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1、相干光通信 1. 为什么要相干光通信？ 2. 相干检测原理与特性 3. 相干光通信调制方式 4. 相干光通信解调方案 5. 相干接收系统的关键技术 1. 为什么要相干光通信 1. 1 核心在于相干光检测-技术优势 与传统的强度调制-直接检测(IM/DD)相比，因为通过检 测本振和信号光的差来提高接收的灵敏度。 IM/DD-尺子；相干光检测-游标卡尺； 弱点：系统复杂，对器件要求高，使得较长时间未走向实 用 1.2 光通信骨干网发展-未来市场需要 网络需扩容，而WDM框架确定(0.8nm信道间距)； 提高传输速率增加带宽，将受滤波器等器件带宽的限制 采用四相位调制减小所占带宽降低接收灵敏度，采用
2、相 干接收提高灵敏度来补偿DQPSK 2.相干检测原理与特性 除了信号光 （2-1） 以外，还有本振光 （2-2） 混合后的输出光功率： （2-3） 光发 射机 光混合 器 本振光 光电检 测 放大 相位(频率)控制 检波( 外差) 判决 信号输出 式（2-3）要求光混合器中信号光Es与本振光EL的偏振态一 致，否则应 改写为： 当两偏振方向的夹角增加时，信号将明显减弱。 强度检测 的时候对偏振一致性要求更高，相位、频率检 测信号在（s-L）中 ，不直接与 成正比，因此对 偏振的要求相对较 低。 同时LiNbO3为代表的外调制器容易实现 相位调制，这也 是相位调制的优势 以及被采用的原因。 光
3、混合器：为使信号光Es与本振光EL的偏振态一致，采用： 1. 偏振控制：控制本振光EL的偏振态，使之始终与信号光 保持一致； 2. 偏振分集：将信号光和偏振光都分成x, y偏振方向的两部 分（矢量投影）并有两不同的光路传输 ，解调后再将信号 合成。 光电检测 的信号功率与 光强度（电场 的平房）成正比，而光混合器中是两电场 的 叠加。所以，多出了与相位相关的量（在中频或信号频率 ）。 2. 1 零差相干光检测 ，光电流为 （2-4） ，而信息处于 中，滤掉几乎是直流成分的第一项 可得出信号 （2-5） 直接检测的光通信系统： ，零差相干检测电流提高了 倍，电功率（电流的平方）提高了 倍。 优点
4、：a. 接收功率提高灵敏度提高 b. 可检测相位信息 2.2 外差相干光检测 如果 ，光电流为 （2-6） 滤掉直流成分的第一项可得出信号 （2-7） 由于信号电流的交变特性，使 在一个周期内的平均 信号功率降低了一半SNR较零差检测低3dB。 但外差检测的接收机相对简单（无须OPLL或相位分集） ，同时采用异步解调方案，对光源线宽的要求不是很苛 刻， 为早期相干光通信系统研究所普遍采用。 2.3 信噪比（SNR） 相干光接收机中的噪声也是由散粒噪声和热噪声组成 （2-8） 其中 （2-9） Id暗电流，I 为相干检测出的电流(2-6)，可近似为 (因为 )，信噪比（对零差，调幅） （2-10
5、） 外差接收机的噪声与零差相同，信号功率小一半，SNR也 就小一半 2.3 信噪比（2） 暗电流远小于信号电流，散粒噪声近似与本振功率成正 比；热噪声与本振电流无关。提高 可提高SNR 如果 ，则 忽略暗电流，由（2-10）可得散粒噪声情况的信噪比 （2-11） 用每比特接收的平均光子数Np表示信噪比SNR， ，取 ，则 （2-12） 实际系统f 要大一些，SNR还要小一些。 2.4 误码率（BER） 误码率包含“1”判断为“0”和“0”判断为“1”的概率和 （2-13 ） 以I1和I0分别表示“1”和“0”码的电流；1、0 表示“1”和“0”码 的方差；ID为判决电流，则根据高斯的误差函数分
