相干光通信系統(tǒng)解析課件

1、第七章 相干光通信系統(tǒng)自從光纖通信系統(tǒng)問世至今，幾乎所有的系統(tǒng)都采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢波(IM-DD)的方式。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制、解調(diào)容易，成本低。但由于沒有利用光的相干性，所以從本質(zhì)上講，這還是一種噪聲載波通信系統(tǒng)。為了進(jìn)一步擴(kuò)大通信距離，提高傳輸容量，人們開始考慮無線電通信中使用的外差接收方式是否可以用于光纖通信，因?yàn)楣獠ㄒ彩且环N電磁波，所以從理論上說，答案是肯定的，即利用先進(jìn)的調(diào)制方式(幅移鍵控ASK，頻移鍵控FSK，相移鍵控PSK)和外差接收構(gòu)成一種新型系統(tǒng)相干光通信系統(tǒng)。補(bǔ)充：1. ASK 幅移鍵控幅移鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，則

2、為二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)，又稱通斷鍵控信號(hào)(OOK信號(hào))2ASK信號(hào)能夠采用非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測(cè)法)。2ASK時(shí)間波形2ASK信號(hào)調(diào)制原理2ASK信號(hào)解調(diào)原理2ASK信號(hào)解調(diào)波形2. FSK頻移鍵控若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化，則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)（2FSK）。二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的疊加。2FSK信號(hào)能夠采用非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測(cè)法)。2FSK時(shí)間波形2FSK調(diào)制原理2FSK解調(diào)原理2FSK解調(diào)波形3. PSK相移鍵控正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化，則產(chǎn)生二

3、進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號(hào)。2PSK信號(hào)的解調(diào)通常都是采用相干解調(diào)。 2PSK時(shí)間波形2PSK調(diào)制原理2PSK解調(diào)原理2PSK解調(diào)波形7.1 相干檢測(cè)基本原理相干光通信的基本工作原理如下：在發(fā)送端，采用外光調(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)光匹配器送入光纖中傳輸。當(dāng)信號(hào)光傳輸?shù)竭_(dá)接收端時(shí)，首先與一本振光信號(hào)進(jìn)行相干混合，然后由探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。其中，發(fā)射端的光匹配器是保證從光調(diào)制器輸出的已調(diào)光波的空間復(fù)數(shù)幅度分布和單模光纖中的基模HE11之間有盡可能好的匹配，以及己調(diào)光波的偏振狀態(tài)和單模光纖中的本征偏振狀態(tài)相匹配。接收端的光匹配器是為了達(dá)到光混頻器最大可能的混頻效率而使

4、接收的光復(fù)數(shù)振幅和偏振與本振光波相匹配。光隔離器的作用是避免反射光反饋回信號(hào)光源或本振光源而引起光源頻譜發(fā)生展寬，甚至是多縱模工作。相干光通信根據(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。前者經(jīng)光電檢波器獲得的是中頻信號(hào)，中頻信號(hào)還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。7.1 相干檢測(cè)基本原理根據(jù)中頻信號(hào)的解調(diào)方式不同，外差檢測(cè)又分為同步解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)。外差包絡(luò)解調(diào)是在包絡(luò)檢測(cè)器后接一個(gè)低通濾波器而直接檢測(cè)出基帶信號(hào)。外差檢測(cè)相干光通信不要求本振光與信號(hào)光之間的相位鎖定和光頻率嚴(yán)格匹配。外差同步解調(diào)的光信號(hào)經(jīng)光電檢波器后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，而不用二次

5、解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定。7.1 相干檢測(cè)基本原理下面簡(jiǎn)單分析相干檢測(cè)的過程。設(shè)信號(hào)光載波角頻率為S，本振光角頻率為L(zhǎng)，則信號(hào)光與本振光光場(chǎng)分別表示為式中，下標(biāo)S和L分別表示與信號(hào)和本振有關(guān)的量。S(t)包含頻率調(diào)制或相位調(diào)制信號(hào)。7.1 相干檢測(cè)基本原理對(duì)正弦調(diào)制，S(t)=sinmt，為調(diào)制指數(shù)。對(duì)ASK調(diào)制信號(hào)，S(t)為常數(shù)，信號(hào)幅度取0或1；對(duì)于FSK調(diào)制，S(t)取2t7.1 相干檢測(cè)基本原理在外差檢測(cè)中，L=S+IF，IF為中頻頻率(一般為幾十到幾千MHz)；在零差檢測(cè)中，IF=0，即L=S。7.1 相干檢測(cè)基本原理設(shè)ES(t

