相干光通信技術(shù)(共4頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上相干光通信技術(shù)徐飛 【摘要】：隨著各種新型通信技術(shù)的發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的信息爆炸式增長(zhǎng)，科學(xué)研究工作者們提出了相干光通信這一解決辦法。本文簡(jiǎn)要介紹了相干光通信的基本原理、相干光通信相對(duì)其他通信方式的優(yōu)點(diǎn)和它所涉及的主要技術(shù)，以及在超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用等問(wèn)題?！娟P(guān)鍵詞】：相干調(diào)制、外差檢波、穩(wěn)頻、超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖引言：在光纖通信領(lǐng)域，更大的帶寬、更長(zhǎng)的傳輸距離、更高的接受靈敏度，是科學(xué)研究者們永遠(yuǎn)的追求。雖然波分復(fù)用（WDM）技術(shù)和摻鉺光纖放大器（）的應(yīng)用已經(jīng)使光纖通信系統(tǒng)的帶寬和傳輸距離得到了極大地提升但隨著視頻會(huì)議等一系列新的通信技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)普及帶

2、來(lái)的信息爆炸式增長(zhǎng)，相干光通信技術(shù)的研究與應(yīng)用顯得越發(fā)的重要。1.相干光通信的基本原理：在相干光通信中主要利用了相干調(diào)制和外差檢測(cè)技術(shù),所謂相干調(diào)制,就是利用要傳輸?shù)男盘?hào)來(lái)改變光載波的頻率、相位和振幅,這就需要光信號(hào)有確定的頻率和相位,即應(yīng)是相干光。激光就是一種相干光。所謂外差檢測(cè),就是利用一束本機(jī)振蕩產(chǎn)生的激光與輸人的信號(hào)光在光混頻器中進(jìn)行混頻,得到與信號(hào)光的頻率、相位和振幅按相同規(guī)律變化的中頻信號(hào)1。在光發(fā)射端用外光調(diào)制方式將信號(hào)以調(diào)幅、調(diào)相或調(diào)頻的方式調(diào)制到光載波上，再經(jīng)過(guò)光匹配器送入光纖中進(jìn)行傳輸，當(dāng)信號(hào)光傳輸?shù)焦饨邮斩藭r(shí)，先用一束本振光信號(hào)與之進(jìn)行相干混合，然后用探測(cè)器檢測(cè)。相干光通

3、信根據(jù)本振光信號(hào)頻率與接收到的信號(hào)光頻率是否相等，可分為外差檢測(cè)相干光通信和零差檢測(cè)相干光通信。外差檢測(cè)相干光通信經(jīng)光電檢波器獲得的是中頻信號(hào)，還需要進(jìn)行二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。外差檢測(cè)相干光通信又可根據(jù)中頻信號(hào)的解調(diào)方式分為同步解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)。零差檢測(cè)相干光通信的光信號(hào)經(jīng)光電檢波器后被直接轉(zhuǎn)換成系帶信號(hào)，不需要進(jìn)行二次解調(diào)，但本振光頻率與信號(hào)光頻率要求嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定。2.相干光通信的優(yōu)點(diǎn)：相干光通信技術(shù)充分利用了它的混頻增益、信道選擇性及可調(diào)性出色以及充分利用光纖通信的帶寬等特點(diǎn)，逐步適應(yīng)當(dāng)前通信的巨大需求，與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)。2.1靈

4、敏度高，中繼距離長(zhǎng)相干光通信的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是相干探測(cè)能改善接收機(jī)的靈敏度。在相干光通信系統(tǒng)中，經(jīng)相干混合后的輸出光電流的大小與信號(hào)光功率和本振光功率的乘積成正比；由于本振光功率遠(yuǎn)大于信號(hào)光功率，所以接收機(jī)的靈敏度得到很大提高，因此也大大增加了光信號(hào)的傳輸距離。2.2選擇性好，通信容量大相干光通信還可以提高接收機(jī)的選擇性，從而充分利用光纖的低損耗光譜區(qū)(1.251.6m)，提高光纖通信系統(tǒng)的信息容量。充分利用光纖的傳輸帶寬，可實(shí)現(xiàn)超高容量的信息傳輸。2.3可以使用電子學(xué)的均衡技術(shù)來(lái)補(bǔ)償光纖中光脈沖的色散效應(yīng)如將外差檢測(cè)相干光通信中的中頻濾波器的傳輸函數(shù)正好與光纖的傳輸函數(shù)相反，就可以降低光纖

