1、第五章相干通信与光孤子通信第五章相干通信与光孤子通信内容提要内容提要 光孤子通信系统光孤子通信系统 附附补充知识补充知识 相干光通信系统相干光通信系统5.7 5.7 相干光通信相干光通信v 目前实用化的光纤通信系统都是采用目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度调制光强度调制/直接探直接探测测 (Intensity Modulation with Direct Detection,IM-DD)方式，方式，v 其原理简单，成本低，但不能充分发挥光纤通信的优越其原理简单，成本低，但不能充分发挥光纤通信的优越性，存在频带利用率低、接收机灵敏度差、中继距离短性，存在频带利用率低、接收机灵敏度差、中继距离
2、短等缺点。等缺点。v 为了充分利用光纤通信的带宽，将无线电数字通信中的为了充分利用光纤通信的带宽，将无线电数字通信中的相干通信方式应用于光纤通信。于是，相干通信方式应用于光纤通信。于是，相干光通信相干光通信便产便产生了。生了。v 相干光通信旳理论和实验始于相干光通信旳理论和实验始于8080年代。由于相干光通信年代。由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高旳优势，各国在相干光传输技术系统被公认为具有灵敏度高旳优势，各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。经过十年旳研究，相干光通信进入实上做了大量研究工作。经过十年旳研究，相干光通信进入实用阶段。英美日等国相继进行了用阶段。英美日等国相继进行了系列相
3、干光通信实验。系列相干光通信实验。AT&TAT&T及及BellBell公司于公司于19891989和和19901990年在宾州旳罗灵年在宾州旳罗灵克里克地面克里克地面站与森伯里枢纽站间先后进行了站与森伯里枢纽站间先后进行了1.3m1.3m和和1.55m1.55m波长旳波长旳1.7Gbit/s FSK1.7Gbit/s FSK现场无中继相干传输实验，相距现场无中继相干传输实验，相距3535公里，接公里，接收灵敏度达到收灵敏度达到-41.5dBm-41.5dBm。NTTNTT公司于公司于19901990年在濑户内陆海旳年在濑户内陆海旳大分大分尹予和吴站之间进行了尹予和吴站之间进行了2.5Gbit/
4、s CPFSK2.5Gbit/s CPFSK相干传输实相干传输实验，总长验，总长431431公里。直到公里。直到1919世纪世纪8080年代末，年代末，EDFAEDFA和和WDMWDM技术旳技术旳发展，使得相干光通信技术旳发展缓慢下来。在这段时期，发展，使得相干光通信技术旳发展缓慢下来。在这段时期，灵敏度灵敏度和每个通道旳信息容量已经不再备受关注。和每个通道旳信息容量已经不再备受关注。5.7 5.7 相干光通信相干光通信v 相干光通信的基本工作原理如图相干光通信的基本工作原理如图5.415.41所示。所示。图图5.41 5.41 相干光通信系统原理图相干光通信系统原理图相干光通信的基本工作原理
5、相干光通信的基本工作原理v 基本工作原理基本工作原理：在发送端，采用外光调制方式将信号以调：在发送端，采用外光调制方式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上，再经光匹配器送幅、调相或调频的方式调制到光载波上，再经光匹配器送入光纤中传输。当入光纤中传输。当信号光信号光传输到达接收端时，首先传输到达接收端时，首先与本振与本振光信号进行相干混合光信号进行相干混合，然后由探测器进行检测。，然后由探测器进行检测。v 其中，发射端的光匹配器是其中，发射端的光匹配器是保证从光调制器输出的已调光保证从光调制器输出的已调光波的空间场分布和单模光纤中的基模波的空间场分布和单模光纤中的基模HE11之间有尽可能
6、好之间有尽可能好的匹配，以及已调光波的偏振状态和单模光纤中的本征偏的匹配，以及已调光波的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态相匹配。振状态相匹配。v 接收端的光匹配器是接收端的光匹配器是为了达到光混频器最大可能的混频效为了达到光混频器最大可能的混频效率而使接收的光复数振幅和偏振与本振光波相匹配。率而使接收的光复数振幅和偏振与本振光波相匹配。相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v 相干光通信相干光通信按照本振光信号频率与接收到的信号光频率按照本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等是否相等，可分为，可分为外差检测相干光通信外差检测相干光通信和和零差检测相干零差检测相干光通信光通信。v
