第八章相干光通信系统
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信号电流为 Idd(t)RsP (t) ，由此可见，零差检测平均电信号功
率比直接检测的信号功率增加 4PL PS 倍。既然，通常PS PL， 所以该值将增加几个数量级。虽然散粒噪声也增加了，但是零差检 测仍可提高信噪比（SNR）许多倍。
14
8.2.2
零
差
零差检测的缺点是它对相位的变化非常敏感。因为（8.1.3）式
12
8.2.1
图8-3中的光电探测器只响应强度。[Es（t）+ E（t）]。因为
光功率与光强成正比，接收光功率可由 P = K[Es（t）+ E（t）]
给出，式中K是比例常数。从（8.1.1）和（8.1.2）式，可以得到
本 地
I（t）表达式
I t P s P L 2 P S P L co I Fs s L
（8.1.1）
振
式中ωS 是载波频率，ES 是幅值 ，Φs 是相位。与接收光信号光
荡 器
场类似，本振光的光场是：
E L ( t) E L ex j(p L t [L )]
（8.1.2）
式中EL、ΦL和ωL分别是本振光的幅值、频率和相位。假定信号光和 本振光极化相同，均可以不考虑它们的相位。
倍（3dB）。引起3dB代价的原因是信号功率与交流电流的平方成正
比，以及（8.1.11），式中cos的出现。
但是，3dB代价带来的优点是接收机设计相对简单，因为不再需
要光相位锁定环路。虽然，ΦS、ΦLPL和的随机变化仍需要使用窄线
宽的信号和本振光半导体激光器，然而异步解调方式对线宽的要求
相当放松。这种特性使外差检测方式在实际相干光波系统中的实现
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
6
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
7
8.1
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 ( P S P L ) 2 R P S P L co It F s 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。
(8.1.7)
振
PS KES2 PL KEL2 IF0 L
(8.1.8)
荡
角频率 IF 与中频（IF，Intermediate Frequency）的关系式是
器
IFIF/2。当 0 LL时，要想恢复基带信号，首先，
必须把接收光信号载波频率转变为中频 IF （典型值为0.1-
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。
2
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
3
8.1
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。
检
中，最后一项ΦL包含本振光相位，很显然ΦL应被控制。理想情况下，
测
除强调相位， ΦL和ΦS应该保持常数。实际上， ΦL和ΦS随时间随机
摆动。不过，通过相位锁定环路，它们的差（ ΦS - ΦL ）几乎可以保
持恒定。然而，这种锁定环路的实现并不容易，所以使零差接收机的
设计相当复杂。此外，还要求信号光和本振光频率匹配，因此，对这
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。
8.2
相
干
相干光通信系统与强度调制-直接检测系统相比，
检 测
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。
10
8.2.1
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.。
给出。
SNR
17
8.2.4
SNR
平均信号功率除以平均噪声功率就可以得到SNR。外差检测时，
SNR由下式给出：
信 噪
S N ( I o 2 ) / uR 2 t 2 R 2 P s P L /2 q [ ( R L I d P ) f 2 ](8.1.15)
有零差检测时，假如（8.1.3）式中ΦS=ΦL，SNR则是（8.1.15） 式的两倍。相干检测的主要优点从式（8.1.15）可以看出。因为在接
（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。
8
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
9
8.1
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。
比
收机可以控制本振光频率PL，使它足够大，即
从而使接收机噪PL 声由散 粒2/噪(2声q所 R 支f配) ，即s2
(8.1.16)
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
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 。
两种光源提出苛刻的要求。使用下节讨论的外差检测可以解决这些问
题。
15
在外差检测情况下，选择本振光频ωL与信号载波光频ωS不同， 使其外差落在微波范围内。因为I=RP，所以（8.1.7）式可以表示成
8.2.3
检测电流的表达式。
外 差
I ( t) R ( P s P L ) 2 R P s P L co It F s s ( L ) (8.1.10)
一般情况下PL>>PS, ,这样式（8.1.3）可以简化成
I R L P 2 R P S P L co It F s ( 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：
变得容易。
16
8.2.4
相干检测技术用于光波系统的优点，可用接收机信噪比（SNR，
Signal-to-Noise Ratio）定量地描述。为了这个目的，我们首先直接
检测接收机。因为散粒噪声 和热噪声s2 使接收 机T2 光电流在起伏
信 噪
摆动。总噪声功率为
2 s2 T2
(8.1.12)
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。
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
4
8.1
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
比
式中
s22q(IId)f
(8.1.13)
T 2(4kBT/RL) f
(8.1.14)
Fra Baidu bibliotek
式中Id是暗电流，f 是接收机噪声等效带宽，k BT 是绝对温度T