5、色散對(duì)系統(tǒng)的影響。從而提高通信質(zhì)量2.4具有多種調(diào)制方式在直接檢測(cè)系統(tǒng)中，只能使用強(qiáng)度調(diào)制方式對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。而在相干光通信中，不僅可以對(duì)光波進(jìn)行幅度調(diào)制外，還可以進(jìn)行頻率調(diào)制或相位調(diào)制，如ASK、FSK、PSK、DPSK、CPFSK等。3 .相干光通信需要的主要技術(shù)： 3.1外光調(diào)制技術(shù) 由于在半導(dǎo)體激光器光載波的某一參數(shù)直接調(diào)制時(shí)，會(huì)附帶對(duì)其他參數(shù)的寄生振蕩，如直接調(diào)制ASK（幅移鍵控）會(huì)使相位產(chǎn)生變化，而且調(diào)制深度也會(huì)受到限制。還會(huì)遇到頻率特性不平坦及張遲振蕩等問(wèn)題。因此，在相干光通信系統(tǒng)中，除FSK（頻移鍵控）采用直接注入電流進(jìn)行頻率調(diào)制外，其他都是采用外光調(diào)制方式。 外光調(diào)制是根據(jù)某

6、些電光或聲光晶體的光波傳輸特性隨電壓或聲壓等外界因素的變化而變化的物理現(xiàn)象而提出的。外光調(diào)制器主要包括三種：利用電光效應(yīng)制成的電光調(diào)制器、利用聲光效應(yīng)制成的聲光調(diào)制器和利用磁光效應(yīng)制成的磁光調(diào)制器。采用以上外調(diào)制器，可以完成對(duì)光載波的振幅、頻率和相位的調(diào)制2。目前對(duì)外光調(diào)制器的研究非常廣泛，如利用量子阱半導(dǎo)體相位外調(diào)制器或LiNbO3相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)PSK調(diào)制等。3.2偏振保持技術(shù)在相干光通信中，相干探測(cè)要求信號(hào)光束與本振光束的偏振方向相同，即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(huì)使相干探測(cè)靈敏度下降。因?yàn)樵谶@種情況下，只有信號(hào)光波電矢量在本振光波電矢量方向上的投影，

7、才真正對(duì)混頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)電流有貢獻(xiàn)。為了充分發(fā)揮相干接收的優(yōu)越性，在相干光通信中應(yīng)采取光波偏振穩(wěn)定措施。目前主要有兩種方法：一是采用“保偏光纖”，使光波在傳輸過(guò)程中保持光波的偏振態(tài)不變，而普通的單模光纖會(huì)由于光纖的機(jī)械振動(dòng)或溫度變化等因素使光波的偏振態(tài)發(fā)生變化。二是使用普通的單模光纖，在接收端采用偏振分集技術(shù)。從接收頻率選擇性改善來(lái)看，由于在相干光通信系統(tǒng)中，經(jīng)混頻輸出的中頻含有光載波和本振光波之間的波前相位和頻率變化及偏振的信息，信號(hào)對(duì)光載波和本振光波之間的波前相位和頻率的變化及偏振失匹都很敏感，于是要求信號(hào)光源和本振光源發(fā)出的光波頻率非常穩(wěn)定(優(yōu)于1MHz)，相干性非常好。這就要采用能發(fā)

8、出頻率非常穩(wěn)定的單頻激光管，它可使鄰近波長(zhǎng)靠得很近，這樣便可在一根光纖上同時(shí)傳送多路光信號(hào)。如果目前每根光纖為一個(gè)1GHz的通道,那么采用外差檢測(cè)之后,理論上每根光纖能容納104一105個(gè)GHz的通道，亦即每根光纖的通信容量可提高45個(gè)數(shù)量級(jí)。3.3頻率穩(wěn)定技術(shù)在相干光通信中,激光器的頻率穩(wěn)定性是非常重要的。比如對(duì)于零差檢測(cè)相干光通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若激光器的頻率隨工作條件的不同而發(fā)生漂移，就很難保證本振光與接收光信號(hào)之間的頻率相對(duì)穩(wěn)定性。外差相干光通信系統(tǒng)也是如此。一般外差中頻選擇在0.2一2GHz之間，當(dāng)光載波的波長(zhǎng)為1.5m時(shí)，其頻率為200THz，中頻為載頻的10-6一10-5。光載波與本振

9、光的頻率任何微小的變化都會(huì)對(duì)中頻產(chǎn)生很大的影響。因此,只有保證光載波振蕩器和光本振振蕩器的高頻率穩(wěn)定性，才能保證相干光通信系統(tǒng)的正常工作。激光器的頻率穩(wěn)定技術(shù)主要有三種:(l)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1.5m波長(zhǎng)上,已經(jīng)利用氨、氫等氣體分子實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體激光器的頻率穩(wěn)定，(2)利用光生伏特效應(yīng)、鎖相環(huán)技術(shù)、主激光器調(diào)頻邊帶的方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻;(3)利用半導(dǎo)體激光器工作溫度的自動(dòng)控制、注入電流的自動(dòng)控制等方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻3。3.4頻譜壓縮技術(shù)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(dǎo)體激光器量子調(diào)幅和調(diào)頻噪聲對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響,而且,其線