7、 前者经光电检波器获得的是中频信号，中频信号还需二前者经光电检波器获得的是中频信号，中频信号还需二次解调才能被转换成基带信号。外差检测相干光通信不次解调才能被转换成基带信号。外差检测相干光通信不要求本振光与信号光之间的相位锁定和光频率严格匹配。要求本振光与信号光之间的相位锁定和光频率严格匹配。v 对于后者，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信对于后者，光信号经光电检波器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相位锁定。严格匹配，并且要求本振光与信号光相位锁定。相干光通信的基本工作原理相
8、干光通信的基本工作原理v图图5.425.42为相干检测原理图为相干检测原理图。v 图图5.42 5.42 相干检测原理图相干检测原理图相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v 图图5.425.42中的光信号是以调幅、调频或调相的方式调制到光中的光信号是以调幅、调频或调相的方式调制到光载波（载波频率为载波（载波频率为 ）上的。当该信号传输到接收端时，）上的。当该信号传输到接收端时，首先与频率为首先与频率为 的本振光信号进行相干混合（混频），的本振光信号进行相干混合（混频），然后由光电检测器进行检测，这样就获得了中频频率为然后由光电检测器进行检测，这样就获得了中频频率为 的输出电信号。设
9、信号光和本振光的电场分量分别为的输出电信号。设信号光和本振光的电场分量分别为 ,式中，式中，和和 ，A AS S 和和A AL L，和和 分别是信号光和本分别是信号光和本振光的频率、振幅和相位。振光的频率、振幅和相位。SSSScos()EAtLLLLcos()EAtLsIFsLsLsL相干光通信的相干光通信的基本工作原理基本工作原理v 假定信号光和本振光的偏振方向相同，光检测器上的光强假定信号光和本振光的偏振方向相同，光检测器上的光强度为正比于度为正比于 ，设检测到的功率为，设检测到的功率为P=K K ，K为比例系数。将和式代入，则为比例系数。将和式代入，则v P(t)v 式中，式中，为接收信
10、号光功率；为接收信号光功率；为本振信号光功率；为本振信号光功率；为中频；为中频；信号频率超出光检信号频率超出光检测器频段，可以忽略。测器频段，可以忽略。2SLEE2SLEESLS LIFSL2cos()P PPPt22SSSScos()PK At22LLLLcos()PK Atcos()sLIFsL相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v 当当 时，必须把接收信号光载波频率转换为中频信时，必须把接收信号光载波频率转换为中频信号（典型值为号（典型值为0.10.15 GHz5 GHz），然后再把该中频信号转变成），然后再把该中频信号转变成基带信号，这种相干检测方式称为基带信号，这种相干检
11、测方式称为外差检测外差检测。v 当当 =时，可以把接收到的光信号直接转变为基带信时，可以把接收到的光信号直接转变为基带信号，这种相干检测方式称为号，这种相干检测方式称为零差检测零差检测。v 1 1零差检测零差检测v 零差检测时，选择本振光频率零差检测时，选择本振光频率 与信号光载波频率与信号光载波频率 相同，此时相同，此时 =0=0，光检测器产生的光电流为，光检测器产生的光电流为sLsLLsIF相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v v 式中，式中，R是检测器的响应度。因为通常是检测器的响应度。因为通常 ，所以可以，所以可以认为认为 为常数。为常数。v 式的最后一项包含要传送的信息
12、。考虑到本振光相位被锁式的最后一项包含要传送的信息。考虑到本振光相位被锁定在信号光相位上，即定在信号光相位上，即 ，因此零差检测产生的，因此零差检测产生的信号电流为信号电流为 。SLSLSL()()2cos()I tRPR PPR P PSLLPPPSLSSL()2()ItR P t PSLPP 相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v 2 2外差检测外差检测v 在外差检测情况下，选择本振光频率在外差检测情况下，选择本振光频率 与信号光载波频率与信号光载波频率 不同，使差频不同，使差频 落在微波范围内落在微波范围内(1 GHz)1 GHz)。因。因此光检测器产生的光生电流为此光检测器
