空间光混频器位相延迟特性研究.pdf
摘要
空间相干光通信因其具有的高带宽、低衰减、抗干扰性强等优点，在长距离、
高速率、高容量的通信系统中得到广泛应用。在空间相干光通信系统中，空间
光混频器作为最核心光学部件之一，其主要功能是将信号光和本振光利用相干
叠加的方式提高信号光功率。空间光混频器的位相延迟是衡量光混频器性能的
重要指标，其精度直接影响后续信号提取及处理。因此对于空间光混频器位相
延迟特性研究是必要的。本文针对空间光混频器位相延迟特性进行了以下研究:
首先，对目前空间光混频器原理及空间光混频器类型进行抽象化分析，建立
了一个能够涵盖大部分空间光混频器的数学模型。该模型主要特点为利用模块
化的结构，通过琼斯矩阵表达法建立了一种简洁的矩阵算法形式，表达了光混
频器内部光束混频过程。基于建立的数学模型能够对空间光混频器能量、位相
延迟等指标进行简化分析；其次，对所建立数学模型的计算结果进行了分析，
推导出模块中矩阵元素变化对光混频器位相延迟产生的影响。介绍了组成模块
元件的原理和矩阵表达形式。而后，对空间光混频器的各项指标进行分析，包
括插入损耗、噪声、混频效率等，重点针对空间光混频器中元件的位置姿态对
于位相延迟的影响方面进行了分析和仿真模拟；结合数学模型的计算结果对光
混频器在位相延迟补偿的技术方法进行了分析，发现目前补偿方法存在的缺点
和难点，即目前大部分光混频器的相对位相补偿方法局限于I、Q支路之间，补
偿范围较小，且需要牺牲各支路间分光比等参数，某些补偿方法需要预先计算
等；最后，针对以上提出的空间光混频器模型存在的缺点提出了一种多分束式
空间光混频器结构，该混频器可以利用自身元件对光混频器四路输出光内的本
振光和信号光间相对位相进行单独大范围的自由连续补偿，对于提出的多分束
式空间光混频器的各项指标进行了仿真分析，仿真结果表明该混频器可单独自
由连续调节四路输出光的相对位相延迟，补偿范围可达-167.47°到174.84°，
远高于过去补偿方式，同时不改变分光比。
本文提出的空间光混频器数学模型可用于对大部分类型和结构空间光混频器
的性能分析，提出的多分束式光混频器在位相延迟补偿等方面有显著的优势，
具有一定的创新性和实用价值。
关键词：空间相干光通信；光混频器；位相延迟；位相补偿
I
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1选题背景及研究的目的和意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1空间相干光通信系统的研究现状2
1.2.2空间光混频器研究现状5
1.2.3光混频器影响因素研究现状9
1.3论文的主要内容10
第2章空间相干光通信系统的原理12
2.1空间相干光通信系统的组成部分12
2.2相干光探测的基本原理12
2.3信号调制方式13
2.3.1幅移键控14
2.3.2频移键控15
2.3.3相移键控15
2.3.4正交振幅调制15
2.4锁相环路16
2.4.1平衡锁相环16
2.4.2科斯塔斯锁相环17
2.4.3决策驱动锁相环17
2.4.4同步位锁相环18
2.4.5振荡锁相环18
2.5光混频器19
2.5.1空间型光混频器20
2.5.2光纤型光混频器21
2.5.3波导型光混频器22
2.5.4其他类型光混频器22
2.6本章小结24
第3章空间光混频器模型建立及分析25
3.1光混频器普适模型25
3.1.1光混频器的普适形式25
3.1.2普适模型的具体实例26
3.2光混频器数学表达式的建立27
3.3数学模型结果分析30
3.4内部模块具体元件原理31
3.4.1PDM模块元件原理31
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