Transcript 相干光-必修-李焕祥
光纤通信 主讲人：李焕祥 第七章 相干光通信技术 7.1发展过程 7.2工作原理 7.3主要优点 7.4关键技术 7.5广泛应用 7.6研究现状 7.1 发展过程 目前已经投入使用的光纤通信系统，都 是采用光强调制——直接检测（IM-DD）方 式。这种方式的优点是调制和解调简单，容 易实现，因而成本较低。但是这种方式没有 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。 为了追求更大的带宽、更长的传输距离、 更高的接收灵敏度，降低居高不下的光器件 的价格，三十多年前曾被寄予厚望的相干光 通信技术，再次被放到了桌面。 相干光通信的理论和实验始于80年代。由 于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高的优 势，各国在相干光传输技术上做了大量研究工 作。经过十年的研究，相干光通信进入实用阶 段。英美日等国相继进行了一系列相干光通信 实验。 直到20世纪90年代末，EDFA和WDM技术的发 展，使得相干光通信技术的发展缓慢下来。在 这段时期，灵敏度和每个通道的信息容量已经 不再备受关注。 然而，直接检测的WDM系统经过二十年的 发展和广泛应用后已经无法满足现在的通信要 求，所以，相干光传输技术的应用将再次受到 重视。 在数字通信方面，扩大C波段放大器的容量， 克服光纤色散效应的恶化，以及增加自由空间 传输的容量和范围已成为重要的考虑因素。 在模拟通信方面，灵敏度和动态范围成为 系统的关键参数，而他们都能通过相干光通信 技术得到很大改善。 同时，在这短短的二十年中，在光器件方 面取得了很大的进步，其中激光器的输出功率， 线宽，稳定性和噪声，以及光电探测器的带宽， 功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善， 微波电子器件的性能也大幅提高。这些进步使 得相干光通信系统商用化变为可能 。 所谓相干光，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。实现相 干光通信，关键是要有频率稳定、相位和偏振 方向可以控制的窄线谱激光器。 相干光通信，像传统的无线电通信一样， 在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制； 在接收端，则采用零差检测或外差检测，这种 检测技术称为相干检测。和IM-DD方式相比，相 干检测可以把接收灵敏度提高20dB，相当于在 相同发射功率下，若光纤损耗为0.2dB/km,则传 输距离增加100km。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（OFDM）中,信道频率间隔可以达到 10GHz以下，因而大幅度增加了传输容量。 7.2 工作原理 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， 在光场发生干涉，然后由平衡接收机 进行探测。由光检测器实现光电转换， 输出的电信号经过处理（包括放大、 解调）后，以基带信号的形式输出。 图4.1（b）为相干检测原理方框图 相干光通信根据本振光频率与信号光 频率不等或相等，可分为外差检测和零差 检测。前者光信号经光电转换后获得的是 中频信号，还需二次解调才能被转换成基 带信号。后者光信号经光电转换后被直接 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严格匹配，并 且要求本振光与信号光的相位锁定。 7.2.1 零差检测和外差检测 图（1）干涉后的瞬时光功率变化 由图可知，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，都可以从中频功 率分量反映出来。 所以，相干光接收方式是适用于所有 调制方式的通信体制。 （1）零差检测 选择 L S ,即 IF 0 ,这种 情况称为零差检测。这时，滤去直流 分量，检测器产生的信号电流为 I t 2 PP S L COS ( S L t ) 式中， 为光检测器的响应度。通 常 PL PS ，同时考虑到本振光相位 锁定在信号光相位上，即 L S ， 这样便得到零差检测的光生信号电流为 I ( t ) 2 P P P COS (t ) S L 零差检测信号平均功率与直接检测信 号平均功率之比为 4 2 P P L S 2 P 2 S 4 P L P S 由于 PL PS ,零差检测接收信号功率 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。零差检测技术 非常复杂，因为相位变化非常灵敏， 必须控制相位，使 S L 保持不变， 同时要求 和S 相等。 L （2）外差检测 选择 ，即 ﹥0, L S IF S F 这种情况称为外差检测。通常选择 f IF 2 IF 在微波范围。