相干光通信

相干光通信
一、相干光通信的基本工作原理
在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。

所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不像自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。

激光就是一种相干光。

所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。

在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。

当信号光传输到达
接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。

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。

相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信。

我们知道无线电技术中相干通信具有接收灵敏度高的优点，相干光通信技术同样具有这个特点，采用该技术的接收灵敏度可比直接检测技术高18dB。

早期，研究相干光通信时要求采用保偏光纤作传输介质，因为光信号在常规光纤线路中传输时其相位和偏振面会随机变化，要保持光信号的相位、偏振面不变
就需要采用保偏光纤。

但是后来发现，光信号在常规光纤中传输时，其相位和偏振面的变化是慢变化，可以通过接收机内用偏振控制器来纠正，因此仍然可以用常规光纤进行相干通信，这个发现使相干光通信的前景呈现光明。

相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源，该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下，进行光电混频。

混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与信号光波的差频信号。

由于该差频信号的变化规律与信号光波的变化规律相同，而不像直检波通信方式那样，检测电流只反映光波的强度，因而，可以实现幅度、频率、相位和偏振等各种调制方式。

根据本振光波的频率与信号光波的频率是否相等可以将相干光通信系统分为两类：当本振光频率和信号光频率之差为一非零定值时，该系统称为外差接收系统；当本振光波的频率和相位与信号光波的频率和相位相同时，称为零差接收系统。

但不管采用何种接收方式其根本点是外差检测。

二、相干光通信系统的优点
相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。

由以上介绍的相干光通信系统的基本原理分析且与IM/DD系统相比，得出相干光通信系统具有以下独特的优点：
（一）灵敏度高，中继距离长
相干光通信的一个最主要的优点是能进行相干探测，从而改善接收机的灵敏度。

在相干光通信系统中，经相干混合后输出光电流的大
小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。

（二）降低光纤色散对系统的影响
使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应。

将外差检测相干光通信中的中频滤波器的传输函数正好与光纤的传输函数相反，即可降低光纤色散对系统的影响。

（三）选择性好，通信容量大
相干光通信可充分利用光纤的低损耗光谱区（1.25～1.6nm），提高光纤通信系统的信息容量。

如利用相干光通信可实现信道间隔小于1～10GHz的密集频分复用，充分利用了光纤的传输带宽，可实现超高容量的信息传输。

（四）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等多种调制格式，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。

三、相干光通信系统中的主要关键技术
（一）光源技术
相干光纤通信系统中对信号光源和本振光源的要求比较高，它要求光谱线窄、频率稳定度高。

光源本身的诺线宽度将决定系统所能达到的最低误码率，应尽量减小，同时半导体激光器的频率对工作温度与注入电流的变化非常敏感，其变化量一般在几十GHz／℃和
GHz／mA左右，因此，为使频率稳定，除注入电流和温度稳定外，还应采取其他主动稳频措施，使光频保持稳定。

（二）接收技术
相干光通信的接收技术包括两部分，一部分是光的接收技术，另一部分是中频之后的各种制式的解调技术。

解调技术实际上是电子的ASI、FSK和PSK等的解调技术。

光的接收技术主要分以下三种：
1．平衡接收法。

在FSK制式中，由于半导体激光器在调制过程中，难免带有额外的幅度调制噪声，利用平衡接收方法可以减少调幅噪声。

平衡法的主要思想是当光信号从光纤进入后，本振光经偏振控制以保证与信号的偏振状态相适应，本振光和信号光同时经过方向精合器分两路，分别输入两个相同的PIN光电检测器，使得两个光电检测器输出的是等幅度而反相的包络信号，再将这两个信号合成后，使得调频信号增加一倍，而寄生的调幅噪声相互抵消，直流成分也抵消，达到消除调幅噪声影响的要求。

2．相位分集接收法。

除了调幅噪声外，如果本振光相位和信号光相位有相对起伏，就将产生相位噪声，严重影响接收效果。

针对这种影响，可以采用相位分集法克服相位噪声。

三相相位分集法主要是将信号和本振光分成三路，本振光的三路信号相位分别为0、120°、240°，因此，尽管信号与本振光之间有相对相位的随机起伏，将三路信号合成后，仍能保持恒定，可以减免相位噪声的影响，同时这种技术可以用于零差接收系统而不采用光锁相。

3．偏振控制技术。

前面已经指出：相干光通信系统接收端必须要求信号光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混频效果，提
高接收质量。

信号光经过单模光纤长距离传输后，偏振态是随机起伏的，为了克服这个问题，可采用保偏光纤、偏振控制器和偏振分集接收等方法。

光在普通光纤中传输时，相位和偏振面会随机变化，保偏光纤就是通过工艺和材料的选择使得光相位和偏振保持不变的特种光纤，但是这种光纤损耗大，价格也非常昂贵；偏振控制器主要是使信号光和本振光同偏，这种方法响应速度比较慢，环路控制的要求也比较高；偏振分集接收主要是利用信号光和本振光混频后，由偏振分束元件将混合光分成两个相互垂直的偏振分量，本振光两个垂直偏振分量由偏振控制器控制，使两个分量功率相等，这样当信号光中偏振随机起伏也许造成其中一个分支中频信号衰落，但另一个分支的中频信号仍然存在，所以该系统最后得到的解调信号几乎和信号光的偏振无关，该技术响应速度比较快，比较实用，但实现比较复杂。

四、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，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。

五、总结
相干光通信以其独特的优点，在光纤通信中得到了广泛的应用，不仅在点对点系统中继续向着更高速更长距离的方向发展，特别是在海底通信上有着巨大的市场潜力。

除了新型高效激光器，新型相干检测技术也是系统发展的关键，采用新型检测技术降低光源对系统整体性能的影响，自适应光学、偏振分集等新型接收方法的引入，提高了系统响应速度，更进一步完善其应用。

参考文献
[1]穆道生．现代光纤通信系统．科学出版社．
[2]于洋．相干光通信及其应用．科学技术社会．
[3]雷肇棣．光纤通信基础．电子科技大学出版社．
[4]郑大鹏．光纤通信原理．人民邮电出版社．
[5]杨同友．光纤通信技术．人民邮电出版社．。