13、产生的光生电流为v v 因为通常因为通常 ，所以，所以 为常数，所以上式的第为常数，所以上式的第一项可认为是直流常数，很容易被滤除。此时，含有信息的一项可认为是直流常数，很容易被滤除。此时，含有信息的外差信号电流为外差信号电流为 LSIFfIFSLSLIFSL()()2cos()I tR PPR P PtSLIFSL()2cos()I tR P PtSLLPPPSLPP 相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理 从式和式可以清楚地看到从式和式可以清楚地看到:v(1)(1)即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与 成正比，仍能够通过增大成正比，仍能
14、够通过增大P PL L而获得足够大的输出电流。本而获得足够大的输出电流。本振光在相干检测中还起到了光放大的作用，振光在相干检测中还起到了光放大的作用，系统获得了系统获得了混频增益，从而提高了信号的接收灵敏度。混频增益，从而提高了信号的接收灵敏度。v(2)(2)由于在相干检测中，要求由于在相干检测中，要求s s-L L随时保持常数随时保持常数(IFIF或或0)0)，因而要求系统中所使用的光源具备非常高的频率稳，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定的频率调谐范围。定性、非常窄的光谱宽度以及一定的频率调谐范围。v(3)(3)无论外差检测还是零差检测，其检测根据都
15、来源于接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和偏振方向匹配。须保持它们之间的相位锁定和偏振方向匹配。LPv相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。增益、出色的信道选择性及可调性等特点。v与与 IM-DD 系统相比，具有以下独特的优点。系统相比，具有以下独特的优点。v(1)(1)灵敏度高，中继距离长灵敏度高，中继距离长v相干光通信旳相干光通信旳个最主要旳优点是相干检测个最主要旳优点是相干
16、检测能改善接收机旳灵敏度。在相同旳条件下，相干能改善接收机旳灵敏度。在相同旳条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约接收机比普通接收机提高灵敏度约20dB20dB，可以达，可以达到接近散粒噪声极限旳高性能，因此也增加了光到接近散粒噪声极限旳高性能，因此也增加了光信号旳无中继传输距离。信号旳无中继传输距离。相干光通信的特点相干光通信的特点v(2)(2)选择性好，通信容量大选择性好，通信容量大v 相干光通信旳另相干光通信旳另个主要优点是可以提高接收机旳个主要优点是可以提高接收机旳选择性。在直接探测中选择性。在直接探测中,接收波段较大，为抑制接收波段较大，为抑制噪声噪声旳旳干扰，探测器前通常需要放
17、置干扰，探测器前通常需要放置窄带滤光片窄带滤光片,但其频带仍但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测旳是信号光和本振光然很宽。在相干外差探测中，探测旳是信号光和本振光旳混频光，因此只有在中频频带内旳噪声才可以进入系旳混频光，因此只有在中频频带内旳噪声才可以进入系统，而其它噪声均被带宽较窄旳微波中频放大器滤除。统，而其它噪声均被带宽较窄旳微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好旳滤波性能，这在星间光通信旳可见，外差探测有良好旳滤波性能，这在星间光通信旳应用中会发挥重大作用。此外，由于相干探测优良旳波应用中会发挥重大作用。此外，由于相干探测优良旳波长选择性，相干接收机可以使频分复用系统旳频率间隔长
18、选择性，相干接收机可以使频分复用系统旳频率间隔大大缩小，即密集波分复用（大大缩小，即密集波分复用（DWDMDWDM），取代传统光复用），取代传统光复用技术旳大频率间隔，具有以频分复用实现更高传输速率技术旳大频率间隔，具有以频分复用实现更高传输速率旳潜在优势。旳潜在优势。v(3)(3)具有多种调制方式具有多种调制方式v在传统光通信系统中，只能使用强度调制方在传统光通信系统中，只能使用强度调制方式对光进行调制。而在相干光通信中，除了可以式对光进行调制。而在相干光通信中，除了可以对光进行幅度调制外，还可以使用对光进行幅度调制外，还可以使用PSKPSK、DPSKDPSK、QAMQAM等多种调制格式，利
19、于灵活旳工程应用，虽等多种调制格式，利于灵活旳工程应用，虽然这样增加了系统旳复杂性，但是相对于传统光然这样增加了系统旳复杂性，但是相对于传统光接收机只响应光功率旳变化，相干探测可探测出接收机只响应光功率旳变化，相干探测可探测出光旳振幅、频率、位相、偏振态携带旳所有信息，光旳振幅、频率、位相、偏振态携带旳所有信息，因此相干探测是因此相干探测是种全息探测技术，这是传统光种全息探测技术，这是传统光通信技术不具备旳。通信技术不具备旳。三、国内外光孤子通信走向实用的动态采用以上外调制器，可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。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
