论文总字数：24737字

摘 要

光链路同步对于高稳定性的频率传输起到至关重要的作用。本文就光纤链路的相位延时为切入点，阐述了相位噪声的分析方法，激光器，调制器，光纤和混频器的理论模型，以及自动控制原理中惯性积分环节的原理。分析了相位噪声的影响因素，并提出了其测量方法。同时，本文就相位延迟补偿提出了解决方案，以保证光纤链路输入输出相位同步。该方案的重点是锁相控制电路，故详细分析了锁相电路的原理以及性能参数。更进一步地，对相位控制电路提出了监控方案，在锁相即将失控时复位移相，达到了长时间稳定性的要求。经过调试，最后的结果表明，该电路可以达到稳定测量相位漂移的实验设计目标。

关键词： 光纤链路 相位延迟 锁相 相位测量 相位漂移

Abstract

Optical link synchronization plays an important role in the frequency transmission of high stability. In this paper, the theory of phase delay of the optical fiber link is introduced, and the analysis method of phase noise, the theoretical model of the modulator and the mixer and the principle of the inertial integral in the principle of automatic control are described. The influencing factors of phase noise are analyzed, and the measurement method is proposed. At the same time, this paper puts forward a solution to the phase delay compensation to ensure the input and output phase synchronization of the fiber link. The focus of the program is the phase-locked control circuit, so the principle and performance parameters of the phase locked circuit are analyzed in detail. Furthermore, a control scheme is proposed for the phase control circuit, which can guarantee the stability of the phase locked loop. After the experiment, the final results show that the circuit can achieve the goal of stable measurement of phase shift.

Key words: optical fiber link, phase delay , phase locked , phase measurement, phase shift .

目录

摘要 3

第一章 绪论 6

1.1引言 6

1.2相位检测一般方法 6

1.3 论文组织结构 7

第二章 相位漂移测量原理 8

2.1半导体激光器简介 8

2.2光纤的构成及相位扰动模型 9

2.3混频器的原理 10

2.4马赫增德尔调制器 10

2.5相位噪声描述方式 11

2.6国内外相位测量及补偿方案 12

2.6.1 运算放大器测量补偿方案 12

2.6.2 压控振荡器测量及补偿方案： 13

2.6.3十倍频测量及补偿方案： 14

第三章 相位漂移测量方案论证 16

3.1 直接混频方案： 16

3.2 移相器混频方案： 17

3.3 测量方案论证与实现 18

3.4 相位漂移测量电路原理 18

3.4.1 抑制高频噪声的惯性积分电路 18

3.4.2 二阶惯性积分电路原理及实现 20

3.4.3 供电电源设计： 23

3.4.4 混频器输出放大电路设计 23

3.4.5 监控电路设计 24

第四章 相位漂移测量结果及分析 26

4.1 每个器件的介绍及其输出结果 26

4.2锁相控制电路系统测试结果 27

4.3 移相360°响应速度测量结果 30

第五章 总结与展望 32

第一章 绪论

1.1引言

光纤在现代社会中应用越来越广泛，其优异的特点是普通电缆所无法比拟的。首先，光纤具有低损耗特性，每公里仅损耗0.2dbm。其次，它受外界干扰影响小。在金属电缆中，外界电磁波很容易会串扰到电路中，但是光纤则具有优异的抗干扰性能。所以时至今日，光纤已成为数据传输的大动脉。但是光纤也有它不可避免的缺点。光纤会产生色散，使半高宽被拉长，两个相邻信号之间容易发生串扰。因此这也就限制了光纤最大传输速率。温度变化会影响二氧化硅的折射率，这就会导致激光通过光纤的时间发生扰动，进而会产生相位扰动。

而相位扰动在某些应用场合是一个很关键的指标。举例来说，相控阵雷达拥有优异的的隐蔽性以及方向性。只需要通过控制各个天线阵列的相位就可以改变电磁波的发射方向，进而探测到目标的具体位置。相比于传统旋转的锅盖型雷达，它的体积可以做小，也不需要马达驱动它旋转，所以目前成为研究热门。其关键技术指标之一就是相位的控制。必须精确控制电磁波到每个天线块的相位，才能得到正确的探测信息，否则它将无法正常工作。所以保证相位传输同步是一个有意义的研究课题。