这时，中频信号产生的电流 I AC (t ) 2 P P COS S L IF t S L t 与零差检测相似,外差检测接受 光功率放大了，从而提高了灵敏度。 外差检测信噪比的改善比零差检测 低3dB，但是接收机设计相对简单， 因为不一定需要相位锁定。 7.2.2调制与解调 相干检测技术的主要优点是可以对光载波 实施幅度、频率和相位调制。数字信号的三 种调制方式如下： （1）幅移键控（ASK）：基带数字信号只控 制光载波的幅度变化。 （2）相移键控(PSK)：基带信号只控制光载 波的相位变化。 （3）频移键控(FSK)：基带数字信号只控制 光载波的频率变化。 图7.40示出ASK、PSK、FSK调节方式的比较 ASK的光场表达式 E ( t ) S A (t )COS S t S s 式中，AS 和 S 、 S 分别为光场的幅度、 中心角频率和相移。 在ASK中，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，“0”码传输时，使 S =0 ， “1”码传输时，使 S =1（或者相 反） A A ASK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。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波导 制成的马赫-增德尔（MZ）干涉型调制 器，这种调制器在消光比大于20时， 调制带宽可达20GHz。 PSK的光场表达式 E S (t ) A COS t S S t 在PSK中，只对相位进行调制。传输 “0”码和传输“1”码时，分别用两个不同 相位（通常相差180度）表示。 如果传输“0”码时，光载波相位不变， 传输“1”码时，相位改变180度，这种情 况称为差分相移键控（DPSK）。对于二 进制数字信号调制，相位通常取0和 两 个值。电脉冲为“0”码时，光脉冲相位为 0，电脉冲为“1”码时，光脉冲相位为 。 PSK系统必须用相干检测，如果信 号光不与本振光混频而直接检测，所有 的信息都将丢失。和ASK使用的MZ干涉 型调制器相比，设计PSK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，就可以使相位改变180 度。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。 由于相干检测时存在零差检测和外 差检测两种检测方式，导致相干检测的 解调方式也存在两种：同步解调和异步 解调。 用零差检测时，光信号直接被调为 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，但是技术上 却很复杂。 用外差检测时，不要求本振光和信号光的 频率相同，也不要求相位锁定，可以采用同步 解调，也可以采用异步解调。对于PSK信号，必 须采用同步解调。 异步解调简化了接收机设计，技术上容易 实现，只要采用检测器（实现包络检波和频率 检波）即可。 图7.41和图7.42分别示出外差同步解调 和外差异步解调的接收机方框图。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。异步解调要求的信噪比（SNR）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 在相干光通信系统设计中起着主要作用。 7.2.3主要参数 1.信噪比 相干光通信系统光接收机的性能可以用 信噪比（SNR）定量描述。 2.误码率 误码率（BER）可以由信噪（SNR）比 确定。 3.灵敏度 7.3 主要优点 (1)灵敏度高，中继距离长 相干光通信的一个最主要的优点是相干检 测能改善接收机的灵敏度。在相同的条件下， 相干接收机比普通接收机提高灵敏度约20dB， 线路功率损耗可以增加到50dB,可以达到接近散 粒噪声极限的高性能，因此也增加了光信号的 无中继传输距离。 由于相干光系统通常受光纤 损耗限制，所以周期地使用光纤 放大器可以增加传输距离。实验 表明，当每隔80km加入一个掺 铒光纤放大器，25个EDFA可 以使2.5Gb/s系统的传输距离增 加到2200km以上，非常适合 干线网使用。 (2)选择性好，通信容量大 相干光通信的另一个主要优点 是可以提高接收机的选择性。在直 接探测中接收波段较大，为抑制噪 声的干扰，探测器前通常需要放置 窄带滤光片，但其频带仍然很宽。 在相干外差探测中，探测的是信号 光和本振光的混频光，因此只有在 中频频带内的噪声才可以进入系统， 而其它噪声均被带宽较窄的微波中 频放大器滤除。 可见，外差探测有良好的 滤波性能，这在星间光通信的 应用中会发挥重大作用。此外， 由于相干探测优良的波长选择 性，相干接收机可以使频分复 用系统的频率间隔大大缩小， 即密集波分复（DWDM），取代 传统光复用技术的大频率间隔， 具有以频分复用实现更高传输 速率的潜在优势。 (3)具有多种调制方式 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，除了可以对光 进行幅度调制外，还可以使用PSK、DPSK、QAM等多 种调制方式，利于灵活的工程应用，虽然这样增加 了系统的复杂性，但是相对于传统光接收机只响应 光功率的变化，相干探测可探测出光的振幅、频率、 位相、偏振态携带的所有信息，因此相干探测是一 种全息探测技术，这是传统光通信技术不具备的。 7.4 关键技术 （1） 外光调制技术 由于半导体激光器光载波的某一参数 直接调制时，总会附带对其他参数的寄生 振荡，如ASK直接调制伴随着相位的变化， 而且调制深度也会受到限制。另外，还会 遇到频率特性不平坦及张迟振荡等问题。 因此，在相干光通信系统中，除FSK 可以 采用直接注入电流进行频率调制外，其他 都是采用外光调制方式。 （2）匹配技术 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，才能获得高的混 频效率，这种匹配包括空间匹配、波前匹 配和偏振方向匹配。 （3）频率稳定技术 必须使用频率稳定的激光器作为发射 光源和接收机本振光源。 激光器的频率稳定技术主要有三种： (1)将激光器的频率稳定在某种原子 或分子的谐振频率上。在1.5μm波长上， 已经利用氨、氪等气体分子实现了对半 导体激光器的频率稳定。 (2) 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。 （3）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。 （4）频谱压缩技术 在相干光通信中，光源的频谱宽度也 是非常重要的。只有保证光波的窄线宽， 才能克服半导体激光器量子调幅和调频 噪声对接收机灵敏度的影响，而且，其 线宽越窄，由相位漂移而产生的相位噪 声越小。 为了满足相干光通信对光源谱宽的 要求，通常采取谱宽压缩技术。主要有 两种实现方法： (1) 注入锁模法，即利用一个以单 模工作的频率稳定、谱线很窄的主激光 器的光功率，注入到需要宽度压缩的从 激光器，从而使从激光器保持和主激光 器一致的谱线宽度、单模性及频率稳定 度； (2) 外腔反馈法。外腔反馈是将激 光器的输出通过一个外部反射镜和光栅 等色散元件反射回腔内，并用外腔的选 模特性获得动态单模运用以及依靠外腔 的高Q值压缩谱线宽度。 （5） 偏振保持技术 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同的偏振方向， 也就是说，两者的电矢量方向必须相同， 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。 7.5广泛应用 相干光通信得到迅速的发展，特别是对于 超长波长(2～10 μm)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 决定的光纤固有损耗将进一步大幅度降低(瑞利 散射损耗与1/λ 4成正比)，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，直接探测接收机的性能很差，于是相 干探测方式自然而然地成为唯一的选择了。 超长波长光纤通信系统是以超长波长光纤 作为传输介质，利用相干光通信技术实现超长 距离通信。在该系统中超长波长光纤是至关重 要的。它是一种更为理想的传输媒介，其主要 特性是损耗特低，只有石英材料的千万分之一。 因此，超长波长光纤可以实现数万公里传输， 而不要中继站。它可以大幅度降低通信成本， 提高系统的稳定性和可靠性，对海底通信和沙 漠地区更具有特别重要的意义。 随着光纤通信技术的发展，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的 重要方向之一。但是，超长波长光纤通信系统 还存在许多需要进一步解决的技术问题，如超 长波长光纤的材料提纯与拉制，采用相干光通 信技术所要求的超长波长光源及超长波长相干 光电检波器等。 除以上应用外，由于相干光通信的出色的 信道选择性和灵敏度，在频分复用CATV分配 网中也得到了广泛的应用。 7.6研究现状 相干光通信技术经过二十年的蛰伏期， 越来越受到国际学术界的关注。从2005年 到现在，每年都有大量关于相干光通信技 术的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，如正交频分 复用（OFDM）、偏振差分四相移相键控 （POLMUX-DQPSK），相干光通信关键技术 的研究，相干光通信中的高速数字信号处 理，以及相干光接收机集成化的研究等。 此类研究多集中于美国、日本、德国、 荷兰、英国等发达国家，中国也有相关研 究文章发表，但数量较少。相干光通信方 面的理论研究正在逐年升温，商品化研发 也在缓慢进行。 相信在不久的将来，传统光通信系统 过于简单的结构必定无法满足高速增长的 带宽需求，而相干光通信技术作为一个研 究相对成熟，潜在优势明显的选择，必定 会受到学术界和企业越来越多的关注。 本章结束 谢谢