时的热能量，R L 是负载电阻。（8.1.13）式中的I是探测器产生的
总电流，并由（8.1.3）式（零差检测）或（8.1.10）式（外差检测）
本 地 振 荡 器
11
图8-3光相干检测原理图
8.2.1
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
本 地
首先考虑接收光信号的光场
E s(t) E sex j(p S t [ S)]
(8.1.3)
零 差 检 测
式中I =RP，R是探测器灵敏度。通常，PL PS ，所以
PS PL PL
(8.1.3)
式中最后一项包含要传送的信息。考虑到本振光相位被锁定
在信号光相位上，因此ΦL=ΦS，此时，零差信号由下式给出
IPt2RP StP L
(8.1.4)
由此式可看出零差检测的优点。假如，我们注意到直接检测的
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。
8.1
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
5GHz），然后再把该中频转变成基带信号，这种相干检测称作
外差检测。当 0 L 时,可以把接收到的光信号直接转变成基带
信号，这种方式称作零差检测。下面对此分别加以讨论。
13
8.2.2
零差检测时，选择本振光光频ωL与信号光载波频率ω0相同，所
以ωF= 0，使用式（8.1.7），光电探测器产生的光电流是 I R ( P S P L ) 2 R P S P L co It F s S ( L )
5
8.1
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
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
E s(t) E sex j(p S t [ S)] E L ( t) E L ex j(p L t [L )]
（8.1.1） （8.1.2）
io( u t) t 2 RP S P Lco IF s (S L )
(8.1.5)
对零差检测，ωIF=0 输出信号电流为
iou (t)t 2 RP sP Lco Ss (L)
(8.1.6)
8.1
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
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。
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。
通常PL Ps ，所以第一项可认为是直流常数，很容易被滤除，此 时外差信号由下面的交流项给出
检 测
Io( u t) t2 R P s( t)P Lco It F s ( s L ) （8.1.11）
与零差检测类似，因为该式中本振光PL的出现，接收到的光信号
被放大了，从而提高了SNR。然而，SNR的改进要比零差检测低两
率比直接检测的信号功率增加 4PL PS 倍。既然，通常PS PL， 所以该值将增加几个数量级。虽然散粒噪声也增加了，但是零差检 测仍可提高信噪比（SNR）许多倍。
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8.2.2
零
差
零差检测的缺点是它对相位的变化非常敏感。因为（8.1.3）式
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8.2.1
图8-3中的光电探测器只响应强度。[Es（t）+ E（t）]。因为
光功率与光强成正比，接收光功率可由 P = K[Es（t）+ E（t）]
给出，式中K是比例常数。从（8.1.1）和（8.1.2）式，可以得到
本 地
I（t）表达式
I t P s P L 2 P S P L co I Fs s L
（8.1.1）
振
式中ωS 是载波频率，ES 是幅值 ，Φs 是相位。与接收光信号光
荡 器
场类似，本振光的光场是：
E L ( t) E L ex j(p L t [L )]
（8.1.2）
式中EL、ΦL和ωL分别是本振光的幅值、频率和相位。假定信号光和 本振光极化相同，均可以不考虑它们的相位。
倍（3dB）。引起3dB代价的原因是信号功率与交流电流的平方成正
比，以及（8.1.11），式中cos的出现。
但是，3dB代价带来的优点是接收机设计相对简单，因为不再需
要光相位锁定环路。虽然，ΦS、ΦLPL和的随机变化仍需要使用窄线
宽的信号和本振光半导体激光器，然而异步解调方式对线宽的要求
相当放松。这种特性使外差检测方式在实际相干光波系统中的实现
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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相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
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8.1
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 ( P S P L ) 2 R P S P L co It F s 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。
(8.1.7)
振
PS KES2 PL KEL2 IF0 L
(8.1.8)
荡
角频率 IF 与中频（IF，Intermediate Frequency）的关系式是
器
IFIF/2。当 0 LL时，要想恢复基带信号，首先，
必须把接收光信号载波频率转变为中频 IF （典型值为0.1-
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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相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
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8.1
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。
检
中，最后一项ΦL包含本振光相位，很显然ΦL应被控制。理想情况下，
测
除强调相位， ΦL和ΦS应该保持常数。实际上， ΦL和ΦS随时间随机
摆动。不过，通过相位锁定环路，它们的差（ ΦS - ΦL ）几乎可以保
持恒定。然而，这种锁定环路的实现并不容易，所以使零差接收机的
设计相当复杂。此外，还要求信号光和本振光频率匹配，因此，对这
