1、第五讲第五讲 相干光通信技术相干光通信技术 目前的光纤通信系统，都是目前的光纤通信系统，都是采用光强调制采用光强调制-直接检测直接检测(IM-DD)方式。方式。这种方式的这种方式的优点是：优点是：调制和解调简单，容易实现，因而调制和解调简单，容易实现，因而成本较低。成本较低。但是但是这种方式没有利用光载波的频率和相位信息，这种方式没有利用光载波的频率和相位信息，限制了系统性能的进一步提高限制了系统性能的进一步提高。相干光通信，相干光通信，像传统的无线电和微波通信一样，像传统的无线电和微波通信一样，在发射在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制；端对光载波进行幅度、频率或相位调制；在接收端则采用
2、零在接收端则采用零差检测或外差检测，差检测或外差检测，这种检测技术称为这种检测技术称为相干检测。相干检测。与与IMD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20 dB，相当于在相同发射功率下，若光纤损耗为相当于在相同发射功率下，若光纤损耗为0.2 dB/km，则传输，则传输距离增加距离增加100 km。同时，采用相干检测，可以更充分利用光纤带宽。我们已同时，采用相干检测，可以更充分利用光纤带宽。我们已经看到，在光频分复用经看到，在光频分复用(OFDM)中，信道频率间隔可以达到中，信道频率间隔可以达到10 GHz以下，因而大幅度增加了传输容量。以下，因而大幅度
3、增加了传输容量。所谓所谓相干光，相干光，就是两个激光器产生的光场具有空间叠加、就是两个激光器产生的光场具有空间叠加、相互干涉性质的激光。相互干涉性质的激光。实现相干光通信，关键是要有频率稳定、实现相干光通信，关键是要有频率稳定、相位和偏振方相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器。向可以控制的窄线谱激光器。7.5.1 相干检测原理相干检测原理 图中示出相干检测原理方框图，光接收机接收的信号光图中示出相干检测原理方框图，光接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后，光场发生干涉。和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后，光场发生干涉。由光检测器输出的光电流经处理后，以基带信号的形式输出。
4、由光检测器输出的光电流经处理后，以基带信号的形式输出。图图7.38 相干检测原理方框图相干检测原理方框图光检测器光检测器电信号电信号处理处理基带信号基带信号本地光本地光振荡器振荡器混频器混频器w wL信号光信号光w wS图图7.38 相干检测原理方框图相干检测原理方框图光检测器光检测器电信号电信号处理处理基带信号基带信号本地光本地光振荡器振荡器混频器混频器w wL信号光信号光w wS 单模光纤的传输模式是基模单模光纤的传输模式是基模HE11模，接收机接收的信号模，接收机接收的信号光其光场可以写成：光其光场可以写成：ES=ASexp-i(St+S)(7.26)式中式中,AS、S和和S分别为信号光
5、的幅度、频率和相位。分别为信号光的幅度、频率和相位。同样，同样，本振光本振光的光场可以写成的光场可以写成 EL=ALexp-i(Lt+L)(7.27)式中式中,AL为本振光的幅度、为本振光的幅度、L为本振光的频率为本振光的频率L为本振光的为本振光的相位。相位。保持信号光的偏振方向不变，控制本振光的偏振方向，保持信号光的偏振方向不变，控制本振光的偏振方向，使之与信号光的偏振方向相同。使之与信号光的偏振方向相同。本振光的中心角频率本振光的中心角频率L应满足应满足 L=S-IF或或L=S+IF (7.28)式中，式中，IF是中频信号的频率。是中频信号的频率。这时的光功率这时的光功率P与光强与光强|E
