第五1讲相干光通信技术课件

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1、第五讲 相干光通信技术,目前的光纤通信系统，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。 相干光通信，像传统的无线电和微波通信一样，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。,与IMD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20 dB，相当于在相同发射功率下，若光纤损耗为0.2 dB/km，则传输距离增加100 km。 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

2、，信道频率间隔可以达到10 GHz以下，因而大幅度增加了传输容量。 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。,7.5.1 相干检测原理 图中示出相干检测原理方框图，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，光场发生干涉。 由光检测器输出的光电流经处理后，以基带信号的形式输出。,图7.38 相干检测原理方框图,光检测器,电信号,处理,本地光,振荡器,混频器,图7.38 相干检测原理方框图,光检测器,电信号,处理,本地光,振荡器,混频器,单模光纤的传输模式是基模HE11模

3、，接收机接收的信号光其光场可以写成： ES=ASexp-i(St+S) (7.26) 式中, AS、S和S分别为信号光的幅度、频率和相位。,同样，本振光的光场可以写成 EL=ALexp-i(Lt+L) (7.27),式中, AL为本振光的幅度、L为本振光的频率L为本振光的相位。 保持信号光的偏振方向不变，控制本振光的偏振方向， 使之与信号光的偏振方向相同。,本振光的中心角频率L应满足 L=S-IF或L=S+IF (7.28),式中，IF是中频信号的频率。 这时的光功率P与光强|ES+L|2成比例：,P=K|ES+EL|2 (7.29) 式中， K为常数。,式中, PS=KA2S, PL=KA2

4、L, IF=S-L。 显然，式(7.30)右边最后一项是中频信号功率分量，它实际上是叠加在PS和PL之上的一种缓慢起伏的变化，如图7.39 所示。,由式(7.26)式(7.29)，根据模式理论和电磁理论计算的结果，输出光功率近似为： P(t)PS+PL+2 cosIFt+(S-L) (7.30),图7.39 干涉后的瞬时光功率变化,由此可见，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，都可以从接收端的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。 相干检测有零差检测和外差检测两种方式。,图7.39 干涉后的瞬时光功率变化,1.

5、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，中频信号产生的光电流为 I(t)= cos (S-L) (7.31),零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为： 4 2PS PL/ (2PS2) = 4PL/ PS。,通常PLPS，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信号光电流为： IP = (7.32),式中，为光检测器的响应度。,由于PLPS，零差检测接收光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

6、要求L和S相等。,与零差检测相似，外差检测接收光功率细节丰富了，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，因为不需要相位锁定。,2. 外差检测 选择LS，即IF=S-L0，这种情况称为外差检测。通常选择fIF(=IF/2)在微波范围(例如1GHz)。这时外差检测中频信号产生的光电流为：,7.5.2 调制和解调 如前所述，相干检测技术主要优点是：可以对光载波实施幅度、频率或相位调制。 对于模拟信号，有三种调制方式，即幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。 对于数字信号，也有三种调制方式，即幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(

7、PSK)。 图7.40 示出ASK、PSK和FSK调制方式的比较，下面分别介绍这三种调制方式。,图 7.40 ASK、 PSK和FSK调制方式比较。,1. 幅移键控(ASK) 基带数字信号只控制光载波的幅度变化，称为幅移键控(ASK)。ASK的光场表达式： ES(t)=AS(t)cosSt+S (7.34) 式中, AS为光场的幅度、S为光场的中心角频率和S为光场的相位。在ASK中，S保持不变，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AS=0，“1”码传输时，使AS=1。,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

8、，而相位保持不变。 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(Ti: LiNbO3)波导制成的马赫-曾德尔(MZ)干涉型调制器，如图3.37所示。 当消光比大于20时，该调制器的调制带宽可达20 GHz。,图 3.37 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器,2. 相移键控(PSK) 基带信号只控制光载波的相位变化，称为相移键控(PSK)。 PSK的光场表达式为： ES(t)=AScosSt+(t) (7.35) 在PSK中，AS保持不变，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)表示。 如果传输“0”时，光载波相位不变，传输

9、“1”码时，相位改变180，这种情况称为差分相移键控(DPSK)。 与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=。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。,3. 频移键控(FSK) 基带数字信号只控制光载波的频率，称为频移键控(FSK)。 FSK的光场表达式为： ES(t)=AScos(S )t+S (7.36） 在FSK中，AS保持不变，只对频率进行调制。传输“0”码和传输“1”码时，分别用频率f0(=0/2)和f1(=1/2)表示。 对于二进制数字信号，用(S- )和(S+

