相干光通信技術(共4頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上相干光通信技術徐飛 【摘要】：隨著各種新型通信技術的發(fā)展以及互聯網帶來的信息爆炸式增長，科學研究工作者們提出了相干光通信這一解決辦法。本文簡要介紹了相干光通信的基本原理、相干光通信相對其他通信方式的優(yōu)點和它所涉及的主要技術，以及在超長波長光纖通信系統(tǒng)中的應用等問題?！娟P鍵詞】：相干調制、外差檢波、穩(wěn)頻、超長波長光纖引言：在光纖通信領域，更大的帶寬、更長的傳輸距離、更高的接受靈敏度，是科學研究者們永遠的追求。雖然波分復用（WDM）技術和摻鉺光纖放大器（）的應用已經使光纖通信系統(tǒng)的帶寬和傳輸距離得到了極大地提升但隨著視頻會議等一系列新的通信技術的不斷發(fā)展應用和互聯網普及帶

2、來的信息爆炸式增長，相干光通信技術的研究與應用顯得越發(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制和外差檢測技術,所謂相干調制,就是利用要傳輸的信號來改變光載波的頻率、相位和振幅,這就需要光信號有確定的頻率和相位,即應是相干光。激光就是一種相干光。所謂外差檢測,就是利用一束本機振蕩產生的激光與輸人的信號光在光混頻器中進行混頻,得到與信號光的頻率、相位和振幅按相同規(guī)律變化的中頻信號1。在光發(fā)射端用外光調制方式將信號以調幅、調相或調頻的方式調制到光載波上，再經過光匹配器送入光纖中進行傳輸，當信號光傳輸到光接收端時，先用一束本振光信號與之進行相干混合，然后用探測器檢測。相干光通

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

4、敏度高，中繼距離長相干光通信的一個最主要的優(yōu)點是相干探測能改善接收機的靈敏度。在相干光通信系統(tǒng)中，經相干混合后的輸出光電流的大小與信號光功率和本振光功率的乘積成正比；由于本振光功率遠大于信號光功率，所以接收機的靈敏度得到很大提高，因此也大大增加了光信號的傳輸距離。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，可實現超高容量的信息傳輸。2.3可以使用電子學的均衡技術來補償光纖中光脈沖的色散效應如將外差檢測相干光通信中的中頻濾波器的傳輸函數正好與光纖的傳輸函數相反，就可以降低光纖

5、色散對系統(tǒng)的影響。從而提高通信質量2.4具有多種調制方式在直接檢測系統(tǒng)中，只能使用強度調制方式對光波進行調制。而在相干光通信中，不僅可以對光波進行幅度調制外，還可以進行頻率調制或相位調制，如ASK、FSK、PSK、DPSK、CPFSK等。3 .相干光通信需要的主要技術： 3.1外光調制技術 由于在半導體激光器光載波的某一參數直接調制時，會附帶對其他參數的寄生振蕩，如直接調制ASK（幅移鍵控）會使相位產生變化，而且調制深度也會受到限制。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（頻移鍵控）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。 外光調制是根據某

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象而提出的。外光調制器主要包括三種：利用電光效應制成的電光調制器、利用聲光效應制成的聲光調制器和利用磁光效應制成的磁光調制器。采用以上外調制器，可以完成對光載波的振幅、頻率和相位的調制2。目前對外光調制器的研究非常廣泛，如利用量子阱半導體相位外調制器或LiNbO3相位調制器實現PSK調制等。3.2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。否則會使相干探測靈敏度下降。因為在這種情況下，只有信號光波電矢量在本振光波電矢量方向上的投影，

