浅论相干光通信.docx

浅论相干光通信一、 研究背景尽管波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的应用已经极大的提高了光 通信系统的带宽和传输距离，伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的 信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求光通 信系统采用强度调制/直接检测（IM/DD）,即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进 行包络检测尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用 ASK 调制格 式,其单路信道带宽很有限因此这种传统光通信技术势必会被更先进的技术所代替 然而在通信泡沫破灭的今天,新的光通信技术的应用不可避免的会带来对新型通信设备 的需求,面对居高不下的光器件价格,大规模通信设备更换所需要的高额成本,是运营 商所不能接受的,因此对设备制造商而言,光纤通信新技术的研发也面临着很大的风险 如何在现有的设备基础上提高光通信系统的性能成为了切实的问题在这样的背景下, 二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技术,再一次被放到了桌面上相干光通信的理论和实验始于80 年代由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度 高的优势,各国在相干光传输技术上做了大量研究工作经过十年的研究,相干光通信 进入实用阶段。

英美日等国相继进行了一系列相干光通信实验直到20世纪80年代末, EDFA 和 WDM 技术的发展,使得相干光通信技术的发展缓慢下来在这段时期,灵敏度 和每个通道的信息容量已经不再备受关注然而，直接检测的WDM系统经过二十年的发 展和广泛应用后,新的征兆开始出现,标志着相干光传输技术的应用将再次受到重视 在数字通信方面，扩大 C 波段放大器的容量，克服光纤色散效应的恶化，以及增加自由 空间传输的容量和范围已成为重要的考虑因素在模拟通信方面，灵敏度和动态范围成 为系统的关键参数，而他们都能通过相关光通信技术得到很大改善二、 相干光通信系统的组成及基本原理强度调制-直接检波系统，虽然可以通过高码速来实现大容量传输，而且具有调制、 解调较容易的优点，但是，从理论上来讲，这种调制系统所采用的光源不是理论上单一 频率的相干光源，而有相当的频宽、对这种由一个频带组成的光源进行强度调制（调整 个信号的光强），显然，已调信号就具有相当宽的带宽（当然，相对于光纤本身的传输 带宽来讲，仍然是个窄频带）另外，在强度调制中，仅仅利用了光的振幅参量，相当 于早期无线电通信中采用火花发射机那样，是一种噪声通信系统。

它的传输容量和中断 距离都受到限制相干光通信系统则采用单一频率的相干光做光源（载波），沿用无线电技术中早已 实现的相干通信方式，再配合幅移键控（ASK）,频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等 调制方式，实现一种新型的光纤通信方式 这就是理论上具有先进性的外差光纤通信系统相干光通信系统的基本结构如图1 所示图中的光载波经调制器受数字信号调制后 形成已调信号光波调制方式有很多种，将光信号通过调幅、调频或调相的方式被调制 （设调制频率为3 s）到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率为3 L本 振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得了中频频率为3 =3 s-IF3的输出电信号，因为3工0,故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率3 =0L IF IF（即3 s=3 l）时，则称之为零差检测，此时在接收端可以直接产生基带信号图1 相干光通信系统的构成i (t) 2R ；'P P cos()out S L IF SL(3)对零差检测，eIF=0输出信号电流为IFi (t) 2RJPP cos( )out s L S L(4)从式(3)和式(4)可以清楚地看到：由于相干光检测方法对被接收信号，以及本地振荡器信号的偏振状态都很敏感，需 要利用保偏光纤或普通单模光纤加偏振控制器。

在外差或零差接收机中都要用到自动频 率控制电路，以保证本地振荡器频率的发射频率相对于信号光具有确定的关系根据平面波的传播理论，可以写出接收光信号Es (t)和本振光信号E (t)的复数电场分布表达式为式中，Es 接收光信号的电场幅度值；EL 本振光信号电场幅度值①s 接收光信号的相位调制信息①L 本振光的相位的调制信息当Es (t)和El (t)彼此相互平行，均匀地入射到光电监测器表面上时，由于总 入射光强I正比于[Es (t) +El (t)],即I R (P P ) 2RjPKcos( t )S L S L IF S L (1)式中，R为光电监测器的相应度，PS、PL分别为接收光信号和本振光信号—般情况下PL〉〉PS,,这样式(1)可以简化成I RP 2RjP■厂 cos ( t )L S L IF S L (2)从上式中可以看出，其中第—项为与传输信息无关的直流项，因而经外差检测后的 输出信号电流为(2)中的第二项，很明显其中含发射端传送信息：1) 即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与V；PL成正比，仍能够通过增大 PL 而获得足够大的输出电流，这样，本振光相干检测中还起到了光放大的作 用，从而提高了信号的接收灵敏度。