20、统的正常工作。设信号光和本振光的电场分量分别为为中频；考虑到本振光相位被锁定在信号光相位上，即 ，因此零差检测产生的信号电流为相干光通信的基本工作原理相干光通信旳个最主要旳优点是相干检测能改善接收机旳灵敏度。图5.二、光孤子通信系统的构成三、国内外光孤子通信走向实用的动态基本工作原理：在发送端，采用外光调制方式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上，再经光匹配器送入光纤中传输。5Gbit/s CPFSK相干传输实验，总长431公里。与此同时，麻省理工林肯实验室研究了各种相干通信方案在LEO星间平台振动条件下旳信噪比、误码率等通信性能，并提出了发射功率自适应技术方案，其实验装置通信距离30
21、00km，误码率1.,目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度调制/直接探测(Intensity Modulation with Direct Detection,IM-DD)方式，在该系统中超长波长光纤是至关重要旳。(2)光孤子源技术相干系统的光调制相干系统的光调制v在相干光纤通信系统中，发送端可以采用直接调在相干光纤通信系统中，发送端可以采用直接调制或外调制方式，对光载波进行幅度、频率和相制或外调制方式，对光载波进行幅度、频率和相位调制。它可以传输模拟信号，也可以传输数字位调制。它可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，但多数情况下传送的是数字信息。信号，但多数情况下传送的是数字信息。v对于数
22、字调制，一般可采用三种基本形式：幅移对于数字调制，一般可采用三种基本形式：幅移键控键控 (amplitude-shift keying(amplitude-shift keying，ASK)ASK)，相移，相移键控键控(phase-shift keying(phase-shift keying，PSK)PSK)和频移键控和频移键控(frequency-shift keying(frequency-shift keying，FSK)FSK)相干系统的光调制相干系统的光调制v如果基带数字信号只用来控制光载波的幅度大小，如果基带数字信号只用来控制光载波的幅度大小，称幅移键控称幅移键控.v如果基带数字
23、信号用来控制光载波的频率，称频如果基带数字信号用来控制光载波的频率，称频移键控移键控.v基带数字信号只对光载波的相位进行控制的方式，基带数字信号只对光载波的相位进行控制的方式，称为数字调相，也叫作相移键控。称为数字调相，也叫作相移键控。相干系统的光调制相干系统的光调制相干光通信的关键技术相干光通信的关键技术v 为了实现准确、有效、可靠的相干光通信，应采用以下关为了实现准确、有效、可靠的相干光通信，应采用以下关键技术。键技术。v 1 1外光调制技术外光调制技术v 外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电外光调制是根据某些电光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
24、理现象而提出的。压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。v 外光调制器主要包括三种：外光调制器主要包括三种：利用利用电光效应电光效应制成的电光调制制成的电光调制器、利用器、利用声光效应声光效应制成的声光调制器和利用制成的声光调制器和利用磁光效应磁光效应制成制成的磁光调制器。采用以上外调制器，可以完成对光载波的的磁光调制器。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。振幅、频率和相位的调制。相干光通信的关键技术相干光通信的关键技术v 2 2偏振保持技术偏振保持技术v 在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须有相
