基于啁啾管理激光器的光信号产生与传输技术研究

雷克儿

5G通信时代的来临对光网络的数据传输速率和通信带宽的要求越来越高。受到传输带宽的限制，传统的微波通信方式无法满足几十至几百Gbps量级的高速率信息传输要求。空间激光通信在通信带宽和速率上具有极大优势，是未来数据通信中不可替代的信息传输方式，因此也成为当前国内外的研究热点，激光通信未来发展将朝着高速化、小型化、集成化、网络化、全光化等方向迈进，而实现通信终端的小型集成化，在未来的应用领域意义重大。啁啾管理激光器结合了直接调制激光器和外调制器的各自优势，结构简单、易于集成，可以实现高速率、低误码率的信号产生和传输，因此受到了广泛关注。本文针对空间激光通信终端小型化、集成化的发展需求，基于啁啾管理激光器利用啁啾效应调制光信号的原理，研究了OOK、RZ-DPSK的直接调制技术，无需外部调制器，极大地简化了发射端系统。通过对该技术方案的理论分析、实验搭建以及外场性能测试，充分验证了该方案的可靠性。主要内容如下：1.*** 具体阐述了空间激光通信的发展历程及当下国内外的研究现状，介绍了空间激光通信系统的组成架构和特点，并说明了国际上的研究现状及未来计划。此外还研究了目前常用的调制激光器的发展及应用。2.*** 推导了半导体激光器的速率方程及其频率啁啾理论，基于这一理论研究了啁啾管理激光器的工作原理及应用。具体阐明了啁啾管理激光器的强度调制原理和相位调制原理，为实验方案的设计奠定了理论基础。3.*** 基于啁啾管理激光器的调制原理设计了实验方案，并搭建了实验系统，分别完成了对2.5Gbps、5Gbps的OOK信号和RZ-DPSK信号的直接调制，并测试了信号的眼图、星座图、光谱图等特性参数，对其性能进行分析优化。同时对比了外调制发射机的误码率，结果表明，在10-3误码率时，基于CML的发射系统发射光信号的误码率比外调制系统灵敏度高，表明直接调制的信号质量更好。且发射机结构更加简单，利于空间激光通信集成化发展。4.*** 为了CML发射的光信号在模拟星地链路的传输效果，对直接调制的发射机进行空间传输实验，测试基于啁啾管理激光器的直接调制发射机在调制速率为2.5Gbps和5Gbps时的RZ-DPSK信号空间传输1km 后的接收机灵敏度，并对比相同速率下背靠背传输的RZ-DPSK信号误码特性，验证了啁啾管理激光器直接调制光信号在空间中传输的可行性及优劣性。