6、S+L|2成比例：成比例：P=K|ES+EL|2 (7.29)式中，式中，K为常数。为常数。式中式中,PS=KA2S,PL=KA2L,IF=S-L。显然，式显然，式(7.30)右边最后一项是中频信号功率分量，它实右边最后一项是中频信号功率分量，它实际上是叠加在际上是叠加在PS和和PL之上的一种缓慢起伏的变化，如图之上的一种缓慢起伏的变化，如图7.39 所所示。示。由式由式(7.26)式式(7.29)，根据模式理论和电磁理论计算的结，根据模式理论和电磁理论计算的结果，输出光功率近似为：果，输出光功率近似为：P(t)PS+PL+2 cosIFt+(S-L)(7.30)LsPP图图7.39 干涉后的
7、瞬时光功率变化干涉后的瞬时光功率变化(wLwS)PLPStP 由此可见，中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或由此可见，中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或相位信息。在发射端，无论采取什么调制方式，都可以从接收相位信息。在发射端，无论采取什么调制方式，都可以从接收端的中频功率分量反映出来。所以，端的中频功率分量反映出来。所以，相干光接收方式相干光接收方式是适用于是适用于所有调制方式的通信体制。所有调制方式的通信体制。相干检测有相干检测有零差检测零差检测和和外差检测外差检测两种方式。两种方式。图图7.39 干涉后的瞬时光功率变化干涉后的瞬时光功率变化(wLwS)PLPStP1.零差检测零差
8、检测 选择选择L=S，即，即IF=0，这种情况称为零差检测。，这种情况称为零差检测。这时，这时，滤去直流分量，中频信号产生的光电流为滤去直流分量，中频信号产生的光电流为 I(t)=cos(S-L)(7.31)LSPP2 零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为：比为：4 2 PS PL/(2 PS 2)=4PL/PS。LSPP2 通常通常PLPS，同时考虑到本振光相位锁定在信号光相位，同时考虑到本振光相位锁定在信号光相位上，即上，即L=S，这样便得到，这样便得到零差检测的信号光电流为：零差检测的信号光电流为：IP=(7.32)式中，式
9、中，为光检测器的为光检测器的响应度。响应度。由于由于PLPS，零差检测接收光功率可以放大几个数量级。，零差检测接收光功率可以放大几个数量级。虽然噪声也增加了，但是灵敏度仍然可以大幅度提高。虽然噪声也增加了，但是灵敏度仍然可以大幅度提高。零差检测技术非常复杂，因为相位变化非常灵敏，零差检测技术非常复杂，因为相位变化非常灵敏，必须控必须控制相位，制相位，使使S-L保持不变，同时要求保持不变，同时要求L和和S相等。相等。与零差检测相似，外差检测接收光功率细节丰富了，从与零差检测相似，外差检测接收光功率细节丰富了，从而提高了灵敏度。而提高了灵敏度。外差检测信噪比的改善比零差检测低外差检测信噪比的改善比
10、零差检测低3dB，但是接收机，但是接收机设计相对简单，因为不需要相位锁定。设计相对简单，因为不需要相位锁定。2.外差检测外差检测 选择选择LS，即，即IF=S-L0，这种情况称为外差检测。，这种情况称为外差检测。通常选择通常选择fIF(=IF/2)在微波范围在微波范围(例如例如1GHz)。这时。这时外差检测外差检测中频信号产生的光电流为：中频信号产生的光电流为：Iac(t)=cos IFt+(S-L)LSPtP)(2(7.33)7.5.2 调制和解调调制和解调 如前所述，相干检测技术主要优点是：如前所述，相干检测技术主要优点是：可以对光载波实施可以对光载波实施幅度、频率或相位调制。幅度、频率或