2) 由于在相干检测中，要求eS-®随时保持常数(e或0),因而要求系统中S L IF所使用的光源具备非常高的频率稳定性、非常窄的光谱宽度以及—定的频率调谐范围3） 无论外差检测还是零差检测，其检测根据都来源于接收光信号与本振光信号之 间的干涉，因而在系统中，必须保持它们之间的相位锁定，或者说具有一致的 偏振方向按上面的分析，相干光纤通信系统的基本框图如图2 所示，由图可以清楚地看出， 该系统由光发射机、光纤和光接收机组成光发送机光接收机相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术所谓相干调制，就是利用要传 输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位（而 不像自然光那样没有确定的频率和相位），即应是相干光激光就是一种相干光所谓 外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频， 得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号在发送端，采用外调制 方式将信号调制到光载波上进行传输当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信 号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测相干光通信根据本振光频率与信号光频 率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。

前者光信号经光电转换后获得的是中频信 号，还需二次解调才能被转换成基带信号后者光信号经光电转换后被直接转换成基带 信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与 信号光的相位锁定相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源，该光 源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下，进行光电混频 混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与 信号光波的差频信号由于该差频信号的变化规律与信号光波的变化规律相同，而不像 直检波通信方式那样，检测电流只反映光波的强度，因而，可以实现幅度、频率、相位 和偏振等各种调制方式根据本振光波的频率与信号光波的频率是否相等可以将相干光 通信系统分为两类：当本振光频率和信号光频率之差为一非零定值时，该系统称为外差 接收系统；当本振光波的频率和相位与信号光波的频率和相位相同时，称为零差接收系 统但不管采用何种接收方式其根本点是外差检测三、1.相干光通信中的关键技术光源技术1) 频率稳定技术 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。

外差相干光通信系统也是 如此一般外差中频选择在0.2〜2GHz之间，当光载波的波长为1.5p m时，其 频率为200THz，中频为载频的10-6〜10-5倍光载波与本振光的频率只要产生微 小的变化，都将对中频产生很大的影响因此，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技术主要有三种：a) 将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上在1.5p m波长上， 已经利用氨、氪等气体分子实现了对半导体激光器的频率稳定；b) 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；c) 利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电流的自动控制等方法实现 稳频2) 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有两种实现 方法：a) 注入锁模法，即利用一个以单模工作的频率稳定、谱线很窄的主激光器的 光功率，注入到需要宽度压缩的从激光器，从而使从激光器保持和主激光 器一致的谱线宽度、单模性及频率稳定度；b) 外腔反馈法。

外腔反馈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运用以及依靠外腔 的高 Q 值压缩谱线宽度3) 非线性串扰技术 由于在相干光通信中，常采用密集频分复用技术因此，光纤中的非线性效应可能使相干光通信中的某一信道的信号强度和相位受到其他信道信号的影响，而形 成非线性串扰光纤中对相干光通信可能产生影响的非线性效应包括受激拉曼散射 (SRS)、受激布里渊散射(SBS)、非线性折射和四波混合由于SRS的拉曼增益谱很 宽(〜10THz)，因此当信道能量超过一定值时，多信道复用相干光通信系统中必然 出现高低频率信道之间的能量转移，而形成信道间的串扰，从而使接收噪声增大， 接收机灵敏度下降SBS的阈值为几mW,增益谱很窄，若信道功率小于一定值时， 并且对信号载频设计的好，可以很容易地避免SBS引起的串扰但SBS对信道功率 却构成了限制光纤中的非线性折射通过自相位调制效应而引起相位噪声，在信号 功率大于10mW或采用光放大器进行长距离传输的相干光通信系统中要考虑这种效 应当信道间隔和光纤的色散足够小时，四波混频的相位条件可能得到满足， FWM 成为系统非线性串扰的一个重要因素。

FWM是通过信道能量的减小和使信道受到干 扰而构成对系统性能的限制当信道功率低到一定值时，可避免FWM引起对系统的 影响由于受到上述这些非线性因素的限制，采用密集频分复用的相干光通信系统 的信道发射功率通常只有零点几毫瓦2. 接收技术相干光通信的接收技术包括两部分，一部分是光的接收技术，另一部分是中频之后的各种制式的解调技术解调技术实际上是电子的ASI、FSK和PSK等的解调 技术光的接收技术主要分以下三种：1) 平衡接收法在 FSK 制式中，由于半导体激光器在调制过程中，难免带有额外的幅度调 制噪声，利用平衡接收方法可以减少调幅噪声平衡法的主要思想是当光信号 从光纤进入后，本振光经偏振控制以保证与信号的偏振状态相适应，本振光和 信号光同时经过方向精合器分两路，分别输入两个相同的 PIN 光电检测器，使 得两个光电检测器输出的是等幅度而反相的包络信号，再将这两个信号合成后 使得调频信号增加一倍，而寄生的调幅噪声相互抵消，直流成分也抵消，达到 消除调幅噪声影响的要求 3dB 1I耦合器| I图 3 双路平衡接收技术2) 相位分集接收法除了调幅噪声外，如果本振光相位和信号光相位有相对起伏，就将产生相 位噪声，严重影响接收效果。

针对这种影响，可以采用相位分集。