第八章相干光通信系统
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在相干光通信系统传输的信号可以是模拟信号，也可以是数 字信号。无论何种信号，其工作原理均可以用图8-1来加以说明。
图8-1相干光通信系统原理框图
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
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 。
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图8-3光相干检测原理图
8.2.1 本地振荡器
在接收端，借用无线电通信文献中的术语，把产生本地光波的 窄线宽激光器称作本地振荡器（LO，Local Oscillator），为了说 明接收到的光信号与本地光混合后如何提高接收机的性能，让我们 首先考虑接收光信号的光场
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
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
Es (t) Es exp[ j( S t S )]
EL (t) EL exp[ jΒιβλιοθήκη BaiduLt L )]
（8.1.1） （8.1.2）
L
式中， Es-----接收光信号的电场幅度值； EL----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
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
当Es（t）和EL（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）+ EL（t）]，即
I R(PS PL ) 2R PS PL cos( IF t S L )
(8.1.3)
式中，R为光电监测器的相应度，PS 、PL分别为接收光信号和本振
光信号。
一般情况下PL>>PS, ,这样式（8.1.3）可以简化成
I RPL 2R PS PL cos( IF t S L )
(8.1.4)
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（8.1.4）中的第二项，很明
显其中含发射端传送信息：
iout (t) 2R PS PL cos( IF S L )
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。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
相干光通信系统原理如图8-1所示。与强度调制-直接检测系统 相比，其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的本级振 荡器（简称本振）和光混频器。
（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。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
图9-2 相干光通信系统结构图
（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。
8.5 系统性能 8.5.1异步解调外差系统 8.5.2外差同步解调系统 8.5.3零差系统 8.5.4野外试验 8.5.5 影响灵敏度下降的因素
8.6 关键技术
引言
迄今为止，所有实用化的光纤系统都是采用非相干的强度 调制-直接检测（IM/DD）方式，这类系统成熟、简单，成本低， 性能优良，已经在电信网中获得广泛的应用，并仍将继续扮演 主要的角色。然而，这种IM/DD方式没有利用光载波的相位和 频率信息，无法像传统的无线通信那样实现外差检测，从而限 制了其性能的进一步改进和提高。
第八章 相干光纤通信系统
8.1 相干光通信技术的基本原理 8.1.1 基本概念 8.1.2 相干光通信基本原理
8.2 相干检测 8.2.1 本地振荡器 8.2.2 零差检测 8.2.3 外差检测 8.2.4 信噪比（SNR）
8.3 光接收机 8.3.2 调制的实现
8.4 光纤接收机 8.4.1 外差接收机 8.4.2零差接收
(8.1.5)
对零差检测，ωIF=0 输出信号电流为
iout (t) 2R Ps PL cos( S L )
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(8.1.6)
8.1 相干光通信技术的基 本原理
从式（8.1.5）和式（8.1.6）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 PL 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。
随着光通信技术的发展，人们很自然地想到无线电技术中 的外差接受方式。因此，出现了采用外差接受方式的通信系统 即外差光通信系统，又称相干光通信系统。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
8.1.1 基本概念
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。
按上面的分析，相干光纤通信系统的基本框图如图8-2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。
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8.2 相干检测
相干光通信系统与强度调制-直接检测系统相比， 其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的 本级振荡器（简称本振）和光混频器。
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8.2.1 本地振荡器
相干光波系统是信号光在接收端射到光电探测器之前用另 外一个光波与它相干地混频，如图8-3所示.。
图8-1相干光通信系统原理框图
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
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 。
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图8-3光相干检测原理图
8.2.1 本地振荡器
在接收端，借用无线电通信文献中的术语，把产生本地光波的 窄线宽激光器称作本地振荡器（LO，Local Oscillator），为了说 明接收到的光信号与本地光混合后如何提高接收机的性能，让我们 首先考虑接收光信号的光场
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
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
Es (t) Es exp[ j( S t S )]
EL (t) EL exp[ jΒιβλιοθήκη BaiduLt L )]
（8.1.1） （8.1.2）
L
式中， Es-----接收光信号的电场幅度值； EL----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
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
当Es（t）和EL（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）+ EL（t）]，即
I R(PS PL ) 2R PS PL cos( IF t S L )
(8.1.3)
式中，R为光电监测器的相应度，PS 、PL分别为接收光信号和本振
光信号。
一般情况下PL>>PS, ,这样式（8.1.3）可以简化成
I RPL 2R PS PL cos( IF t S L )
(8.1.4)
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（8.1.4）中的第二项，很明
显其中含发射端传送信息：
iout (t) 2R PS PL cos( IF S L )
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。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
相干光通信系统原理如图8-1所示。与强度调制-直接检测系统 相比，其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的本级振 荡器（简称本振）和光混频器。
（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。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
图9-2 相干光通信系统结构图
（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。
8.5 系统性能 8.5.1异步解调外差系统 8.5.2外差同步解调系统 8.5.3零差系统 8.5.4野外试验 8.5.5 影响灵敏度下降的因素
8.6 关键技术
引言
迄今为止，所有实用化的光纤系统都是采用非相干的强度 调制-直接检测（IM/DD）方式，这类系统成熟、简单，成本低， 性能优良，已经在电信网中获得广泛的应用，并仍将继续扮演 主要的角色。然而，这种IM/DD方式没有利用光载波的相位和 频率信息，无法像传统的无线通信那样实现外差检测，从而限 制了其性能的进一步改进和提高。
第八章 相干光纤通信系统
8.1 相干光通信技术的基本原理 8.1.1 基本概念 8.1.2 相干光通信基本原理
8.2 相干检测 8.2.1 本地振荡器 8.2.2 零差检测 8.2.3 外差检测 8.2.4 信噪比（SNR）
8.3 光接收机 8.3.2 调制的实现
8.4 光纤接收机 8.4.1 外差接收机 8.4.2零差接收
(8.1.5)
对零差检测，ωIF=0 输出信号电流为
iout (t) 2R Ps PL cos( S L )
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(8.1.6)
8.1 相干光通信技术的基 本原理
从式（8.1.5）和式（8.1.6）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 PL 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。
随着光通信技术的发展，人们很自然地想到无线电技术中 的外差接受方式。因此，出现了采用外差接受方式的通信系统 即外差光通信系统，又称相干光通信系统。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
8.1.1 基本概念
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。
按上面的分析，相干光纤通信系统的基本框图如图8-2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。
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8.2 相干检测
相干光通信系统与强度调制-直接检测系统相比， 其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的 本级振荡器（简称本振）和光混频器。
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8.2.1 本地振荡器
相干光波系统是信号光在接收端射到光电探测器之前用另 外一个光波与它相干地混频，如图8-3所示.。