25、同的偏振方向，才能获得相干接收所能提供的高灵敏有相同的偏振方向，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度，否则，会使相干探测灵敏度下降。度，否则，会使相干探测灵敏度下降。v 为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采取为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施光波偏振稳定措施。目前，主要有两种方法：目前，主要有两种方法：v 一是采用一是采用“保偏光纤保偏光纤”使光波在传输过程中保持光波的偏使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。振态不变。v 二是使用普通的单模光纤，在接收端采用偏振分集技术。二是使用普通的单模光纤，在接收端采用偏振分集技术。相干光通信的关键技术相干光通信
26、的关键技术v 3 3频率稳定技术频率稳定技术v 在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。因此，在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。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。能保证相干光通信系统的正常工作。v 激光器的频率稳定技术主要有三种：激光器的频率稳定技术主要有三种：v(1)(1)将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上，将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上，在在1.5 m波长上，已经利用氨、氪等气体分子实现了对半导波长上，已经利用氨、氪等气体分子实现了对
27、半导体激光器的频率稳定；体激光器的频率稳定；相干光通信的关键技术相干光通信的关键技术v(2)(2)利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边带的方法实现稳频；带的方法实现稳频；v(3)(3)利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电流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。的自动控制等方法实现稳频。v 除了以上关键技术外，还有频谱压缩技术和非线性串扰除了以上关键技术外，还有频谱压缩技术和非线性串扰控制技术、相位分集接收技术、双路平衡接收技术、光控制技术、相位分集接收技术、双路平衡接收技术、光锁相环技术，以及用于本振频率
28、稳定的锁相环技术，以及用于本振频率稳定的AFCAFC等。等。v 相干光通信得到迅速旳发展，特别是对于超长波长相干光通信得到迅速旳发展，特别是对于超长波长(2(210 m)10 m)光纤通信来说，相干光通信最具吸引力。因为在超长光纤通信来说，相干光通信最具吸引力。因为在超长波段，由瑞利散射决定旳光纤固有波段，由瑞利散射决定旳光纤固有损耗损耗将进将进步大幅度降低步大幅度降低(瑞利散射损耗与瑞利散射损耗与1/?41/?4成正比成正比)，故从理论上讲，在超长波，故从理论上讲，在超长波段可实现光纤跨洋无中继通信。而在超长波段，直接探测接段可实现光纤跨洋无中继通信。而在超长波段，直接探测接收机旳性能很差，
29、于是相干探测方式自然而然地成为唯收机旳性能很差，于是相干探测方式自然而然地成为唯旳旳选择了。选择了。v 超长波长超长波长光纤通信系统光纤通信系统是以超长波长光纤作为传输介质，是以超长波长光纤作为传输介质，利用相干光通信技术实现超长距离通信。在该系统中超长波利用相干光通信技术实现超长距离通信。在该系统中超长波长光纤是至关重要旳。它是长光纤是至关重要旳。它是种更为理想旳传输媒介，其主种更为理想旳传输媒介，其主要特性是损耗特低，只有要特性是损耗特低，只有石英石英材料旳千万分之材料旳千万分之。因此，超。因此，超长波长光纤可以实现数万公里传输，而不要中继站。它可以长波长光纤可以实现数万公里传输，而不要中
30、继站。它可以大幅度降低通信成本，提高系统旳稳定性和可靠性，对海底大幅度降低通信成本，提高系统旳稳定性和可靠性，对海底通信和沙漠地区更具有特别重要旳意义。通信和沙漠地区更具有特别重要旳意义。v 研究旳超长波长光纤主要是氟化物玻璃光纤，其理论损耗值非常低，如研究旳超长波长光纤主要是氟化物玻璃光纤，其理论损耗值非常低，如Ba-F2-Gd-ZrF4-ALF3Ba-F2-Gd-ZrF4-ALF3光纤在光纤在3m3m左右旳理论最低损耗为左右旳理论最低损耗为10-3dB/km10-3dB/km，GaF2-BaF2-YF2-ALF3GaF2-BaF2-YF2-ALF3光纤旳透明范围为光纤旳透明范围为27m27
