相干光通信系统中接收机的分析

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1、北京邮电人学硕士学位论文而，采用IM／DD通信方式的WDM系统经过十多年的广泛应用和发展后，相干光通信技术将再次复苏的征兆开始出现：在数字通信方面，提高C．带放大器的放大能力，克服有害的光纤色散效应，增加空间通信的距离和容量成为光通信系统中的重要考虑因素【9】；在模拟通信方面，灵敏度和动态范围是系统的关键参数。而这些系统的重要考虑因素和关键参数都能利用相关光通信得到很大的改善。在长距离光纤和空间数字传输系统中，异步DPSK和DQPSK已经使用非常普遍，这标志着采用相位敏感的编码和传输技术将成为一种趋判Ⅻ，而

2、灵敏度和频谱效率是这种趋势的核心。在选择检测方案时还需考虑的因素包括物理层的安全可靠性和网络的自适应性，两者都能得益于相干光通信中采用的幅度，频率和偏振编码技术。相干模拟传输与非相干传输相比，也同样具有很大的优势，其中在动态范围方面最为显著。虽然模拟通信不及数字通信应用广泛，但是模拟传输在很多军事应用上由很重要的作用。近年来，光器件的研究取得了很大的进步，这也为进一步深入研究相干光通信系统提供了良好的契机。这些进步包括激光器的功率，线宽和噪声，以及光电探测器的带宽，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善【l

3、¨。同时微波电子器件性能的提高和数字处理技术的进步【_7】也使得比直接检测更具优势的相干检测更容易被采用。目前研究人员已经意识到相干检测在未来通信领域里更具吸引力。尤其是在空间光通信传输方面，相干检测更是引起了人们极大的兴趣，因为空间光通信传输依赖于高功率激光器和高灵敏度接收等技术【l21。采用相干检测技术的星间光通信的数据流量相当于甚至超过整套微波转发设备的数据流量【I引。而且，光通信比微波通信能量更集中，使通信更加安全。将单一的光通信系统替代整套的微波转发设备，可使空间通信设备的复杂性大大降低，同时它的

4、重量和能量损耗也会大大减少。1．1．2相干光通信的主要优点相干光通信最主要的优点是相干检测能改善接收机的灵敏度。在相干光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。由于本振光功率远大于信号光功率，从而使接收机的灵敏度大大提高。以1．3"1．6pm波段为例，IM／DD接收机需要约为1000photons／bit以达到l旷的误码率，而相干接收机要达到相同的误码率仅需10"--20photons／bit甚至更少，可以达到接近散粒噪声极限的高性斛13】，并因此也增加了光信号的传输

5、距离。可见，相干探测的高灵敏度使相干接收机更适合于弱光信号的探测，而直接探测体制仅适宜于较强光信号的探测。接收机的高灵敏度也增加了光信号的传输距离。相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。在直接探测中，2北京邮电大学硕士学位论文接收波段较大(--一100nm)，为抑制杂散背景光的干扰，探测器前通常需要放置窄带滤光片，但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的杂散光才可以进入系统，而其它杂散光所形成的噪声均被中频放大器滤除。可见，外差探测对背景光有着

6、良好的滤波性能。此外，由于相干探测优良的波长选择性，相干接收机可以使频分复用系统的频率间隔达到100MHz，取代传统光复用技术的大频率间隔(200GHz)【13】，具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。在直接检测系统中，只能使用强度调制方式对光波进行调制。而在相干光通信中，除了可以对光波进行幅度调制外，还可以进行频移键控或相移键控，如二进制相移键控、差分相移键控、连续相频键控等，具有多种调制方式，利于灵活的工程应用，虽然这样增加了系统的复杂性和光损耗，但是相对于IM／DD只响应光功率的变化，相干探测可探

7、测出光场的振幅、频率、位相携带的所有信息，因此相干探测是一种全息探测技术，这是IM／DD体制不具备的。1．1．3相关光通信的关键技术相干光通信和IM]DD方式相比虽有很多优点，但它也有几个方面的技术难题需要攻克。1．外光调制技术由于半导体激光器对光载波的某一参数直接调制时，总会附带对其他参数的寄生振荡，如ASK直接调制伴随着相位的变化，而且调制深度也会受到限制。另外，还会遇到频率特性不平坦及张弛振荡等问题，因此，在相干光通信系统中，除FSK可以采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用外光调制。外光调制是

8、根据某些光电或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。外光调制器主要包括三种，它们分别是利用光电效应、声光效应和磁光效应制成的调制器[14】。采用以上外调制器，可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。目前对外光调制器的研究比较广泛，如利用铌酸锂(LiNb03)马赫干涉仪或定向耦合式的调制器可实现ASK调制，利用量子阱半导体相位外调制器或LiNb03相位调制器实现PSK调制等【