7、才真正對混頻產生的中頻信號電流有貢獻。為了充分發(fā)揮相干接收的優(yōu)越性，在相干光通信中應采取光波偏振穩(wěn)定措施。目前主要有兩種方法：一是采用“保偏光纖”，使光波在傳輸過程中保持光波的偏振態(tài)不變，而普通的單模光纖會由于光纖的機械振動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。從接收頻率選擇性改善來看，由于在相干光通信系統(tǒng)中，經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，信號對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，它可使鄰近波長靠得很近，這樣便可在一根光纖上同時傳送多路光信號。如果目前每根光纖為一個1GHz的通道,那么采用外差檢測之后,理論上每根光纖能容納104一105個GHz的通道，亦即每根光纖的通信容量可提高45個數量級。3.3頻率穩(wěn)定技術在相干光通信中,激光器的頻率穩(wěn)定性是非常重要的。比如對于零差檢測相干光通信系統(tǒng)來說，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之間的頻率相對穩(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，當光載波的波長為1.5m時，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對中頻產生很大的影響。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波長上,已經利用氨、氫等氣體分子實現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穩(wěn)頻3。3.4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

10、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。主要有兩種實現方法:(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口值壓縮譜線寬度4。3.5非線性串擾控制技術由于在相干光通信中,常采用密集頻分復用技術。所以光纖中的非線性效應會使相干光通信中的某一信道的信號強度和相位受到其他信道信號的影

11、響,而形成非線性串擾。光纖中對相干光通信可能產生影響的非線性效應包括受激拉曼、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，所以信道能量過大時，多信道復用相干光通信系統(tǒng)中必然出現高低頻率信道之間的能量轉移，而形成信道間的串擾使接收噪聲增大，接收機靈敏度下降。SBS的閡值為幾mW，增益譜很窄，若信道功率小于一定值時，并且對信號載頻設計的好，可以很容易地避免SBS引起的串擾。但SBS卻在很大程度上限制了信道功率。當信道間隔和光纖的色散足夠小時，四波混頻的相位條件可能得到滿足，JWM成為系統(tǒng)非線性串擾的一個重要因素。FWM是通過信道能量的減小和使信道受到干擾而構成

12、對系統(tǒng)性能的限制。當信道功率低到一定值時,可避免FWM引起對系統(tǒng)的影響。由于受到上述這些非線性因素的限制，采用密集頻分復用的相干光通信系統(tǒng)的信道發(fā)射功率通常只有零點幾毫瓦5。除了以上關鍵技術外，還可以在接收端還可采用相位分集接收技術以消除相位噪聲；為了減小本振光的相對強度噪聲對系統(tǒng)的影響，可以采用雙路平衡接收技術；零差檢測中為保證本振光與信號光同步而采用的光鎖相環(huán)技術，以及用于本振頻率穩(wěn)定的AFC等。4相干光通信技術的發(fā)展及應用相干光通信的理論和實驗研究始于八十年代初期，經過眾多研究學者的艱苦的努力，相干光通信已經進入了實用階段。英、美、日等國相繼進行了一系列的相干光纖通信實驗。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行了1.3m和1.55m波長的1.7Gb/s FSK現場無中繼相干傳輸實驗，相距35公里。光發(fā)射機組件采用二電級DFBLD并裝有60dB光隔離器，驅動器加以均衡，使調制帶寬達8GHz。光接收機采用偏振分集接收。PIN/HEMT前放為調諧式，2一8GH多內平坦響應，接收靈敏度達41.5dB/m。相干光通信技術在超長波長光纖通信系統(tǒng)中的應用最為廣泛。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,故從理論上講,在超長波段可實現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

14、而然地成為唯一的選擇了。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數萬公里傳輸，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，對海底通信和沙漠地區(qū)更具有特別重要的意義。除以上應用外，由于相干光通信的出色的信道選擇性和靈敏度，在頻分復用CATV分配網中也得到了廣泛的應用。結束語相干光通信以在通信方面出色的表現，在光纖通信中得到了廣泛的應用，不僅在點對點系統(tǒng)中繼續(xù)向著高速度長距離的方向發(fā)展，特別是在海底通信市場上有著巨大的優(yōu)勢和潛力。而且,利用相干檢測的調諧選擇性，將提供光纖網絡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，在局域網和廣域網中都有著廣泛的應用前景。相干光通信技術