光纖通信1PPT課件第七章相干光通信技術7.1發(fā)展過程7.2工作原理7.3主要優(yōu)點7.4關鍵技術7.5廣泛應用7.6研究現(xiàn)狀2PPT課件7.1發(fā)展過程

目前已經投入使用的光纖通信系統(tǒng)，都是采用光強調制——直接檢測（IM-DD）方式。這種方式的優(yōu)點是調制和解調簡單，容易實現(xiàn)，因而成本較低。但是這種方式沒有利用光載波的頻率和相位信息，限制了系統(tǒng)性能的進一步提高。

為了追求更大的帶寬、更長的傳輸距離、更高的接收靈敏度，降低居高不下的光器件的價格，三十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技術，再次被放到了桌面。

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相干光通信的理論和實驗始于80年代。由于相干光通信系統(tǒng)被公認為具有靈敏度高的優(yōu)勢，各國在相干光傳輸技術上做了大量研究工作。經過十年的研究，相干光通信進入實用階段。英美日等國相繼進行了一系列相干光通信實驗。

直到20世紀90年代末，EDFA和WDM技術的發(fā)展，使得相干光通信技術的發(fā)展緩慢下來。在這段時期，靈敏度和每個通道的信息容量已經不再備受關注。4PPT課件

然而，直接檢測的WDM系統(tǒng)經過二十年的發(fā)展和廣泛應用后已經無法滿足現(xiàn)在的通信要求，所以，相干光傳輸技術的應用將再次受到重視。

在數(shù)字通信方面，擴大C波段放大器的容量，克服光纖色散效應的惡化，以及增加自由空間傳輸?shù)娜萘亢头秶殉蔀橹匾目紤]因素。

在模擬通信方面，靈敏度和動態(tài)范圍成為系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，而他們都能通過相干光通信技術得到很大改善。

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同時，在這短短的二十年中，在光器件方面取得了很大的進步，其中激光器的輸出功率，線寬，穩(wěn)定性和噪聲，以及光電探測器的帶寬，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波電子器件的性能也大幅提高。這些進步使得相干光通信系統(tǒng)商用化變?yōu)榭赡堋?/p>

所謂相干光，就是兩個激光器產生的光場具有空間疊加、相互干涉性質的激光。實現(xiàn)相干光通信，關鍵是要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器。

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相干光通信，像傳統(tǒng)的無線電通信一樣，在發(fā)射端對光載波進行幅度、頻率或相位調制；在接收端，則采用零差檢測或外差檢測，這種檢測技術稱為相干檢測。和IM-DD方式相比，相干檢測可以把接收靈敏度提高20dB，相當于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為0.2dB/km,則傳輸距離增加100km。同時，采用相干檢測，可以更充分利用光纖帶寬。我們已經看到，在光頻分復用（OFDM）中,信道頻率間隔可以達到10GHz以下，因而大幅度增加了傳輸容量。

7PPT課件7.2工作原理

光接收機接收的信號光和本地振蕩器產生的本振光經混頻器作用后，在光場發(fā)生干涉，然后由平衡接收機進行探測。由光檢測器實現(xiàn)光電轉換，輸出的電信號經過處理（包括放大、解調）后，以基帶信號的形式輸出。8PPT課件圖4.1（b）為相干檢測原理方框圖9PPT課件10PPT課件

相干光通信根據本振光頻率與信號光頻率不等或相等，可分為外差檢測和零差檢測。前者光信號經光電轉換后獲得的是中頻信號，還需二次解調才能被轉換成基帶信號。后者光信號經光電轉換后被直接轉換成基帶信號，不用二次解調，但它要求本振光頻率與信號光頻率嚴格匹配，并且要求本振光與信號光的相位鎖定。11PPT課件7.2.1

零差檢測和外差檢測

圖（1）干涉后的瞬時光功率變化12PPT課件

由圖可知，中頻信號功率分量帶有信號光的幅度、頻率或相位信息，在發(fā)射端，無論采取什么調制方式，都可以從中頻功率分量反映出來。

所以，相干光接收方式是適用于所有調制方式的通信體制。13PPT課件（1）零差檢測

選擇,即,這種情況稱為零差檢測。這時，濾去直流分量，檢測器產生的信號電流為

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式中，為光檢測器的響應度。通常，同時考慮到本振光相位鎖定在信號光相位上，即，這樣便得到零差檢測的光生信號電流為

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零差檢測信號平均功率與直接檢測信號平均功率之比為

由于,零差檢測接收信號功率可以放大幾個數(shù)量級。16PPT課件

雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。零差檢測技術非常復雜，因為相位變化非常靈敏，必須控制相位，使保持不變，同時要求和相等。17PPT課件（2）外差檢測