在天文探测中，常用到锅盖型天线，其口径大小决定了其探测精度。我国在贵州平塘县建设了一座500米口径的球面电射望远镜，以用来天文观测。截至2016年3月9日，500米口径球面射电望远镜工程已完成3492块反射面面板安装，完成比例达78.47% [15]。但是建设如此巨大口径的望远镜不仅仅耗资巨大，而且施工周期长。所以其代替方案，天线阵列则显得容易实现很多。将各小型电射望远镜用光纤连接起来，将其分布在不同地方，用众多小口径望远镜，就能够实现很大的等效口径，但是其技术要求仍然离不开相位同步。保证每个接收天线的相位一致才能够实现等效大口径探测望远镜。否则若干个球面电射望远镜只能算是简单的数据叠加，无法同时利用。在美国的深空网络（Deep Space Network）中，喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）已经研制成功利用氢分子激光器产生的参考信号，同步传输到深空网络的各个小型天线中，以进行天文探测。

可见，相位同步的应用非常重要，研究相位同步是一个很有意义的课题。

1.2相位检测一般方法

目前光纤已被大家公认为传输高稳定性时钟频率的媒介，由光纤做成的网络可以实现低噪声地传输微波信号。截至目前为止，有许多课题组可以在至少50Km长度的光纤实现调幅光载波的稳定传输。基于目前的研究环境，有绝大多数课题组都是采用的混频器鉴相，这种方法最为简单直接。除此之外，还有数字鉴相器以及光学鉴相器，他们的原理虽然不相同，但是实现的结果却是一致的。这就需要结合实际电路分析其优缺点。

模拟鉴相器是最为常用的，它的原理可以简述为：两个信号分别输入到混频器的LO和RF输入端，在IF输出端得到混频信号。混频器大致可以看做一个乘法器，得到的拍频信号经混频，得到了两倍本振频率信号和一个近似直流信号。通过低通滤波器将高频滤除，将得到相位误差信号。

数字鉴相器是成本较低，但是带宽受限于数字电路的电平上升以及下降速度。一般来说，它在数字电路中，方波信号的鉴相采用的比较多。它一般采用异或门，对比两个输入信号。若两个信号相位完全相同，则输出信号恒为零。若两个信号相差半个周期，则信号恒为1. 因此可以鉴别0 ~ π范围内的相位。由于输出信号为输入信号频率的两倍，故需要将输出信号通过一个低通滤波器，来得到相位差信号，图1.1是一款CMOS鉴相器。

图1.1 CMOS鉴相器

1.3 论文组织结构

本文以光纤链路的相位漂移为切入点，详细介绍了其系统的测量方法。第一章绪论，主要讲述了本文所做的工作的意义及重要性，以及今后的发展方向。同时，也列举出了目前三种比较常用的鉴相方法，其中即有我们所采用的光纤链路相位漂移测量方案。

第二章主要讲述了光纤链路相位漂移测试系统中的组成部分原理，以及各个器件的理论模型。其中包括半导体激光器的基本原理，混频器的二阶乘法特性，马赫增德尔调制器的相位调制特性，以及光纤的基本参数和他的相位扰动理论。同时，为了方便描述相位漂移特性，我们又介绍了艾伦方差。在第二章最后，本文又介绍了目前文献中找到的三种相位漂移测量及补偿方案，为我们设计电路提供实验依据。

在第三章中，我们论证了两种不同的相位漂移测量方法的特点，并采取了其中一种方案进行具体设计。在本章中详细阐述了电路设计的具体方法，包括电源设计，混频器放大电路设计，惯性积分电路设计以及监控电路的设计思路。同时将仿真结果同理论计算对比，验证设计的正确性。