10、寬越窄,由相位漂移而產(chǎn)生的相位噪聲越小。為了滿足相干光通信對(duì)光源譜寬的要求,通常采取譜寬壓縮技術(shù)。主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法:(1)注入鎖模法,即利用一個(gè)以單模工作的頻率穩(wěn)定、譜線很窄的主激光器的光功率,注人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(guò)一個(gè)外部反射鏡和光柵等色散元件反射回腔內(nèi)，并用外腔的選模特性獲得動(dòng)態(tài)單模運(yùn)用以及依靠外腔的高口值壓縮譜線寬度4。3.5非線性串?dāng)_控制技術(shù)由于在相干光通信中,常采用密集頻分復(fù)用技術(shù)。所以光纖中的非線性效應(yīng)會(huì)使相干光通信中的某一信道的信號(hào)強(qiáng)度和相位受到其他信道信號(hào)的影

11、響,而形成非線性串?dāng)_。光纖中對(duì)相干光通信可能產(chǎn)生影響的非線性效應(yīng)包括受激拉曼、散射(SRS)、受激布里淵散射(SBS)和四波混合等。由于SRS的拉曼增益譜很寬，所以信道能量過(guò)大時(shí)，多信道復(fù)用相干光通信系統(tǒng)中必然出現(xiàn)高低頻率信道之間的能量轉(zhuǎn)移，而形成信道間的串?dāng)_使接收噪聲增大，接收機(jī)靈敏度下降。SBS的閡值為幾mW，增益譜很窄，若信道功率小于一定值時(shí)，并且對(duì)信號(hào)載頻設(shè)計(jì)的好，可以很容易地避免SBS引起的串?dāng)_。但SBS卻在很大程度上限制了信道功率。當(dāng)信道間隔和光纖的色散足夠小時(shí)，四波混頻的相位條件可能得到滿足，JWM成為系統(tǒng)非線性串?dāng)_的一個(gè)重要因素。FWM是通過(guò)信道能量的減小和使信道受到干擾而構(gòu)成

12、對(duì)系統(tǒng)性能的限制。當(dāng)信道功率低到一定值時(shí),可避免FWM引起對(duì)系統(tǒng)的影響。由于受到上述這些非線性因素的限制，采用密集頻分復(fù)用的相干光通信系統(tǒng)的信道發(fā)射功率通常只有零點(diǎn)幾毫瓦5。除了以上關(guān)鍵技術(shù)外，還可以在接收端還可采用相位分集接收技術(shù)以消除相位噪聲；為了減小本振光的相對(duì)強(qiáng)度噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，可以采用雙路平衡接收技術(shù)；零差檢測(cè)中為保證本振光與信號(hào)光同步而采用的光鎖相環(huán)技術(shù)，以及用于本振頻率穩(wěn)定的AFC等。4相干光通信技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用相干光通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究始于八十年代初期，經(jīng)過(guò)眾多研究學(xué)者的艱苦的努力，相干光通信已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。英、美、日等國(guó)相繼進(jìn)行了一系列的相干光纖通信實(shí)驗(yàn)。AT&T及Be

13、ll公司于1989和1990年在賓州的羅靈一克里克地面站與森伯里樞紐站間先后進(jìn)行了1.3m和1.55m波長(zhǎng)的1.7Gb/s FSK現(xiàn)場(chǎng)無(wú)中繼相干傳輸實(shí)驗(yàn)，相距35公里。光發(fā)射機(jī)組件采用二電級(jí)DFBLD并裝有60dB光隔離器，驅(qū)動(dòng)器加以均衡，使調(diào)制帶寬達(dá)8GHz。光接收機(jī)采用偏振分集接收。PIN/HEMT前放為調(diào)諧式，2一8GH多內(nèi)平坦響應(yīng)，接收靈敏度達(dá)41.5dB/m。相干光通信技術(shù)在超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。因?yàn)樵诔L(zhǎng)波段,由瑞利散射決定的光纖固有損耗將進(jìn)一步大幅度降低,故從理論上講,在超長(zhǎng)波段可實(shí)現(xiàn)光纖跨洋無(wú)中繼通信。而在超長(zhǎng)波段，直接探測(cè)接收機(jī)的性能很差，于是相干探測(cè)方式自然

14、而然地成為唯一的選擇了。超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)是以超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖作為傳輸介質(zhì)，利用相干光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信。在該系統(tǒng)中超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖是至關(guān)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(wàn)分之一。因此，超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖可以實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)公里傳輸，而不要中繼站。它可以大幅度降低通信成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)海底通信和沙漠地區(qū)更具有特別重要的意義。除以上應(yīng)用外，由于相干光通信的出色的信道選擇性和靈敏度，在頻分復(fù)用CATV分配網(wǎng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)束語(yǔ)相干光通信以在通信方面出色的表現(xiàn)，在光纖通信中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中繼續(xù)向著高速度長(zhǎng)距離的方向發(fā)展，特別是在海底通信市場(chǎng)上有著巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力。而且,利用相干檢測(cè)的調(diào)諧選擇性，將提供光纖網(wǎng)絡(luò)更多的的功能和靈活性，并大大提高了光纖帶寬的利用率，降低通信成本，在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中都有著廣泛的應(yīng)用前景。相干光通信技術(shù)