選擇，即﹥0,這種情況稱為外差檢測。通常選擇

在微波范圍。這時，中頻信號產生的電流

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與零差檢測相似,外差檢測接受光功率放大了，從而提高了靈敏度。外差檢測信噪比的改善比零差檢測低3dB，但是接收機設計相對簡單，因為不一定需要相位鎖定。19PPT課件7.2.2調制與解調20PPT課件

相干檢測技術的主要優(yōu)點是可以對光載波實施幅度、頻率和相位調制。數(shù)字信號的三種調制方式如下：

（1）幅移鍵控（ASK）：基帶數(shù)字信號只控制光載波的幅度變化。

（2）相移鍵控(PSK)：基帶信號只控制光載波的相位變化。

（3）頻移鍵控(FSK)：基帶數(shù)字信號只控制光載波的頻率變化。21PPT課件圖7.40示出ASK、PSK、FSK調節(jié)方式的比較22PPT課件ASK的光場表達式

式中，和、分別為光場的幅度、中心角頻率和相移。23PPT課件

在ASK中，只對幅度進行調制。對于二進制數(shù)字信號調制，在大多數(shù)情況下，“0”碼傳輸時，使=0，“1”碼傳輸時，使=1（或者相反）24PPT課件

ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調制器來實現(xiàn)，這樣只有輸出光信號的幅度隨基帶信號而變化。如果采用直接光強調制，幅度變化將引起相位變化。外調制器通常用鈦擴散的鈮酸鋰波導制成的馬赫-增德爾（MZ）干涉型調制器，這種調制器在消光比大于20時，調制帶寬可達20GHz。25PPT課件PSK的光場表達式

在PSK中，只對相位進行調制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時，分別用兩個不同相位（通常相差180度）表示。26PPT課件

如果傳輸“0”碼時，光載波相位不變，傳輸“1”碼時，相位改變180度，這種情況稱為差分相移鍵控（DPSK）。對于二進制數(shù)字信號調制，相位通常取0和兩個值。電脈沖為“0”碼時，光脈沖相位為0，電脈沖為“1”碼時，光脈沖相位為。27PPT課件

PSK系統(tǒng)必須用相干檢測，如果信號光不與本振光混頻而直接檢測，所有的信息都將丟失。和ASK使用的MZ干涉型調制器相比，設計PSK使用的相位調制器要簡單得多。這種調制器只要選擇適當?shù)拿}沖電壓，就可以使相位改變180度。但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，因此對發(fā)射和本振激光器的譜寬要求非常苛刻。28PPT課件

由于相干檢測時存在零差檢測和外差檢測兩種檢測方式，導致相干檢測的解調方式也存在兩種：同步解調和異步解調。

用零差檢測時，光信號直接被調為基帶信號，要求本振光的頻率和信號光的頻率完全相同，本振光的相位要鎖定在信號光的相位上，因而要采用同步解調。29PPT課件

同步解調雖然在概念上很簡單，但是技術上卻很復雜。

用外差檢測時，不要求本振光和信號光的頻率相同，也不要求相位鎖定，可以采用同步解調，也可以采用異步解調。對于PSK信號，必須采用同步解調。

異步解調簡化了接收機設計，技術上容易實現(xiàn)，只要采用檢測器（實現(xiàn)包絡檢波和頻率檢波）即可。30PPT課件

圖7.41和圖7.42分別示出外差同步解調和外差異步解調的接收機方框圖。兩種解調方式的差別在于接收機的噪聲對信號質量的影響。異步解調要求的信噪比（SNR）比同步解調高，但異步解調接收機設計簡單，對信號光源和本振光源的譜線要求適中，因而在相干光通信系統(tǒng)設計中起著主要作用。31PPT課件32PPT課件33PPT課件7.2.3主要參數(shù)

1.信噪比

相干光通信系統(tǒng)光接收機的性能可以用信噪比（SNR）定量描述。

2.誤碼率

誤碼率（BER）可以由信噪（SNR）比確定。

3.靈敏度34PPT課件7.3主要優(yōu)點

(1)靈敏度高，中繼距離長

相干光通信的一個最主要的優(yōu)點是相干檢測能改善接收機的靈敏度。在相同的條件下，相干接收機比普通接收機提高靈敏度約20dB，線路功率損耗可以增加到50dB,可以達到接近散粒噪聲極限的高性能，因此也增加了光信號的無中繼傳輸距離。35PPT課件

由于相干光系統(tǒng)通常受光纖損耗限制，所以周期地使用光纖放大器可以增加傳輸距離。實驗表明，當每隔80km加入一個摻鉺光纖放大器，25個EDFA可以使2.5Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離增加到2200km以上，非常適合干線網使用。36PPT課件(2)選擇性好，通信容量大

相干光通信的另一個主要優(yōu)點是可以提高接收機的選擇性。在直接探測中接收波段較大，為抑制噪聲的干擾，探測器前通常需要放置窄帶濾光片，但其頻帶仍然很寬。在相干外差探測中，探測的是信號光和本振光的混頻光，因此只有在中頻頻帶內的噪聲才可以進入系統(tǒng)，而其它噪聲均被帶寬較窄的微波中頻放大器濾除。37PPT課件