6、)和EL(t)方向互相平行，且均在探測(cè)器表面內(nèi)，則檢測(cè)的光電流正比于入射光強(qiáng)(總電場(chǎng)平方)。入射光強(qiáng)為7.1 相干檢測(cè)基本原理上式中有三項(xiàng)的頻率在2S左右，通常超出光電二極管的響應(yīng)范圍，因此沒有檢波輸出。這樣，上式簡(jiǎn)化為7.1 相干檢測(cè)基本原理注意到，該式第一項(xiàng)為信號(hào)光強(qiáng)度，其余兩項(xiàng)都是本振光出現(xiàn)后的強(qiáng)度。第三項(xiàng)表示信號(hào)光與本振光之間的差拍效應(yīng)，其振幅與信號(hào)光場(chǎng)成正比，差拍的相位與信號(hào)的相位變化成線性關(guān)系。因此，接收信號(hào)中的振幅和相位都存在在差拍場(chǎng)的強(qiáng)度中。通常，本振光比信號(hào)光強(qiáng)得多，上式可簡(jiǎn)化為7.1 相干檢測(cè)基本原理由于入射光功率正比于光電場(chǎng)的平方，因此光檢測(cè)器輸出的電流為式中，R0為檢測(cè)

7、器的響應(yīng)度，PS和PL分別為信號(hào)及本振光功率。上式的第一項(xiàng)構(gòu)成不隨時(shí)間變化的直流項(xiàng)7.1 相干檢測(cè)基本原理對(duì)于外差檢測(cè)，信號(hào)電流為對(duì)于零差檢測(cè)，信號(hào)電流為7.1 相干檢測(cè)基本原理在接收機(jī)中，只有信號(hào)電流被放大。從以上兩式可以看出，采用相干檢測(cè)時(shí)，信號(hào)光電流正比于sqrtPL，因此盡管信號(hào)光功率可能很小，但只要本振光功率，仍能獲得足夠大的光信號(hào)電流，從而提高檢測(cè)靈敏度。所以，本振起著信號(hào)放大器的作用，可使接收機(jī)達(dá)到散彈噪聲極限的工作狀態(tài)。但也不是無限增加本振功率就可以無限提高接收靈敏度?？紤]到本振的強(qiáng)度噪聲，有一個(gè)最佳光功率。7.1 相干檢測(cè)基本原理同時(shí)注意到式中的相位角，本振相位和信號(hào)相位是直

8、接相加的，因此，本振相位的任何變化都將干擾信號(hào)相位中包含的信息，這就是說，本振光的相位穩(wěn)定是很重要的。7.1 相干檢測(cè)基本原理7.2 相干光通信系統(tǒng)的組成相干光通信系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)組成 1光發(fā)射機(jī)由光頻振蕩器發(fā)出相干性很好的光載波通過調(diào)制器調(diào)制后，變成受數(shù)字信號(hào)控制的已調(diào)光波，并經(jīng)光匹配器后輸出，這里的光匹配器有兩個(gè)作用：一是使從調(diào)制器輸出已調(diào)光波的空間復(fù)數(shù)振幅分布和單模光纖的基模之間有最好的匹配；二是保證已調(diào)光波的偏振態(tài)和單模光纖的本征偏振態(tài)相匹配。7.2 相干光通信系統(tǒng)的組成2單模光纖 單模光纖的作用是將已調(diào)光波從發(fā)射端傳送到接收端，傳輸模式為HE11模。在整個(gè)傳輸過程中，光

9、波的幅度被衰減、相位被延遲，偏振方向也可能發(fā)生變化。7.2 相干光通信系統(tǒng)的組成3光接收機(jī)接收到的光波首先進(jìn)入匹配器，它的作用與發(fā)射機(jī)的匹配器相同，也是使接收光波的空間分布和偏振狀態(tài)與本振激光器輸出的本振光波相匹配。光混頻器是將本振光波(頻率為f1)和接收光波(頻率為fs)相混合，并由后面的光電檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，然后由中頻放大器檢出其差頻信號(hào)(頻率為fs-f1)進(jìn)行放大。7.2 相干光通信系統(tǒng)的組成經(jīng)過理論計(jì)算，在完全匹配的情況下，所輸出的中頻信號(hào)電流幅度可用下式表達(dá)：式中，A為常系數(shù)；R為光電檢測(cè)器的響應(yīng)度；Ps為接收光信號(hào)的平均光功率；P1為本振光信號(hào)的平均光功率。7.2 相干光通信系統(tǒng)的組

10、成(1)由于本振光沒有經(jīng)過傳輸，所以，P1Ps，即通過混頻后，中頻信號(hào)產(chǎn)生了增益，稱之為本振增益。正是由于本振增益的存在，可以使接收機(jī)的靈敏度大大提高，約為10-25dB。7.2 相干光通信系統(tǒng)的組成(2)若在接收端改變本振光波的頻率1，因?yàn)楹竺嬷蓄l放大器只允許固定的中頻信號(hào)通過，而fs-f1=中頻，所以，隨著f1的改變，fs也相應(yīng)地改變，即可從光纖輸出的多種信息中選擇出所需要的信號(hào)。中頻放大器輸出的信號(hào)通過解調(diào)器，即根據(jù)發(fā)射機(jī)的調(diào)制形式進(jìn)行解凋，就可以獲得原始的數(shù)字信號(hào)。7.2 相干光通信系統(tǒng)的組成7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調(diào)