在第四章中，我们将实验数据进行了具体分析，并将试验中失败之处与成功之处作对比，通过实际测量来验证该设计的正确性及可行性。

在本文的最后是致谢及附录，其中包括该测量系统的试验照片。

第二章 相位漂移测量原理

2.1半导体激光器简介

我们本次设计所采用的是半导体激光器。一般来说，半导体激光二极管的结构为PIN型。也就是说它是由三种不同掺杂层叠加而成。P是掺杂空穴的半导体层，I是本征层，也就是没有掺杂杂质的纯净半导体。N是掺杂电子的半导体层。PIN二极管它的主要工作区在本征层。载流子从P区和N区注入，在本征层汇合。在没有电注入的情况下，费米能级E_Fn=E_Fp,因为电子和空穴的扩散作用，在中间接触的一小段区域产生空间电荷区，当其扩散到一定程度时，浓度差引起的建电场eV₀阻止了电子和空穴的继续扩散，直到扩散和漂移电流相平衡时，PN结达到稳定状态。如果我们给半导体外加正向偏压以后，E_Fn被抬高，E_Fp相对来说就会降低，两者的差值等于外加电压值。如果我们所加的正向偏置电压比内建电场还要大时，发生粒子数反转，导带中的电子会增多，相对的，价带中的空穴也会变多，此时会有大量的电子和空穴在空间电荷区复合发光。

当一个能量为hv的光子入射时，如果hv=Ec-Ev ,那么它可以激发价带顶的电子到导带底。但是如果是恰好相等或者是稍微大那么一点点，那么这个光子就不会令电子跃迁到高能级，而是会激发导带底的电子回到价带中，同时发射出一个光子。这个过程被称作受激辐射。材料的受激辐射的程度可以用光增益来形容。一般来说，当光子的能量hvgt; Ec-Ev而且hvlt;E_Fn-E_Fp,那么光增益为正。反之，如果光子能量不在这个范围内，光增益为负。越接近于绝对零度，分界处斜率越大。反之温度越高，费米狄拉克统计分布规律也指出，温度高的时候会有更低能级的价带电子被跃迁到高能级，因此斜率也就小。

为了维持持续的光输出，需要有能量为hv=Ec-Ev的光来激发。所以不能够产生一次受激辐射以后，后面就得不到光激发了。因此在半导体激光器中，需要有一个光学谐振腔来使得光不会一次性全部跑出去，留有一部分用来激发更多的电子发生受激辐射。

与此同时，光学谐振腔也是用来选择谐振模式的重要依据。因为光要稳定地发生谐振，那么需要其谐振腔长度等于半波长的整数倍，其表达式可以记作：

(2.1)

其中m是整数，它的意义是模式数。是真空中的波长，n是谐振腔的折射率，L是谐振腔的长度。通过求解不同m对应的，就可以得出该谐振腔可以输出的光频率。

维持光增益为正的条件是PN节正向偏压要大于内建电场，为泵浦提供能量，因此半导体激光器的工作方式为电注入泵浦。但是他的注入电流大小也决定了其发光方式。当注入电流小于阈值电流时，该器件只能够发生自发辐射射。但因为自发辐射是没有方向性的，所以它没有办法应用在单色性，方向性要求苛刻的激光领域。但是照明设备，例如发光二极管一般都会工作在此区域，这些应用场合不需要要求光源的单色性。当注入电流大于时，光子才能够激发电子发生受激辐射。受激辐射产生的新的光子是和原光子同频率，同相位的。与此同时，受激辐射的激光模式也是和注入电流I有直接关系的。当注入电流增大，激光器的基模的增益将会变得很大，而其他模式的增益将会变小，因此注入电流越大，其单色性也就越好。

一般情况下，为了实现单色性较好的激光，阈值电流通常都会很大。为了减少电流消耗，现在的半导体激光器都是双异质结的。它的结构可以被简化为n-AlGaAs --- p-GaAs ---- p-AlGaAs 。因为AlGaAs的禁带宽度比较宽，大约为2eV，而GaAs的禁带宽度比较窄，为1.4eV，因此GaAs就为产生激光提供了复合中心。当我们加入一个正向偏压时，n型铝镓砷的导带被提高，并略高于p型砷化镓的导带。在这种情况下，电子就会向p型砷化镓层聚集。同样的，在正向偏压下，导带中的空穴也在砷化镓处能量最低，所以空穴也会向该区域聚集。最后导致的结果就是在中间的砷化镓层产生大量的载流子复合发光。在实际制作过程中，中间的砷化镓夹层通常会制作的很薄，这样做可以使得在有电流的情况下，电子和空穴能够迅速在该区域复合。所以它可以有效降低阈值电流。

