别的电路。电感是电源和开关之间阻抗的主要来源。例如，对于10mil宽度的走线，电阻、电容和电感分别大约是002Din，2 pFin和20nilin。这些是用于PCB板的走线(微带线和带状线)和导线的典型数据。当频率大约高于100 kHz时，感抗是主要阻抗。因此，增加去耦电容具有两个作用。一是它将减少开关期间，电源和芯片之间的导向电感。这将保护芯片的Vcc不会减小到低于进行J下常电路操作所需的电压值。另外，它可减小高频电流流动的环路面积以及相应的EMI。这些在原理图设计和PCB布线时都得到了体现。如下图213和214：北京邮电人学硕士学位论文图213分频和鉴频鉴相电
46、路图214有源环路控制器电路PCB电路板如图215所示，其中包括电源系统、高频开环锁频电路、激光器驱动电路等。对关键部分进行开槽隔离，以防不同电路的互相干扰，从而引起电路工作不J下常。16北京邮lU人学硕十学位论文2,43结果分析固2-15妾频电路PCB板电路数字鉴频检相器(Phase Frequency Detector)是这个锁频环路中非常关键的一个器件。由于在锁频环路中，中频信号在10G定右，而一般的鉴频鉴相器输入频率是没法达到这么高的，所以必须对中频信号采用分频再鉴频。在该电路中，应用的是HITTITE公司的HMC440QSl6G鉴频鉴相器。HMC440集成了一个10M一1300MHz
47、的数字鉴频鉴相器和一个输入为102800MHz的2分频至32分频的分频器。当输入信号是10G正弦信号，经过一个八分频后，再经过HMC440，其中HMC440设置为两分频，HMC440能输出经过16分频的信号，如下图2-16。可以看出经过PFD内置的分频后为数字方波信号，符合PFD内置的鉴频鉴相的原理，所以PFD的参考信号最好也用能产生方波的晶振。图216 PFD输出的分频波形图北京邮lU人学顾十学cj：论文模拟鉴频器会根据相位的差别输出一个平滑的直流信号，数字鉴相器会根据相位差输出一个数字脉冲的数字信号。如果参考时钟和VCO输出的频率相等，那么相位差会导致周期性脉冲，其中脉冲宽度不变m】，如图
48、2-17(a)所示。PFD有两个输出端UP、DN，UP有输出表示输入频率低于参考频率DN，DN有输出表示输入频率高于参考频率。图2-17flo)输出的窄周期脉冲频率和信号频率一样这个窄脉冲是由于数字鉴频鉴相器里面的数字器件延时不一致导致的，这个延时的作用是能消除鉴频鉴相器的死区但是这个延时是影响鉴频检相器的昂高鉴相频率的唯一原因。消除了死区也就提高了锁相环的相位噪声性能。图2-17(a)输出的脉宽表示同频之问的相位差。如果两个频率不一致，则会输出一连串不同宽度的脉冲，并且这些不通宽度的脉冲的重复周期就是频率差，如图2-18(曲所示。圈218不同频的输出渡彤图北京邮电大学硕+学位论文在该电路中，
49、测试的高速示波器是力科公司的，有源探头带宽为35GHz，输入电容为075pf,并联电阻为100K。示波器的输入带宽是3G，示波器采样率为10sas。在高速示波器测量上升沿很快的信号时，可以把示波器和探头的带宽转换为上升时间。一般示波器和探头的上升时间要比被测信号的上升时间快4至5倍【l引。这是由于脉冲或是方波信号的边沿是由很多高频分量构成，对这些高频分量的衰减将导致信号的转变比实际的要慢，要得到准确的上升沿或下降沿，示波器必须要有足够大的带宽才行。在上图218的结果中可以得出，由于示波器和探头的综合带宽达不到要求，导致在一些窄脉冲上的高频分量被探头和示波器所衰减，这也是和理想的仿真信号有所区别的原因。还有一个客观因素就是无源探头的地线太长，地线太长导致的是自感增大，Lc电路的上升时间大概是34(LC)2 119，所以导致上升时间变缓。频率或是相位差会在UP和DN两个端口输出的数字脉冲信号，实际的输出需要这两个