11、相位调制。对于模拟信号，有三种调制方式，即对于模拟信号，有三种调制方式，即幅度调制幅度调制(AM)、频、频率调制率调制(FM)和相位调制和相位调制(PM)。对于数字信号，也有三种调制方式，即对于数字信号，也有三种调制方式，即幅移键控幅移键控(ASK)、频移键控频移键控(FSK)和相移键控和相移键控(PSK)。图图7.40 示出示出ASK、PSK和和FSK调制方式的比较，下面分别调制方式的比较，下面分别介绍这三种调制方式。介绍这三种调制方式。图图 7.40 ASK、PSK和和FSK调制方式比较。调制方式比较。100110(a)(b)(c)(d)电 二 进制 信 号ASKPSKFSK1.幅移键控幅
12、移键控(ASK)基带数字信号只控制光载波的幅度变化，称为基带数字信号只控制光载波的幅度变化，称为幅移键控幅移键控(ASK)。ASK的光场表达式：的光场表达式：ES(t)=AS(t)cosSt+S (7.34)式中式中,AS为光场的幅度、为光场的幅度、S为光场的中心角频率和为光场的中心角频率和S为光场的为光场的相位。在相位。在ASK中，中，S保持不变，只对幅度进行调制。保持不变，只对幅度进行调制。对于二进制数字信号调制，在大多数情况下，对于二进制数字信号调制，在大多数情况下，“0”码传码传输时，使输时，使AS=0，“1”码传输时，使码传输时，使AS=1。ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现，
13、这样只有相干通信系统必须采用外调制器来实现，这样只有输出光信号的幅度随基带信号而变化，而相位保持不变。输出光信号的幅度随基带信号而变化，而相位保持不变。如果采用直接光强调制，幅度变化将引起相位变化。外如果采用直接光强调制，幅度变化将引起相位变化。外调制器通常用钛扩散的铌酸锂调制器通常用钛扩散的铌酸锂(Ti:LiNbO3)波导制成的波导制成的马赫马赫-曾德尔曾德尔(MZ)干涉型调制器干涉型调制器，如图，如图3.37所示。所示。当消光比大于当消光比大于20时，该调制器的调制带宽可达时，该调制器的调制带宽可达20 GHz。图图 3.37 马赫马赫-曾德尔干涉仪型调制器曾德尔干涉仪型调制器信号电压电极
14、输出光电光晶体光波导输入光2.相移键控相移键控(PSK)基带信号只控制光载波的相位变化，称为相移键控基带信号只控制光载波的相位变化，称为相移键控(PSK)。PSK的光场表达式为：的光场表达式为：ES(t)=AScosSt+(t)(7.35)在在PSK中，中，AS保持不变，只对相位进行调制。传输保持不变，只对相位进行调制。传输“0”码码和传输和传输“1”码时，分别用两个不同相位码时，分别用两个不同相位(通常相差通常相差180)表示。表示。如果传输如果传输“0”时，光载波相位不变，传输时，光载波相位不变，传输“1”码时，相位改码时，相位改变变180，这种情况称为，这种情况称为差分相移键控差分相移键
15、控(DPSK)。与与ASK使用的使用的MZ干涉型调制器相比，设计干涉型调制器相比，设计PSK使用的相使用的相位调制器要简单得多。这种调制器只要选择适当的脉冲电压，位调制器要简单得多。这种调制器只要选择适当的脉冲电压，就可以使相位改变就可以使相位改变=。但是在接收端光波相位必须非常稳定，但是在接收端光波相位必须非常稳定，因此对发射和本振激光器的谱宽要求非常苛刻。因此对发射和本振激光器的谱宽要求非常苛刻。3.频移键控频移键控(FSK)基带数字信号只控制光载波的频率，称为频移键控基带数字信号只控制光载波的频率，称为频移键控(FSK)。FSK的光场表达式为：的光场表达式为：ES(t)=AScos(S
16、)t+S (7.36）在在FSK中，中，AS保持不变，只对频率进行调制。传输保持不变，只对频率进行调制。传输“0”码和传码和传输输“1”码时，分别用频率码时，分别用频率f0(=0/2)和和f1(=1/2)表示。表示。对于二进制数字信号，用对于二进制数字信号，用(S-)和和(S+)分别表示分别表示“0”码和码和“1”码。码。2 f(=2 /2)称为称为码频间距。码频间距。在式在式(7.36)中，中，(S)t+S和和St+(S t)是等效的，是等效的，因此因此FSK可以认为一种可以认为一种PSK，只是技术上有所不同。只是技术上有所不同。相干检测的解调方式有两种：相干检测的解调方式有两种：同步解调同