10、 )分别表示“0”码和“1”码。 2 f(=2 /2)称为码频间距。 在式(7.36)中，(S)t+S和St+(S t)是等效的， 因此FSK可以认为一种PSK， 只是技术上有所不同。,相干检测的解调方式有两种： 同步解调、异步解调。 零差检测时，光信号直接被解调为基带信号，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。 外差检测时，不要求本振光和信号光的频率相同，也不要求相位匹配，可以采用同步解调，也可以采用异步解调。同步解调要求恢复中频IF(微波频率)，因而要求一种电锁相环路。 异步解调简化

11、了接收机设计， 技术上容易实现。,图7.41 外差同步解调接收机方框图,光检,测器,带通,本振光,低通,载波,恢复,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，因而在相干通信系统设计中起着主要作用。,图7.42 外差异步解调接收机方框图,光检,测器,带通,本振光,低通,包络,检波,7.5.3 误码率和接收灵敏度 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。 系统总平均噪声功率(均方噪声电流)为

12、：,式中, 和 分别为散粒噪声功率和热噪声功率，e为电子电荷，Id为光检测器暗电流，B为等效噪声带宽，kT为热能量，RL为光检测器负载电阻，I为光电流，由式(7.31)或式(7.32)确定。,（7.37）,大多数相干光接收机的噪声由本振光功率PL引入的散粒噪声所支配，与信号光功率的大小无关。因此，式(7.38)中Id和i2T项可以略去，由此得到,外差检测的信噪比：,（7.38）,SNR= (7.39),零差检测的平均信号光功率是外差检测的2倍， 所以零差检测的信噪比为： SNR=4NP (7.42),光检测器的响应度=e/hf, 为光检测器量子效率， e和hf分别为电子电荷和光子能量；等效噪声

13、带宽B=fb/2，fb为传输速率；平均信号光功率PS可以用每比特时间内的光子数NP表示为：,Ps=NPhffb (7.40),把上述关系代入式(7.39)得到外差检测的信噪比： SNR=2NP (7.41),Ia= (Ip+ic) (7.43),(7.44),式中,Ip=2(PsPL)1/2为信号光电流，ic为高斯随机噪声电流。 设“0”码和“1”码时，IP分别取I0和I1，在理想情况下，误码率为：,2. 误码率 误码率(BER)可以由信噪比(SNR)确定。 以ASK零差检测为例，设判决信号为,式中, Q=(I1-I0)/( ), N0和N1分别为“0”码和“1” 码的等效噪声功率。设N0=N

14、1，I0=0，则得到：,(7.45),把式(7.45)和式(7.42)代入式(7.44)， 得到：,用类似方法可以得到各种调制和解调方式的相干接收机BER和极限灵敏度。,(7.46),在“0”码和“1”码概率相等条件下，对于ASK，NP= , 为长比特流情况下， 每比特平均光子数。,NP：每比特时间内的光子数。,3. 灵敏度 为确定接收灵敏度， 利用式(7.40)和式(7.45)得到,式中利用了=e/hf。 最小平均接收光功率：,(4.47),(7.48),例如光波长为1.55 m的ASK外差检测，设=1， B=1GHz。hf=hc/, h为普朗克常数，c为光速，为光波长。 当BER=10-9

15、时，Q6，由式(7.48)计算得到Psmin=10nW， 或Pr=-50 dBm。,在相干检测中，通常用每比特光子数NP表示灵敏度。在相同假设条件下，由式(7.48)得到： Psmin=72 hf,表7.2和图7.43示出不同调制方式相干检测接收机误码率和量子极限灵敏度。,由此得到每比特光子数NP=72或 =36。,图7.43 不同调制方式外差接收机量子极限误码率,由表7.2和图7.43知，理想直接检测光接收机在BER=10-9时，要求每比特10个光子( =10)， 该值几乎接近最好的相干接收机PSK 零差检测接收机的 P, 而比所有的其他相干接收机都好。,然而，实际上因为热噪声、 暗电流和其他许多因素的影响，绝不会达到这个数值，通常只能达到 1000。,然而在相干接收的情况下，表中的数值很容易实现，这是因为借助增加本振光功率，使散粒噪声占支配地位的结果。,图7.44 4 Gb/s外差光波系统实验原理图,图 7.44 是4 Gb/s外差光波系统实验原理图。,本地载波,7.5.4 相干光系统的优点和关键技术 相干光系统主要优点是： 灵敏度提高了1020 dB，线路功率损耗可以增加到50 dB。如果使用损耗为0.2 dB/km光纤，无中继传输距离可达250 km。