浅论相干光通信.doc

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1、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

2、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，

3、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

4、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

5、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ωs）到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率

6、为ωL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ωIF=ωs-ωL的输出电信号，因为ωIF≠0，故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率ωIF=0（即ωs=ωL）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

7、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Φs-----接收光信号的相位调制信息ΦL----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（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。一般情况下PL>>PS,,这样式（1）可以简化成（2）从上式中可以看出，

8、其中第一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：（3）对零差检测，ωIF=0输出信号电流为（4）从式（3）和式（4）可以清楚地看到：1)即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与成正比，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ωS-ωL随时保持常数（ωIF或0），因而要求系统中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一