31、m，在，在3m3m左右旳最低理论损左右旳最低理论损耗为耗为10-2dB/km10-2dB/km。v 从光纤旳色散特性来看，氟化玻璃材料光纤也可以实现零色散。例从光纤旳色散特性来看，氟化玻璃材料光纤也可以实现零色散。例如，由镐、如，由镐、铝铝和镧组成旳氟化物光纤，在和镧组成旳氟化物光纤，在1.7m1.7m可实现零色散，在可实现零色散，在4m4m波长旳色散也很小，只有波长旳色散也很小，只有45ps/nm km45ps/nm km。而且，氟化物玻璃光纤在较宽旳。而且，氟化物玻璃光纤在较宽旳波长范内，比石英光纤旳色散要低。这样，可在大范围内实现波份复用。波长范内，比石英光纤旳色散要低。这样，可在大范围
32、内实现波份复用。v 随着光纤通信技术旳发展，利用超长波长光纤实现超长距离通信是随着光纤通信技术旳发展，利用超长波长光纤实现超长距离通信是今后光纤通信发展旳重要方向之今后光纤通信发展旳重要方向之。但是，超长波长光纤通信系统还存。但是，超长波长光纤通信系统还存在许多需要进在许多需要进步解决旳技术问题，如超长波长光纤旳材料提纯与拉制，步解决旳技术问题，如超长波长光纤旳材料提纯与拉制，采用相干光通信技术所要求旳超长波长光源及超长波长相干光电检波器采用相干光通信技术所要求旳超长波长光源及超长波长相干光电检波器等。等。v 除以上应用外，由于相干光通信旳出色旳信道选择性和灵敏度，在除以上应用外，由于相干光通
33、信旳出色旳信道选择性和灵敏度，在频分复用频分复用CATVCATV分配网中也得到了广泛旳应用。分配网中也得到了广泛旳应用。在1980-1995年间，相干光通信是国际光通信领域旳研究热点。1光孤子通信研究的三个阶段42 相干检测原理图光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。NTT公司于1990年在濑户内陆海旳大分尹予和吴站之间进行了2.三、国内外光孤子通信走向实用的动态在接收端，通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其他辅助装置实现信号的还原。在设计全光开关时，采用光孤子脉冲作为输入信号可使整个设计达到优化。P(t)但是，超长波长光纤通信系统还存在许多需要进步解决旳技术问题，如超长波长光纤旳材料提纯与
34、拉制，采用相干光通信技术所要求旳超长波长光源及超长波长相干光电检波器等。研究现状研究现状v 相干光通信技术经过二十年旳蛰伏期，越来越受到国际学术界旳相干光通信技术经过二十年旳蛰伏期，越来越受到国际学术界旳关注。从关注。从20052005年现在，每年都有大量关于相干光通信技术旳文章在国年现在，每年都有大量关于相干光通信技术旳文章在国际高水平会议和期刊上发表，内容包括各种新型调制码型，如正交频际高水平会议和期刊上发表，内容包括各种新型调制码型，如正交频分复用（分复用（OFDMOFDM）、偏振差分四相移相键控（）、偏振差分四相移相键控（POLMUX-DQPSKPOLMUX-DQPSK），相干光），相
35、干光通信关键技术旳研究，相干光通信中旳高速数字信号处理，以及相干通信关键技术旳研究，相干光通信中旳高速数字信号处理，以及相干光接收机集成化旳研究等。此类研究多集中于光接收机集成化旳研究等。此类研究多集中于美国美国、日本日本、德国德国、荷荷兰兰、英国英国等发达国家，中国也有相关研究文章发表，但数量较少。相等发达国家，中国也有相关研究文章发表，但数量较少。相干光通信方面旳理论研究正在逐年升温，商品化研发也在缓慢进行。干光通信方面旳理论研究正在逐年升温，商品化研发也在缓慢进行。20062006年美国年美国DISCOVERYDISCOVERY公司推出了带宽公司推出了带宽2.5Gbit/s2.5Gbit
36、/s及及10Gbit/s10Gbit/s旳外差检旳外差检测相干光接收机，在带宽为测相干光接收机，在带宽为10Gbit/s10Gbit/s误码率为误码率为10-910-9时灵敏度可达时灵敏度可达-30dBm30dBm，集成旳相干接收机体积比普通电脑机箱小，便于运输和野外工，集成旳相干接收机体积比普通电脑机箱小，便于运输和野外工作。相干光通信旳作。相干光通信旳些关键器件及技术也在近几年得到了很大旳发展，些关键器件及技术也在近几年得到了很大旳发展，如如DISCOVERYDISCOVERY、德国、德国u2tu2t等公司可提供高速高输入功率旳平衡接收机。等公司可提供高速高输入功率旳平衡接收机。v 虽然相
37、干光通信系统旳潜在优势使它具备取代传统光通信虽然相干光通信系统旳潜在优势使它具备取代传统光通信系统旳可能，但是其实用化研究多集中在特殊环境旳应用，如系统旳可能，但是其实用化研究多集中在特殊环境旳应用，如跨洋通信、沙漠通信、星间通信等。传统光通信系统需要使用跨洋通信、沙漠通信、星间通信等。传统光通信系统需要使用大量大量EDFAEDFA、SOASOA等中继设备，但是在海底和沙漠等条件非常恶劣等中继设备，但是在海底和沙漠等条件非常恶劣旳环境中，这些精密设备容易损坏，且修理和更换费用昂贵。旳环境中，这些精密设备容易损坏，且修理和更换费用昂贵。相干光通信由于其无中继距离远大于传统光通信系统，可以大相干光