17、步解调、异步解调。异步解调。零差检测时，零差检测时，光信号直接被解调为基带信号，要求本振光信号直接被解调为基带信号，要求本振光的频率和信号光的频率完全相同，本振光的相位要锁定在光的频率和信号光的频率完全相同，本振光的相位要锁定在信号光的相位上，因而要采用同步解调。同步解调虽然在概信号光的相位上，因而要采用同步解调。同步解调虽然在概念上很简单，念上很简单，但是技术上却很复杂。但是技术上却很复杂。外差检测时，外差检测时，不要求本振光和信号光的频率相同，也不不要求本振光和信号光的频率相同，也不要求相位匹配，可以采用同步解调，也可以采用异步解调。要求相位匹配，可以采用同步解调，也可以采用异步解调。同步
18、解调要求恢复中频同步解调要求恢复中频IF(微波频率微波频率)，因而要求一种电锁相，因而要求一种电锁相环路。环路。异步解调简化了接收机设计，异步解调简化了接收机设计，技术上容易实现。技术上容易实现。图图7.41 外差外差同步解调同步解调接收机方框图接收机方框图 光检光检测器测器带通带通本振光本振光w wL信号光信号光w wS低通低通基带信号基带信号载波载波恢复恢复 图图7.41和图和图7.42分别示出外差同步解调和外差异步解调的分别示出外差同步解调和外差异步解调的接收机方框图。接收机方框图。两种解调方式的差别在于接收机的噪声对信号质量的影响。两种解调方式的差别在于接收机的噪声对信号质量的影响。异
19、步解调要求的信噪比异步解调要求的信噪比(SNR)比同步解调高，但异步解调接收比同步解调高，但异步解调接收机设计简单，对信号光源和本振光源的谱线要求适中，因而在机设计简单，对信号光源和本振光源的谱线要求适中，因而在相干通信系统设计中起着主要作用。相干通信系统设计中起着主要作用。图图7.42 外差外差异步解调异步解调接收机方框图接收机方框图 光检光检测器测器带通带通本振光本振光w wL信号光信号光w wS低通低通基带信号基带信号包络包络检波检波 7.5.3 误码率和接收灵敏度误码率和接收灵敏度 相干光通信系统光接收机的性能可以用信噪比相干光通信系统光接收机的性能可以用信噪比(SNR)定量定量描述。
20、描述。系统总平均噪声功率系统总平均噪声功率(均方噪声电流均方噪声电流)为：为：式中式中,和和 分别为散粒噪声功率和热噪声功率，分别为散粒噪声功率和热噪声功率，e为为电子电荷，电子电荷，Id为光检测器暗电流，为光检测器暗电流，B为等效噪声带宽，为等效噪声带宽，kT为热为热能量，能量，RL为光检测器负载电阻，为光检测器负载电阻，I为光电流，由式为光电流，由式(7.31)或式或式(7.32)确定。确定。2Ti2niBRkTBIIeiiiLdTsn4)(2222（7.37）大多数相干光接收机的噪声由本振光功率大多数相干光接收机的噪声由本振光功率PL引入的散粒噪引入的散粒噪声所支配，与信号光功率的大小无
21、关。因此，式声所支配，与信号光功率的大小无关。因此，式(7.38)中中Id和和i2T项可以略去，由此得到项可以略去，由此得到外差检测的信噪比：外差检测的信噪比：2222)(22TdLLsnaciBIPePPIISNR（7.38）eB PS SNR=(7.39)零差检测的平均信号光功率是外差检测的零差检测的平均信号光功率是外差检测的2倍，倍，所以所以零差零差检测的信噪比为：检测的信噪比为：SNR=4NP (7.42)光检测器的响应度光检测器的响应度=e/hf,为光检测器量子效率，为光检测器量子效率，e和和hf分别为电子电荷和光子能量；等效噪声带宽分别为电子电荷和光子能量；等效噪声带宽B=fb/2
22、，fb为传输为传输速率；平均信号光功率速率；平均信号光功率PS可以用每比特时间内的光子数可以用每比特时间内的光子数NP表示为：表示为：Ps=NPhffb (7.40)把上述关系代入式把上述关系代入式(7.39)得到得到外差检测的信噪比：外差检测的信噪比：SNR=2NP (7.41)Ia=(Ip+ic)(7.43)21)2(21QerfcBER(7.44)式中式中,Ip=2(PsPL)1/2为信号光电流，为信号光电流，ic为高斯随机噪声电流。为高斯随机噪声电流。设设“0”码和码和“1”码时，码时，IP分别取分别取I0和和I1，在理想情况下，误，在理想情况下，误码率为：码率为：2.误码率误码率 误
