浅论相干光通信

浅论相干光通信一、研究背景尽管波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的应用已经极大的提高了光通信系统的带宽和传输距离，伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。

光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。

尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用ASK调制格式，其单路信道带宽很有限。

因此这种传统光通信技术势必会被更先进的技术所代替。

然而在通信泡沫破灭的今天，新的光通信技术的应用不可避免的会带来对新型通信设备的需求，面对居高不下的光器件价格，大规模通信设备更换所需要的高额成本，是运营商所不能接受的，因此对设备制造商而言，光纤通信新技术的研发也面临着很大的风险。

如何在现有的设备基础上提高光通信系统的性能成为了切实的问题。

在这样的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技术，再一次被放到了桌面上。

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80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，新的征兆开始出现，标志着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，而他们都能通过相关光通信技术得到很大改善。

二、相干光通信系统的组成及基本原理强度调制-直接检波系统，虽然可以通过高码速来实现大容量传输，而且具有调制、解调较容易的优点，但是，从理论上来讲，这种调制系统所采用的光源不是理论上单一频率的相干光源，而有相当的频宽、对这种由一个频带组成的光源进行强度调制（调整个信号的光强），显然，已调信号就具有相当宽的带宽（当然，相对于光纤本身的传输带宽来讲，仍然是个窄频带）。

另外，在强度调制中，仅仅利用了光的振幅参量，相当于早期无线电通信中采用火花发射机那样，是一种噪声通信系统。

它的传输容量和中断距离都受到限制。

相干光通信系统则采用单一频率的相干光做光源（载波），沿用无线电技术中早已实现的相干通信方式，再配合幅移键控（ASK）,频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等调制方式，实现一种新型的光纤通信方式----这就是理论上具有先进性的外差光纤通信系统。

相干光通信系统的基本结构如图1所示。

图中的光载波经调制器受数字信号调制后形成已调信号光波。

调制方式有很多种，将光信号通过调幅、调频或调相的方式被调制（设调制频率为ωs）到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率为ωL本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得了中频频率为ωIF=ωs-ωL的输出电信号，因为ωIF≠0，故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率ωIF=0（即ωs=ωL）时，则称之为零差检测，此时在接收端可以直接产生基带信号。

图1相干光通信系统的构成由于相干光检测方法对被接收信号，以及本地振荡器信号的偏振状态都很敏感，需要利用保偏光纤或普通单模光纤加偏振控制器。

在外差或零差接收机中都要用到自动频率控制电路，以保证本地振荡器频率的发射频率相对于信号光具有确定的关系。

根据平面波的传播理论，可以写出接收光信号Es （t ）和本振光信号E （t ）的复数电场分布表达式为式中，Es-----接收光信号的电场幅度值；E L ----本振光信号电场幅度值Φs-----接收光信号的相位调制信息ΦL ----本振光的相位的调制信息当Es （t ）和E L （t ）彼此相互平行，均匀地入射到光电监测器表面上时，由于总入射光强I 正比于[Es （t ）+E L （t ）]，即)cos(2)(L S IF L S L S t P P R P P R I Φ-Φ+++=ω （1）式中，R 为光电监测器的相应度，P S 、P L 分别为接收光信号和本振光信号。

一般情况下P L >>P S ,,这样式（1）可以简化成)cos(2L S IF L S L t P P R RP I Φ-Φ++≈ω （2）从上式中可以看出，其中第一项为与传输信息无关的直流项，因而经外差检测后的输出信号电流为（2）中的第二项，很明显其中含发射端传送信息：)cos(2)(L S IF L S out P P R t i Φ-Φ+=ω （3）对零差检测，ωIF =0输出信号电流为)cos(2)(L S L s out P P R t i Φ-Φ= （4）从式（3）和式（4）可以清楚地看到：1) 即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与L P 成正比，仍能够通过增大PL 而获得足够大的输出电流，这样，本振光相干检测中还起到了光放大的作用，从而提高了信号的接收灵敏度。

2) 由于在相干检测中，要求ωS -ωL 随时保持常数（ωIF 或0），因而要求系统中所使用的光源具备非常高的频率稳定性、非常窄的光谱宽度以及一定的频率调谐范围。

3) 无论外差检测还是零差检测，其检测根据都来源于接收光信号与本振光信号之间的干涉，因而在系统中，必须保持它们之间的相位锁定，或者说具有一致的偏振方向。

按上面的分析，相干光纤通信系统的基本框图如图2所示，由图可以清楚地看出，该系统由光发射机、光纤和光接收机组成。

光接收机光发送机图2 相干光纤通信系统基本框图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。

三、 相干光通信中的关键技术1. 光源技术1)频率稳定技术在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。

如，对于零差检测相干光通信系统来说，若激光器的频率(或波长)随工作条件的不同而发生漂移，就很难保证本振光与接收光信号之间的频率相对稳定性。

外差相干光通信系统也是如此。

一般外差中频选择在0.2～2GHz之间，当光载波的波长为1.5μm时，其频率为200THz，中频为载频的10-6～10-5倍。

光载波与本振光的频率只要产生微小的变化，都将对中频产生很大的影响。

因此，只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性，才能保证相干光通信系统的正常工作。

激光器的频率稳定技术主要有三种：a)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；b)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；c)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。

2)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：a)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；b)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。

3)非线性串扰技术由于在相干光通信中，常采用密集频分复用技术。

因此，光纤中的非线性效应可能使相干光通信中的某一信道的信号强度和相位受到其他信道信号的影响，而形成非线性串扰。

光纤中对相干光通信可能产生影响的非线性效应包括受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、非线性折射和四波混合。

由于SRS的拉曼增益谱很宽(～10THz)，因此当信道能量超过一定值时，多信道复用相干光通信系统中必然出现高低频率信道之间的能量转移，而形成信道间的串扰，从而使接收噪声增大，接收机灵敏度下降。

SBS的阈值为几mW，增益谱很窄，若信道功率小于一定值时，并且对信号载频设计的好，可以很容易地避免SBS引起的串扰。

但SBS对信道功率却构成了限制。

光纤中的非线性折射通过自相位调制效应而引起相位噪声，在信号功率大于10mW或采用光放大器进行长距离传输的相干光通信系统中要考虑这种效应。

当信道间隔和光纤的色散足够小时，四波混频的相位条件可能得到满足，FWM 成为系统非线性串扰的一个重要因素。

FWM是通过信道能量的减小和使信道受到干扰而构成对系统性能的限制。

当信道功率低到一定值时，可避免FWM引起对系统的影响。

由于受到上述这些非线性因素的限制，采用密集频分复用的相干光通信系统的信道发射功率通常只有零点几毫瓦。

2.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。