38、通信由于其无中继距离远大于传统光通信系统，可以大量减少中继设备，降低维护和修理费用。此外，相干光通信量减少中继设备，降低维护和修理费用。此外，相干光通信大热点在于星间光链路通信。理论上，与大热点在于星间光链路通信。理论上，与RFRF载波相比，光载波载波相比，光载波在卫星通信中具有极强旳优势，包括传送带宽大、质量体积功在卫星通信中具有极强旳优势，包括传送带宽大、质量体积功耗小等，通信光极窄旳波束宽度也带来了很好旳抗干扰和抗截耗小等，通信光极窄旳波束宽度也带来了很好旳抗干扰和抗截获性能，可以极大地提高通信系统旳信息安全。因此，相干光获性能，可以极大地提高通信系统旳信息安全。因此，相干光通信技术是星
39、间激光通信链路技术发展极具潜力旳选择。通信技术是星间激光通信链路技术发展极具潜力旳选择。研究现状研究现状v 在在1980-19951980-1995年间，相干光通信是国际光通信领域旳研究年间，相干光通信是国际光通信领域旳研究热点。热点。19951995年前后，随着年前后，随着EDFAEDFA和和WDMWDM旳成熟，在光纤通信旳商旳成熟，在光纤通信旳商用领域，传统光通信系统已足以保证通信性能，而在无法使用领域，传统光通信系统已足以保证通信性能，而在无法使用用EDFAEDFA做中继旳星间光通信领域，相干光技术则做中继旳星间光通信领域，相干光技术则直被视为直被视为满足功率受限旳卫星光通信系统旳高灵敏
40、度高带宽要求旳必满足功率受限旳卫星光通信系统旳高灵敏度高带宽要求旳必然选择，国外对此进行了大量旳研究。然选择，国外对此进行了大量旳研究。19971997年年开始，开始，ESAESA与德与德国航天中心合作进行国航天中心合作进行OGSOGS研究项目，研究星地激光通信中光学研究项目，研究星地激光通信中光学地面站旳地面站旳1.06m1.06m光外差探测技术。日本国家宇宙开发事业团光外差探测技术。日本国家宇宙开发事业团自自19981998年年以来进行了大量星间相干光通信旳研究，对各种相以来进行了大量星间相干光通信旳研究，对各种相干通信方案进行了星间通信旳对比研究。从干通信方案进行了星间通信旳对比研究。从
41、19991999年左右，加年左右，加州理工州理工JPLJPL实验室重点研究通过相干光通信技术扩展星间光通实验室重点研究通过相干光通信技术扩展星间光通信链路旳信道容量。与此同时，麻省理工林肯实验室研究了信链路旳信道容量。与此同时，麻省理工林肯实验室研究了各种相干通信方案在各种相干通信方案在LEOLEO星间平台振动条件下旳信噪比、误码星间平台振动条件下旳信噪比、误码率等通信性能，并提出了发射功率自适应技术方案，其实验率等通信性能，并提出了发射功率自适应技术方案，其实验装置通信距离装置通信距离3000km3000km，误码率误码率1.0E-6.1.0E-6.码速率码速率2Gbit/s2Gbit/s。
42、研究现状研究现状5.8 5.8 光孤子通信光孤子通信 光孤子通信系统的构成光孤子通信系统的构成 国内外孤子光通信走向实用的动态国内外孤子光通信走向实用的动态光孤子通信原理光孤子通信原理5.8 5.8 光孤子通信光孤子通信v 孤子孤子(Soliton)(Soliton)又称为孤立波又称为孤立波(Solitary wave)(Solitary wave)，是一种，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。v 19731973年，年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中孤立
43、波的观点开始引入到光纤传输中，逐渐产，逐渐产生了新的光孤子通信理论，从而把通信引向非线性光纤生了新的光孤子通信理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。孤子传输系统这一新领域。v 光孤子就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅光孤子就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性，可以实现超利用光孤子特性，可以实现超长距离、超大容量的光通信。长距离、超大容量的光通信。一、光孤子通信原理一、光孤子通信原理v 光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散是限制线性光纤通信系统传输距离和是限制线性光纤通信系统传输距离和容量的两个主要因素。容量的两