更进一步提高光产率的方法是使用量子阱，因为量子阱可以进一步降低激光器发光的阈值。一般制作量子阱激光器需要中间的活性区域小于20nm，这样它的禁带宽度会很小。因为，从而使得复合发光的载流子变多。

2.2光纤的构成及相位扰动模型

最基本的光纤是由三部分组成，纤芯，包层和涂覆层。通常来说，它有两种结构，一种结构的光纤它的折射率是阶跃式变化的，另一种光纤它的折射率是缓慢变化的。但是无论是哪种光纤，它们都有一个共同特点，那就是中间的纤芯折射率大而越靠近外层折射率越小。这样做的目的是为了让光被限制在中间的纤芯而不会射入到外面。

描述光纤的两个重要参数分别是相对折射率差，它的定义为：

(2.2)

其中是纤芯折射率，是包层折射率。

另外一个参数是归一化频率，其数学表达式可以写作：

(2.3)

其中，a为纤芯半径。

一般情况下我们实验用用到比较多的是单模光纤，而判断光纤是单模还是多模的方法是计算V的数值。如果Vlt;2.405那么该光纤是单模光纤，反之则为多模光纤。单模光纤一般会用在远距离传输当中，我们本次实验选用的光纤就是单模光纤。多模光纤价格较便宜，但是损耗相对来说也会比单模光纤大一些。其应用领域一般是光纤入户中，交换机至用户的那一段。因为距离很短，所以无需过多考虑色散以及损耗问题。

制造光纤一般会采用熔融的二氧化硅材料来制作，但是要保证内层折射率高外层折射率低就需要采用非纯净的二氧化硅来制作。一般来说，内层纤芯掺杂Ge或者掺杂P，会领它的折射率变大。而包层采用的是掺杂B或者掺杂F来使得它的折射率变小。所以在制作过程中，控制掺杂的浓度就可以得到希望的折射率。

光纤的损耗通常来说是很小的，但是它也有其合适的工作波长。我们在通讯中常使用到的是1550nm的激光，因为该波长的激光在光纤中的损耗最小。我们本科物理实验使用的激光是可见光波段，但也仅仅是为了演示方便而采用的方案，实际应用中则很少从出现，因为该波段会出现明显的电子共振，损耗非常大。

普通光纤的损耗会在1.4nm处出现一个很强的吸收峰，这是因为OH-的影响。因为氢氧根会导致1.4nm处出现强烈的共振吸收。所以制造光纤的工艺中，保证低OH-掺杂浓度的光纤是一个非常重要的工艺。

而远红外段之所以不被使用也是因为该波段会有振动共振，损耗也会指数上升。

光纤在现实应用当中，也会有诸多干扰问题，其中一个比较重要的影响因素就是激光在光纤中行走时间发生的扰动。

随着温度的扰动，光纤长度会随之变化，折射率也会随之改变。带来的改变是激光在光纤中行走的时间变化。

如果考虑扰动为正弦信号，则频率不稳定性和扰动温度的关系为：

(2.4)

其中，是温度扰动的幅值，单位为℃， TCD是在光纤中的延时热增益系数，单位为（ppm/℃）。通信光纤中，典型值是7 ppm/℃。n是光纤的折射率，L是光纤长度，单位是km。c是真空中的光速，是扰动频率，单位Hz，是平均时间，单位是s 。

下面介绍光纤受温度影响的另外一种理论推导。其理论比较简单实用，由激光在光纤中行走的时间可得

(2.5)

其中t是光纤中的行走世间，n是光纤折射率，L是光纤长度，c是光速。对温度T求导可得

(2.6)

因为长度L对温度T的导数通常要比n对T的导数小10^2个数量级，因此可以忽略不计。所以得到

(2.7)

光纤受温度影响导致的相位漂移为：

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