23、码率误码率(BER)可以由信噪比可以由信噪比(SNR)确定。确定。以以ASK零差检测零差检测为例，设判决信号为为例，设判决信号为 式中式中,Q=(I1-I0)/(),N0和和N1分别为分别为“0”码和码和“1”码码的等效噪声功率。设的等效噪声功率。设N0=N1，I0=0，则得到：，则得到：01NN 2111)(212SNRNIQ(7.45)把式把式(7.45)和式和式(7.42)代入式代入式(7.44)，得到：得到：用类似方法可以得到各种调制和解调方式的相干接收机用类似方法可以得到各种调制和解调方式的相干接收机BER和极限灵敏度。和极限灵敏度。21)2(21PNerfcBER(7.46)在在“
24、0”码和码和“1”码概率相等条件下，对于码概率相等条件下，对于ASK，NP=,为长比特流情况下，为长比特流情况下，每比特平均光子数。每比特平均光子数。PN2PNNP：每比特时间内的光子数。：每比特时间内的光子数。3.灵敏度灵敏度 为确定接收灵敏度，为确定接收灵敏度，利用式利用式(7.40)和式和式(7.45)得到得到 式中利用了式中利用了=e/hf。最小平均接收光功率：最小平均接收光功率：hfBQPS2min4 (4.47)hfBQPPSS2min22(7.48)例如光波长为例如光波长为1.55 m的的ASK外差检测，设外差检测，设=1，B=1GHz。hf=hc/,h为普朗克常数，为普朗克常数
25、，c为光速，为光速，为光波长。为光波长。当当BER=10-9时，时，Q6，由式，由式(7.48)计算得到计算得到Psmin=10nW，或或Pr=-50 dBm。在相干检测中，通常用每比特光子数在相干检测中，通常用每比特光子数NP表示灵敏度。表示灵敏度。在相在相同假设条件下，由式同假设条件下，由式(7.48)得到：得到：Psmin=72 hf 表表7.2和图和图7.43示出不同调制方式相干检测示出不同调制方式相干检测接收机误码率接收机误码率和和量子极限灵敏度。量子极限灵敏度。PN由此得到每比特光子数由此得到每比特光子数NP=72或或 =36。1020DDIM3636外差外差FSK99零差零差PS
26、K1818外差外差PSK1836零差零差ASK3672外差外差ASKNP比特误码率比特误码率(BER)解调方式解调方式调制方式调制方式PN)4(21PNerfc)2(21PNerfc)(21PNerfc)2(21PNerfc)2(21PNerfc)exp(21PN表表7.2 同步相干接收机量子极限灵敏度同步相干接收机量子极限灵敏度图图7.43 不同调制方式外差接收机量子极限误码率不同调制方式外差接收机量子极限误码率 10 1210 910 610 3100151050100FSKPSKDPSKASK零差PSK光子数/比特误码率 由表由表7.2和图和图7.43知，理想直接检测光接收机在知，理想直
27、接检测光接收机在BER=10-9时，要求每比特时，要求每比特10个光子个光子(=10)，该值几乎接近最好的相干该值几乎接近最好的相干接收机接收机PSK 零差检测接收机的零差检测接收机的 P,而比所有的其他相干接收而比所有的其他相干接收机都好。机都好。PNPN 然而，实际上因为热噪声、然而，实际上因为热噪声、暗电流和其他许多因素的影暗电流和其他许多因素的影响，绝不会达到这个数值，通常只能达到响，绝不会达到这个数值，通常只能达到 1000。然而在相干接收的情况下，表中的数值很容易实现，这然而在相干接收的情况下，表中的数值很容易实现，这是因为借助增加本振光功率，使散粒噪声占支配地位的结果。是因为借助