44、个主要因素。v 光的色散是指光的色散是指由于物质的折射率与光的波长有关系而发由于物质的折射率与光的波长有关系而发生的一些现象。光纤色散使得光脉冲中不同波长的光传生的一些现象。光纤色散使得光脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲展宽。播速度不一致，结果导致光脉冲展宽。v 在光强较弱的情况下在光强较弱的情况下，光纤介质的折射率，光纤介质的折射率是常数是常数，即，即 n 不随光强变化。不随光强变化。一、光孤子通信原理一、光孤子通信原理v 但是在强光作用下，但是在强光作用下，由物理晶体光学的由物理晶体光学的克尔克尔(Kerr)效应效应可可知知，光纤介质的折射率不再是常数，折射率正比于光场光纤
45、介质的折射率不再是常数，折射率正比于光场强。强。又知折射率与相位有一定的关系，相位与频率有一又知折射率与相位有一定的关系，相位与频率有一定的关系，则光强的变化将造成光信号频率的变化，从定的关系，则光强的变化将造成光信号频率的变化，从而使光的传播速度发生变化。而使光的传播速度发生变化。v 光纤的群速度色散和光纤的非线性，两者共同作用使得光纤的群速度色散和光纤的非线性，两者共同作用使得孤子在光纤中能够稳定存在。孤子在光纤中能够稳定存在。一、光孤子通信原理一、光孤子通信原理v 光孤子的产生：光孤子的产生：v 当工作波长大于当工作波长大于1.3 m时，光纤呈现负的群速度色散，即脉时，光纤呈现负的群速度
46、色散，即脉冲中的高频分量传播速度快，低频分量传播速度慢。在强输冲中的高频分量传播速度快，低频分量传播速度慢。在强输入光场的作用下，光纤中会产生较强的非线性克尔效应，即入光场的作用下，光纤中会产生较强的非线性克尔效应，即光纤的折射率与光场强度成正比，进而使得脉冲相位正比于光纤的折射率与光场强度成正比，进而使得脉冲相位正比于光场强度，称为光场强度，称为自相位调制自相位调制(Self-Phase Modulation,SPM)，脉脉冲后沿比中前沿运动得快，引起脉冲压缩效应。冲后沿比中前沿运动得快，引起脉冲压缩效应。光孤子的形光孤子的形成机理是光纤中群速度色散和自相位调制效应在反常色散区成机理是光纤中
47、群速度色散和自相位调制效应在反常色散区的精确平衡。的精确平衡。v 当这种压缩效应与色散单独作用引起的脉冲展宽效应平衡时，当这种压缩效应与色散单独作用引起的脉冲展宽效应平衡时，即产生了束缚光脉冲，即光孤子，它可以传播得很远而不改即产生了束缚光脉冲，即光孤子，它可以传播得很远而不改变形状与速度，如图变形状与速度，如图6 6所示。所示。一、光孤子通信原理一、光孤子通信原理图图6 6 光纤中基态孤子随传播距离的演化光纤中基态孤子随传播距离的演化一、光孤子通信原理一、光孤子通信原理v 孤立波是孤立波是一种形态的波，它仅有一个波峰，波长为无限一种形态的波，它仅有一个波峰，波长为无限长，在很长的传输距离内可
48、以保持波形不变。长，在很长的传输距离内可以保持波形不变。v 人们从孤立波现象得到启发，引出了孤子的概念，而以人们从孤立波现象得到启发，引出了孤子的概念，而以光纤为传输媒介，将信息调制到孤子上进行通信的系统光纤为传输媒介，将信息调制到孤子上进行通信的系统则称为则称为光孤子传输系统光孤子传输系统。v 18951895年，年，Korteweg 和和Vries 提出了著名的提出了著名的KDV 方程，从方程，从而建立了孤立子的数学模型。而建立了孤立子的数学模型。一、光孤子通信原理一、光孤子通信原理v 后来经过慢长的时间，直到后来经过慢长的时间，直到19731973年，美国威苏康星大学的年，美国威苏康星大
49、学的A.C.ScottA.C.Scott等人等人提出了孤立子的正式定义提出了孤立子的正式定义：孤立子是非：孤立子是非线性波动方程的一个孤子波解，它可以传播很长的距离而线性波动方程的一个孤子波解，它可以传播很长的距离而不变形，当它与其他同类孤立波相遇后，保持其幅度、形不变形，当它与其他同类孤立波相遇后，保持其幅度、形状和速度不变。状和速度不变。v 光孤子的概念还可进一步概括为：光孤子的概念还可进一步概括为：某一相干光脉冲在通过某一相干光脉冲在通过光纤时，脉冲前沿部分作用于光纤使之激活，而其后沿部光纤时，脉冲前沿部分作用于光纤使之激活，而其后沿部分则受到光纤的作用获得增益，前沿失去的能量和后沿获分
50、则受到光纤的作用获得增益，前沿失去的能量和后沿获得的能量相互抵消，其结果使得光脉冲传输时，没有任何得的能量相互抵消，其结果使得光脉冲传输时，没有任何形状上的变化，即形成了一个稳定的光孤子或光孤立子。形状上的变化，即形成了一个稳定的光孤子或光孤立子。二、光孤子通信系统的构成二、光孤子通信系统的构成v 1 1光孤子通信系统的基本构成光孤子通信系统的基本构成v 目前已提出的光孤子通信实验系统的构成方式种类较多，目前已提出的光孤子通信实验系统的构成方式种类较多，但其基本部件却大致相同，其基本组成结构如图但其基本部件却大致相同，其基本组成结构如图7 7所示。所示。图图7 7 光孤子通信实验系统的基本组成
