【摘要】：隨著自由空間通信的不斷發(fā)展,更高頻率的載波已經(jīng)成為一種必然要求。由于激光通信的載波工作頻率要比微波通信高出五個(gè)數(shù)量級(jí)以上,因此自由空間光通信一直是一種可擴(kuò)展、低成本、易安裝的空間通信替代方案。相比于傳統(tǒng)的空間微波通信,自由空間光通信系統(tǒng)具有一系列優(yōu)勢(shì),例如通信帶寬高、空間光束小、接收天線小等,因而得到廣泛關(guān)注,并在許多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。而為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的空間通信,光電接收機(jī)作為自由空間光通信系統(tǒng)的重要組成部分,將其靈敏度提升至量子極限靈敏度是一個(gè)非常重要的研究方向。由于傳統(tǒng)的基于雪崩光電二極管(APD)的光電接收機(jī)、基于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的光放大接收機(jī)和基于相干探測(cè)的相干接收機(jī)都無(wú)法很好達(dá)到理想的量子極限靈敏度,本論文對(duì)光電接收機(jī)的靈敏度機(jī)制進(jìn)行了研究分析,并基于此對(duì)量子極限靈敏度的相干接收機(jī)方案進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。一方面通過(guò)接收端的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)減小信號(hào)光損耗和提高接收機(jī)對(duì)準(zhǔn)耦合精度,從而在光學(xué)上保證接收機(jī)對(duì)信號(hào)光的完全接收,另一方面通過(guò)對(duì)接收機(jī)的研究改進(jìn)來(lái)放大信號(hào)、減小額外噪聲、提高光電探測(cè)器的量子效率,從而在電學(xué)上保證光電接收機(jī)可以達(dá)到最好的信噪比,最終實(shí)現(xiàn)相干接收機(jī)的量子極限靈敏度。本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)提出了低信號(hào)光損耗的偏振無(wú)關(guān)技術(shù)方案。在外差探測(cè)中可通過(guò)控制本振光兩個(gè)正交偏振態(tài)分量的相位或者頻率,使得探測(cè)器最終輸出的中頻信號(hào)主要由兩個(gè)高頻部分組成,從而在頻域上實(shí)現(xiàn)了偏振分集。如此接收機(jī)的偏振無(wú)關(guān)只需進(jìn)行濾波解調(diào)控制即可,而信號(hào)光的損耗和相位失配也可以得到避免。(2)設(shè)計(jì)了一種新型的雙螺旋光電位敏探測(cè)器(PSD),其可以與接收探測(cè)器(PD)集成在同一光軸方向上。當(dāng)光斑照射到螺旋PSD上時(shí),光斑位置信息由螺旋PSD探測(cè)獲得,其表達(dá)方式是極坐標(biāo)形式(r,?)。光斑大小是此對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,也能通過(guò)螺旋PSD的響應(yīng)變化推導(dǎo)調(diào)節(jié)到合適的值。當(dāng)光斑移動(dòng)器件中心時(shí),接收機(jī)的接收探測(cè)器能對(duì)信號(hào)光進(jìn)行準(zhǔn)確完整地吸收,避免了光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械誤差問(wèn)題。(3)設(shè)計(jì)了基于InAs e-APD的相干接收機(jī)以應(yīng)用于自由空間光通信。由于微弱信號(hào)的增益由來(lái)源于本振光的相干增益和InAs e-APD的雪崩增益,基于InAs e-APD的相干接收機(jī)可以利用較小的本振光功率達(dá)到接近其量子極限,因此它相比于傳統(tǒng)的基于PIN探測(cè)器的相干接收機(jī),可以獲得更高信號(hào)增益和更好的靈敏度改善。(4)提出了基于固態(tài)雪崩離化放大器(SIM)的平衡相干接收機(jī)。由于只有平衡探測(cè)器的差分電流被放大,因此一方面SIM的過(guò)剩噪聲影響可以被抑制減小,進(jìn)一步改善接收機(jī)的信噪比,另一方面,探測(cè)器不易飽和的優(yōu)勢(shì)可使得接收機(jī)達(dá)到很高的增益,這一點(diǎn)使其可適用于空間量子通信。此外,針對(duì)傳統(tǒng)SIM存在的低帶寬問(wèn)題,本文研究設(shè)計(jì)了一種叉指型高速高飽和的SIM結(jié)構(gòu),可將接收機(jī)系統(tǒng)帶寬提高到GHz量級(jí)。(5)實(shí)驗(yàn)研究了光電探測(cè)器的工藝技術(shù),并對(duì)采用部分摻雜吸收區(qū)的光電探測(cè)器進(jìn)行了測(cè)試分析。首次發(fā)現(xiàn)了在高電流密度條件下,由于芯片的熱效應(yīng),采用部分摻雜吸收區(qū)的光電探測(cè)器的內(nèi)量子效率可以得到改善提高。并根據(jù)這一現(xiàn)象,設(shè)計(jì)提出了一種多孔型的大面積光電探測(cè)器,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高速、高響應(yīng)度、高光電流密度的光電探測(cè)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.1
【圖文】：

電磁波的頻譜范圍

圖 1-2 FSO 鏈路等同于光纖或雙絞線鏈路自由空間光通信不僅是建立衛(wèi)星間、星地間甚至行星間的高速通信鏈路的重要手段，更是解決未來(lái)高速通信網(wǎng)絡(luò)中“最后一公里”的有效技術(shù)方案。如圖 1-3 所

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2731664