6、布可知 误码的概率可分别表示为 (2-14a) （2-14b ） 其中误差函数 误码率（2） 由（2-13）误码率可进一步写成 （2-15 ） 工程实际中，当 ，即判决电流 时，BER达到最小，可近似表示为 （2-16 ） 3. 相干光通信调制方式 3.1 幅移键控(ASK)调制： 信号光电场为 （3-1） 只调制幅度，频率、相位保持不变。 由于直接调制的相同中通常包含频率或相位的变化，因此 采用外调制器实现。 检测出的电信号功率提高了 倍（零差） 3.2 频移键控(FSK)调制： 信号电场为 （3-2 ） 只调制频率，幅度、相位保持不变。由两种不同的信 号频率状态实现：“0”、“1”码的调制
7、 实现FSK调制的方式： （1）外调制器（LiNbO3电光、声光）：通过改变相位 改变频率，相对较复杂； （2）直接调制：直接 调制半导体激光器谐振腔的折射 率实现频率调制，但伴随着调幅，信号处理复杂。 3. 3 相移键控(PSK)调制： 信号光电场为 （3-3） 只调制相位，频率、幅度保持不变。 实现PSK调制的方式： LiNbO3电光外调制器：通过改变电光晶体的折射率改变光 的相位 检测后的信号SNR，BER都是几种调制方式中最好的 4. 相干光通信解调方案 4.1 外差同步解调： 信号光（2-6）经带通滤波器(BPF)后 （4-1） 乘以中频 后经低通滤波器可输出基带信号 （4-2） 其
8、中，ic 为同相高斯随机噪声 光混合 器 本振光 光电检 测 带通滤 波器 相位(频率)控制 低通滤 波器 信号输出 信号光 载波 恢复 外差同步接收灵敏度： ASK： ，再由前面（2-12）,（2-16 ） （4-3 ） FSK: 由于接收功率是ASK的两倍，噪声相同，SNR 是 ASK 的两 倍 （4-4 ） PSK: ， （4-5 ） 4.2 外差异步解调： 信号光经带通滤波器后 经过带通滤波器(BPF)后，采用 包络检波 ， 再由低通滤波器(LPF)得到基带信号输出 （4-6） 其中，ic 为同相高斯随机噪声； is为散粒噪声 。接收机噪声的同 相和异相正交分量都影响信号，使该解调方案
9、灵敏度略低（约 低0.5dB），但接收系统相对简单，对光源的线宽要求低。更容 易实现。 光混合 器 本振光 光电检 测 带通滤 波器 相位(频率)控制 低通滤 波器 信号输出 信号光 包络 检波 外差异步接收灵敏度： ASK： 误码率为 （4-7 ） 略低于同步ASK FSK: （4-8 ） DPSK: （4-9 ） 4.3 零差同步解调： 让本振光始终跟踪信号光的相位 通常采用PSK，接收机影响因素：接收机与本振光的相位误 差；光电检测器的噪声；信号与锁相支路之间的串扰。采 用光锁相环（OPLL）使接收机的光相位跟踪信号光。对PSK （4-10 ） 光混合 器 本振光 光电检 测 基带均 衡
10、 信号输出 信号光 光电检 测 环路滤 波 相位检 测 锁 相 支 路 4.4 零差异步解调： 利用相位分集实现。 两相接收机中的两路信号相位相差90度，在某一相位条件下 ，当一路信号最弱时，另一路最强。这种方式对调相的信号 （PSK）的解调称为DPSK （4-11 ） 光混合 器 本振光 光电检 测 信号输出 信号光 光电检 测 鉴频器 信号处 理 信号处 理 PD 5. 相干光接收系统的关键技术 （1）频率稳定度频谱纯度 对于外差解调：中频约10-510-4倍光载频，频率稳定度要求10-7 频谱纯度通常要求在GHz以下。目前，带稳频的 DFB-LD都可 以达到 对于零差解调：比外差解调要求
11、更高，但现在信号速率较高，所 占带宽与外差的中频类似甚至更高，该问题就不是最主要的了 。 （2）匹配技术 包括：混频技术中的频率匹配（同步PSK中的OPPL，异步 DPSK中的相位分集技术）；偏振方向匹配（偏振分集、偏振 控制）；频率跟踪及后处理技术 目前实用系统的开发采用四阶相位调制零差双路异步解调方式（ DQPSK），针对40Gbit/s和100Gbit/s的速率。 光孤子通信 光脉冲展宽是光纤通信（时分复用）系统中影响传输距离的主 要因素，它源于光纤的色散。 自相位调制是，光纤中传输的光脉冲功率大到一定程度，使之 电场强到作用于光纤后影响光纤的折射率（降低）。折射率降 低使得脉冲宽度减小。 当自相位调制现象和色散引起的脉冲展宽抵消时，就会出现稳 定的脉冲形状-光孤子。