11、性等特點(diǎn)。與IM-DD系統(tǒng)相比，它具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。1靈敏度高，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，從而使接收機(jī)的靈敏度大大提高，以至于可以達(dá)到探測(cè)器的點(diǎn)噪聲極限，并因此也增加了光信號(hào)的傳輸距離。7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)在直接檢測(cè)接收機(jī)中，APD的倍增噪聲和負(fù)載電阻噪聲是限制靈敏度的主要因素。而在相干檢測(cè)接收機(jī)中，決定信噪比的主要噪聲源是本振光電流的散彈噪聲式中 f為中放帶寬，7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于外差檢測(cè)，信號(hào)電流均方值為那么信噪比

12、為7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)設(shè)信號(hào)帶寬為B，中放帶寬為信號(hào)帶寬的2倍，即f=2B，則散彈噪聲限制下的外差檢測(cè)信噪比為7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于理想的零差接收機(jī)，其帶寬降為B，則它的信噪比為7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)如果用每個(gè)比特接收的光子數(shù)N來表示，則有對(duì)于各種相干檢測(cè)，每比特平均要求的光子數(shù)從10-80不等，PSK零差接收機(jī)有最高的極限靈敏度(每比特10個(gè)光子)。對(duì)于直接檢測(cè)接收機(jī)，雖然其極限靈敏度也是每比特10個(gè)光子，但實(shí)際上至少要700-1000個(gè)光子。從而相干檢測(cè)接收機(jī)的靈敏度至少比直接檢測(cè)高20dB以上。7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)2選擇性好，通信容量大相干光通信的

13、另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高接收機(jī)的選擇性，從而可充分利用光纖的低損耗光譜區(qū)(1.25-1.6m)，提高光纖通信系統(tǒng)的信息容量。如利用相干光通信可實(shí)現(xiàn)信道間隔小于1-10 GHz的密集頻分復(fù)用，充分利用了光纖的傳輸帶寬，可實(shí)現(xiàn)超高容量的信息傳輸。7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)3可以使用電子學(xué)的均衡技術(shù)來補(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)相反降低光纖色散對(duì)系統(tǒng)的影響。7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)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，除了可以對(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、

14、FSK、PSK、DPSK、 CPFSK等，具有多種調(diào)制方式。7.3 相干光通信的優(yōu)點(diǎn)7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)1外光調(diào)制技術(shù)由于半導(dǎo)體激光器光載波的某一參數(shù)直接調(diào)制時(shí)，總會(huì)附帶對(duì)其他參數(shù)的寄生振蕩，如ASK直接調(diào)制伴隨著相位的變化，而且調(diào)制深度也會(huì)受到限制。另外，還會(huì)遇到頻率特性不平坦及張弛振蕩等問題。因此在相干光通信系統(tǒng)中，除FSK可以來用直接注入電流進(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

15、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。目前，對(duì)外光調(diào)制器的研究比較廣泛，如利用擴(kuò)散LiNbO3馬赫干涉儀或定向耦合式的調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制，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。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)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(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，才真正對(duì)混頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)電流有貢獻(xiàn)。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)若失配角度

16、超過60o，則接收機(jī)的靈敏度幾乎得不到任何改善，從而失去相干接收的優(yōu)越性。因此，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。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)目前，主要有兩種方法：保偏光纖偏振分集技術(shù)7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)1）. 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(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)，但“保偏光纖”與單模光纖相比，其損耗比較大，價(jià)格比較昂貴。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)2）. 使用普通的單模光纖，在接收端采用偏振分集技術(shù)。信號(hào)光與本振光混合后，首先分成兩路作為平衡接收，對(duì)每一路信號(hào)又采用偏振分束鏡分

17、成正交偏振的兩路信號(hào)分別檢測(cè)，然后進(jìn)行平方求和，最后對(duì)兩路平衡接收信號(hào)進(jìn)行判決，選擇較好的一路作為輸出信號(hào)。此時(shí)的輸出信號(hào)已與接收信號(hào)的偏振態(tài)無關(guān)，從而消除了信號(hào)在傳輸過程中偏振態(tài)的隨機(jī)變化。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)3頻率穩(wěn)定技術(shù)在相干光通信中，激光器的頻率穩(wěn)定性是相當(dāng)重要的。如對(duì)于零差檢測(cè)相干光通信系統(tǒng)來說，若激光器的頻率(或波長(zhǎng))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0.2-2GHz之間，當(dāng)光載波的波長(zhǎng)為1.5m時(shí)，其頻率為200THz，中領(lǐng)為載頻的10-6-10-5。光載波與本振光的頻率只要產(chǎn)生微小

18、的變化，都將對(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。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)激光器的頻率穩(wěn)定技術(shù)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，加在1.5m波長(zhǎng)上用氨、氪等氣體分子實(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。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)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)體激光器量于調(diào)幅和調(diào)頻噪聲對(duì)

19、接收機(jī)靈敏度的影響，而且其線寬越窄，由相位漂移而產(chǎn)生的相位噪聲越小。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下兩種實(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(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Q值壓縮譜線寬度。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)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)，因此光纖中的非線性效應(yīng)可能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導(dǎo)的影響而形成非線性串?dāng)_。7.4 相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)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