可見，外差探測有良好的濾波性能，這在星間光通信的應用中會發(fā)揮重大作用。此外，由于相干探測優(yōu)良的波長選擇性，相干接收機可以使頻分復用系統(tǒng)的頻率間隔大大縮小，即密集波分復（DWDM），取代傳統(tǒng)光復用技術的大頻率間隔，具有以頻分復用實現(xiàn)更高傳輸速率的潛在優(yōu)勢。

38PPT課件(3)具有多種調制方式

在傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)中，只能使用強度調制方式對光進行調制。而在相干光通信中，除了可以對光進行幅度調制外，還可以使用PSK、DPSK、QAM等多種調制方式，利于靈活的工程應用，雖然這樣增加了系統(tǒng)的復雜性，但是相對于傳統(tǒng)光接收機只響應光功率的變化，相干探測可探測出光的振幅、頻率、位相、偏振態(tài)攜帶的所有信息，因此相干探測是一種全息探測技術，這是傳統(tǒng)光通信技術不具備的。39PPT課件7.4關鍵技術

（1）外光調制技術

由于半導體激光器光載波的某一參數(shù)直接調制時，總會附帶對其他參數(shù)的寄生振蕩，如ASK直接調制伴隨著相位的變化，而且調制深度也會受到限制。另外，還會遇到頻率特性不平坦及張遲振蕩等問題。因此，在相干光通信系統(tǒng)中，除FSK可以采用直接注入電流進行頻率調制外，其他都是采用外光調制方式。40PPT課件（2）匹配技術

相干光系統(tǒng)要求信號光和本振光混頻時滿足嚴格的匹配條件，才能獲得高的混頻效率，這種匹配包括空間匹配、波前匹配和偏振方向匹配。

（3）頻率穩(wěn)定技術

必須使用頻率穩(wěn)定的激光器作為發(fā)射光源和接收機本振光源。41PPT課件激光器的頻率穩(wěn)定技術主要有三種：

(1)將激光器的頻率穩(wěn)定在某種原子或分子的諧振頻率上。在1.5μm波長上，已經利用氨、氪等氣體分子實現(xiàn)了對半導體激光器的頻率穩(wěn)定。

(2)利用光生伏特效應、鎖相環(huán)技術、主激光器調頻邊帶的方法實現(xiàn)穩(wěn)頻。

（3）利用半導體激光器工作溫度的自動控制、注入電流的自動控制等方法實現(xiàn)穩(wěn)頻。42PPT課件（4）頻譜壓縮技術

在相干光通信中，光源的頻譜寬度也是非常重要的。只有保證光波的窄線寬，才能克服半導體激光器量子調幅和調頻噪聲對接收機靈敏度的影響，而且，其線寬越窄，由相位漂移而產生的相位噪聲越小。

為了滿足相干光通信對光源譜寬的要求，通常采取譜寬壓縮技術。主要有兩種實現(xiàn)方法：43PPT課件

(1)注入鎖模法，即利用一個以單模工作的頻率穩(wěn)定、譜線很窄的主激光器的光功率，注入到需要寬度壓縮的從激光器，從而使從激光器保持和主激光器一致的譜線寬度、單模性及頻率穩(wěn)定度；

(2)外腔反饋法。外腔反饋是將激光器的輸出通過一個外部反射鏡和光柵等色散元件反射回腔內，并用外腔的選模特性獲得動態(tài)單模運用以及依靠外腔的高Q值壓縮譜線寬度。44PPT課件45PPT課件（5）偏振保持技術

在相干光通信中，相干探測要求信號光束與本振光束必須有相同的偏振方向，也就是說，兩者的電矢量方向必須相同，才能獲得相干接收所能提供的高靈敏度。否則，會使相干探測靈敏度下降。46PPT課件47PPT課件7.5廣泛應用

相干光通信得到迅速的發(fā)展，特別是對于超長波長(2～10μm)光纖通信來說，相干光通信最具吸引力。因為在超長波段，由瑞利散射決定的光纖固有損耗將進一步大幅度降低(瑞利散射損耗與1/λ4成正比)，故從理論上講，在超長波段可實現(xiàn)光纖跨洋無中繼通信。而在超長波段，直接探測接收機的性能很差，于是相干探測方式自然而然地成為唯一的選擇了。

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超長波長光纖通信系統(tǒng)是以超長波長光纖作為傳輸介質，利用相干光通信技術實現(xiàn)超長距離通信。在該系統(tǒng)中超長波長光纖是至關重要的。它是一種更為理想的傳輸媒介，其主要特性是損耗特低，只有石英材料的千萬分之一。因此，超長波長光纖可以實現(xiàn)數(shù)萬公里傳輸，而不要中繼站。它可以大幅度降低通信成本，