28、增加本振光功率，使散粒噪声占支配地位的结果。图图7.44 4 Gb/s外差光波系统实验原理图外差光波系统实验原理图 调幅或调相3 dB耦合器外调制器ASK或DPSK数据输入光纤光隔离器DBR或DFB激光器频率锁定光平衡接收机低通滤波数据输出FSK数据输入DBR或DFB激光器偏振控制光隔离器可变延迟线图图 7.44 是是4 Gb/s外差光波系统实验原理图。外差光波系统实验原理图。本地载波本地载波实际到大致实际到大致 量子极限量子极限 1000 101.55IM/DD外腔调制器外腔调制器 261 20 270 20 45 201.55160km200km260km4Gb/s1Gb/s400Gb/s
29、1.55 DBF DBR窄线谱窄线谱窄线谱窄线谱DPSK码频间距码频间距=比特率比特率17ps/(nmkm)218 40 1500 40 350 401.55160km100km243km4Gb/s1Gb/s140Gb/s1.55 DFB DBR普通单频普通单频普通单频普通单频FSK外腔调制器外腔调制器 210 40 1.55160km4Gb/s 1.55ASK注注接收机灵敏度接收机灵敏度光纤类型光纤类型传输距离传输距离传输速率传输速率光源光源调制方式调制方式mmmmmmm表表7.3 外差异步解调光波系统结果与量子极限比较外差异步解调光波系统结果与量子极限比较 7.5.4 相干光系统的优点和关
30、键技术相干光系统的优点和关键技术相干光系统主要优点是：相干光系统主要优点是：灵敏度提高了灵敏度提高了1020 dB，线路功率损耗可以增加到，线路功率损耗可以增加到50 dB。如果使用损耗为如果使用损耗为0.2 dB/km光纤，无中继传输距离可达光纤，无中继传输距离可达250 km。由于相干光系统通常受光纤损耗限制，周期地使用光纤放由于相干光系统通常受光纤损耗限制，周期地使用光纤放大器，可以增加传输距离。实验表明，当每隔大器，可以增加传输距离。实验表明，当每隔80 km加入一个加入一个掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器，25 个个EDFA可以使可以使 2.5 Gb/s系统的传输距离系统的传输距离增加
31、到增加到2200 km以上，非常适合干线网使用。以上，非常适合干线网使用。因为相干光系统出色的信道选择性和灵敏度，与光频分复因为相干光系统出色的信道选择性和灵敏度，与光频分复用相结合，用相结合，可以实现大容量传输，非常适合于可以实现大容量传输，非常适合于CATV分配网使分配网使用。用。相干光系统的关键技术是：相干光系统的关键技术是：必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为信号必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为信号光源和本振光源。光源和本振光源。在相干光系统中，中频一般选择为在相干光系统中，中频一般选择为21082109 Hz，1550 nm的光载频约为的光载频约为21014H
32、z，中频是光载频的中频是光载频的10-610-5倍，倍，因此要求光源频率稳定度优于因此要求光源频率稳定度优于10-8。一般激光器达不到要求，必须研究稳频技术，如以分子标一般激光器达不到要求，必须研究稳频技术，如以分子标准频率作基准，稳定度可达准频率作基准，稳定度可达10-12。信号光源和本振光源频谱纯度必须很高，信号光源和本振光源频谱纯度必须很高，例如中频选择例如中频选择100 MHz，频谱纯度应为几，频谱纯度应为几kHz，一般激光器满足不了这个要，一般激光器满足不了这个要求。必须采用频谱压缩措施，提高频谱纯度，目前优质求。必须采用频谱压缩措施，提高频谱纯度，目前优质DFB-LD频谱宽度可达几频谱宽度可达几kHz。匹配技术。匹配技术。相干光系统要求信号光和本振光混频时满足严相干光系统要求信号光和本振光混频时满足严格的匹配条件，才能获得高混频效率，这种匹配包括空间匹配、格的匹配条件，才能获得高混频效率，这种匹配包括空间匹配、波前匹配和偏振方向匹配。波前匹配和偏振方向匹配。