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。
8.2
相
干
相干光通信系统与强度调制-直接检测系统相比，
检 测
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。
10
8.2.1
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.。
给出。
SNR
17
8.2.4
SNR
平均信号功率除以平均噪声功率就可以得到SNR。外差检测时，
SNR由下式给出：
信 噪
S N ( I o 2 ) / uR 2 t 2 R 2 P s P L /2 q [ ( R L I d P ) f 2 ](8.1.15)
有零差检测时，假如（8.1.3）式中ΦS=ΦL，SNR则是（8.1.15） 式的两倍。相干检测的主要优点从式（8.1.15）可以看出。因为在接
（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。
8
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
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8.1
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。
比
收机可以控制本振光频率PL，使它足够大，即
从而使接收机噪PL 声由散 粒2/噪(2声q所 R 支f配) ，即s2
(8.1.16)
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
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 。
两种光源提出苛刻的要求。使用下节讨论的外差检测可以解决这些问
题。
15
在外差检测情况下，选择本振光频ωL与信号载波光频ωS不同， 使其外差落在微波范围内。因为I=RP，所以（8.1.7）式可以表示成
8.2.3
检测电流的表达式。
外 差
I ( t) R ( P s P L ) 2 R P s P L co It F s s ( L ) (8.1.10)
一般情况下PL>>PS, ,这样式（8.1.3）可以简化成
I R L P 2 R P S P L co It F s ( 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：
变得容易。
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8.2.4
相干检测技术用于光波系统的优点，可用接收机信噪比（SNR，
Signal-to-Noise Ratio）定量地描述。为了这个目的，我们首先直接
检测接收机。因为散粒噪声 和热噪声s2 使接收 机T2 光电流在起伏
信 噪
摆动。总噪声功率为
2 s2 T2
(8.1.12)
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。
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
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
比
式中
s22q(IId)f
(8.1.13)
T 2(4kBT/RL) f
(8.1.14)
Fra Baidu bibliotek
式中Id是暗电流，f 是接收机噪声等效带宽，k BT 是绝对温度T
时的热能量，R L 是负载电阻。（8.1.13）式中的I是探测器产生的
总电流，并由（8.1.3）式（零差检测）或（8.1.10）式（外差检测）
本 地 振 荡 器
11
图8-3光相干检测原理图
8.2.1
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
本 地
首先考虑接收光信号的光场
E s(t) E sex j(p S t [ S)]
(8.1.3)
零 差 检 测
式中I =RP，R是探测器灵敏度。通常，PL PS ，所以
PS PL PL
(8.1.3)
式中最后一项包含要传送的信息。考虑到本振光相位被锁定
在信号光相位上，因此ΦL=ΦS，此时，零差信号由下式给出
IPt2RP StP L
(8.1.4)
由此式可看出零差检测的优点。假如，我们注意到直接检测的
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。
8.1
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
5GHz），然后再把该中频转变成基带信号，这种相干检测称作
外差检测。当 0 L 时,可以把接收到的光信号直接转变成基带
信号，这种方式称作零差检测。下面对此分别加以讨论。
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8.2.2
零差检测时，选择本振光光频ωL与信号光载波频率ω0相同，所
以ωF= 0，使用式（8.1.7），光电探测器产生的光电流是 I R ( P S P L ) 2 R P S P L co It F s S ( L )
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8.1
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
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
E s(t) E sex j(p S t [ S)] E L ( t) E L ex j(p L t [L )]
（8.1.1） （8.1.2）
io( u t) t 2 RP S P Lco IF s (S L )
(8.1.5)
对零差检测，ωIF=0 输出信号电流为
iou (t)t 2 RP sP Lco Ss (L)
(8.1.6)
8.1
相 干 本光 原通 理信 技 术 的 基
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。
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。
通常PL Ps ，所以第一项可认为是直流常数，很容易被滤除，此 时外差信号由下面的交流项给出
检 测
Io( u t) t2 R P s( t)P Lco It F s ( s L ) （8.1.11）
与零差检测类似，因为该式中本振光PL的出现，接收到的光信号
被放大了，从而提高了SNR。然而，SNR的改进要比零差检测低两