光纤通信结课论文

《光纤通信》结课论文

——相干光通信技术简介

摘要：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，为此科学研究工作者们提出了相干光通信这一解决办法。本文简要介绍了相干光通信的基本原理、相干光通信相对其他通信方式的优点、它所涉及的主要技术和运用状况。

关键词：相干调制外光调制偏振保持频率稳定频谱压缩超长波长光纤通信

相关背景

在光纤通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接受灵敏度，是科学研究者们永远的追求。虽然波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）的应用已经使光纤通信系统的带宽和传输距离得到了极大地提升但随着视频会议等一系列新的通信技术的不断发展应用和互联网普及带来的信息爆炸式增长，相干光通信技术的研究与应用显得越发的重要。

相干光通信的理论和实验始于80年代，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。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。

相干光通信系统的组成及基本原理

相干光通信系统的基本结构如下图所示。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。

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,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人的信号光在光混频器中进行混频,得到与信号光的频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。在光发射端用外光调制方式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上，再经过光匹配器送入光纤中进行传输，当信号光传输到光接收端时，先用一束本振光信号与之进行相干混合，然后用探测器检测。

相干光通信根据本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等，可分为外差检测相干光通信和零差检测相干光通信。外差检测相干光通信经光电检波器获得的是中频信号，还需要进行二次解调才能被转换成基带信号。外差检测相干光通信又可根据中频信号的解调方式分为同步解调和包络解调。零差检测相干光通信的光信号经光电检波器后被直接转换成系带信号，不需要进行二次解调，但本振光频率与信号光频率要求严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

相干光通信中的关键技术

1. 外光调制技术

由于在半导体激光器光载波的某一参数直接调制时，会附带对其他参数的寄生振荡，如直接调制ASK（幅移键控）会使相位产生变化，而且调制深度也会受到限制。还会遇到频率特性不平坦及张迟振荡等问题。因此，在相干光通信系统中，除FSK（频移键控）采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用外光调制方式。

外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而

变化的物理现象而提出的。外光调制器主要包括三种：

利用电光效应制成的电光调制器；

利用声光效应制成的声光调制器；

利用磁光效应制成的磁光调制器。

偏振保持技术

在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束的偏振方向相同，即两者的电矢量方向必须相同才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。否则会使相干探测灵敏度下降。因为在这种情况下，只有信号光波电矢量在本振光波电矢量方向上的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施。目前主要有两种方法：

采用“保偏光纤”，使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变，而普通的单模光纤会由于光纤的机械振动或温度变化等因素使光波的偏振态发生变化；

使用普通的单模光纤，在接收端采用偏振分集技术。

3. 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；

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。

4. 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。

5. 平衡接收技术

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。

6. 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