相干光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

一、相干光通信的基本工作原理

　　相干光通信系統(tǒng)可以把光頻段劃分為許多頻道，從而使光頻段得到充分利用，即多信道光纖通信。我們知道無(wú)線電技術(shù)中相干通信具有接收靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，相干光通信技術(shù)同樣具有這個(gè)特點(diǎn)，采用該技術(shù)的接收靈敏度可比直接檢測(cè)技術(shù)高18dB。同時(shí)，相干光接收機(jī)可以采用如同外差收音機(jī)那樣，在其內(nèi)部設(shè)置一臺(tái)本地激光器。稍微改變本地激光器的光頻，就可改變所選擇的信道。早期，研究相干光通信時(shí)要求采用保偏光纖作傳輸介質(zhì)，因?yàn)楣庑盘?hào)在常規(guī)光纖線路中傳輸時(shí)其相位和偏振面會(huì)隨機(jī)變化，要保持光信號(hào)的相位、偏振面不變就需要采用保偏光纖。但是后來發(fā)現(xiàn)，光信號(hào)在常規(guī)光纖中傳輸時(shí)，其相位和偏振面的變化是慢變化，可以通過接收機(jī)內(nèi)用偏振控制器來糾正，因此仍然可以用常規(guī)光纖進(jìn)行相干通信，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使相干光通信的前景呈現(xiàn)光明。

　　與強(qiáng)度調(diào)制一直接檢測(cè)系統(tǒng)不同，相干光纖通信系統(tǒng)在光接收機(jī)中增加了外差或零差接收所需的本地振蕩光源，該光源輸出的光波與接收到的已調(diào)光波在滿足波前匹配和偏振匹配的條件下，進(jìn)行光電混頻。混頻后輸出的信號(hào)光波場(chǎng)強(qiáng)和本振光波場(chǎng)強(qiáng)之和的平方成正比，從中可選出本振光波與信號(hào)光波的差頻信號(hào)。由于該差頻信號(hào)的變化規(guī)律與信號(hào)光波的變化規(guī)律相同，而不像直檢波通信方式那樣，檢測(cè)電流只反映光波的強(qiáng)度，因而，可以實(shí)現(xiàn)幅度、頻率、相位和偏振等各種調(diào)制方式。根據(jù)本振光波的頻率與信號(hào)光波的頻率是否相等可以將相干光通信系統(tǒng)分為兩類：當(dāng)本振光頻率和信號(hào)光頻率之差為一非零定值時(shí)，該系統(tǒng)稱為外差接收系統(tǒng)；當(dāng)本振光波的頻率和相位與信號(hào)光波的頻率和相位相同時(shí)，稱為零差接收系統(tǒng)。但不管采用何種接收方式其根本點(diǎn)是外差檢測(cè)。

二、相干光通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調(diào)性等特點(diǎn)。由以上介紹的相干光通信系統(tǒng)的基本原理分析且與IM/DD系統(tǒng)相比，得出相干光通信系統(tǒng)具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

　　（一）靈敏度高，中繼距離長(zhǎng)

　　相干光通信的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行相干探測(cè)，從而改善接收機(jī)的靈敏度。在相干光通信系統(tǒng)中，經(jīng)相干混合后輸出光電流的大小與信號(hào)光功率和本振光功率的乘積成正比。

　?。ǘ┛梢允褂秒娮訉W(xué)的均衡技術(shù)來補(bǔ)償光纖中光脈沖的色散效應(yīng)

　　如將外差檢測(cè)相干光通信中的中頻濾波器的傳輸（轉(zhuǎn)載自論文之家http://www.papershome.com，請(qǐng)保留此標(biāo)記。）函數(shù)正好與光纖的傳輸函數(shù)相反，即可降低光纖色散對(duì)系統(tǒng)的影響。

　?。ㄈ┻x擇性好，通信容量大

　　相干光通信可充分利用光纖的低損耗光譜區(qū)（1.25～1.6nm），提高光纖通信系統(tǒng)的信息容量。如利用相干光通信可實(shí)現(xiàn)信道間隔小于1～10GHz的密集頻分復(fù)用，充分利用了光纖的傳輸帶寬，可實(shí)現(xiàn)超高容量的信息傳輸。

三、相干光通信系統(tǒng)中的主要關(guān)鍵技術(shù)

　?。ㄒ唬┕庠醇夹g(shù)

　　相干光纖通信系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)光源和本振光源的要求比較高，它要求光譜線窄、頻率穩(wěn)定度高。光源本身的諾線寬度將決定系統(tǒng)所能達(dá)到的最低誤碼率，應(yīng)盡量減小，同時(shí)半導(dǎo)體激光器的頻率對(duì)工作溫度與注入電流的變化非常敏感，其變化量一般在幾十GHz／℃和GHz／mA左右，因此，為使頻率穩(wěn)定，除注入電流和溫度穩(wěn)定外，還應(yīng)采取其他主動(dòng)穩(wěn)頻措施，使光頻保持穩(wěn)定。為使半導(dǎo)體激光器具有譜線窄、頻率穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，人們采取了很多的方法來使光源滿足相干通信的要求。

　?。ǘ┙邮芗夹g(shù)

　　相干光通信的接收技術(shù)包括兩部分，一部分是光的接收技術(shù)，另一部分是中頻之后的各種制式的解調(diào)技術(shù)。解調(diào)技術(shù)實(shí)際上是電子的ASI、FSK和PSK等的解調(diào)技術(shù)，不需詳述，這里著重介紹光的接收技術(shù)。

　　1．平衡接收法。在FSK制式中，由于半導(dǎo)體激光器在調(diào)制過程中，難免帶有額外的幅度調(diào)制噪聲，利用平衡接收方法可以減少調(diào)幅噪聲。平衡法的主要思想是當(dāng)光信號(hào)從光纖進(jìn)入后，本振光經(jīng)偏振控制以保證與信號(hào)的偏振狀態(tài)相適應(yīng)，本振光和信號(hào)光同時(shí)經(jīng)過方向精合器分兩路，分別輸入兩個(gè)相同的PIN光電檢測(cè)器，使得兩個(gè)光電檢測(cè)器輸出的是等幅度而反相的包絡(luò)信號(hào)，再將這兩個(gè)信號(hào)合成后，使得調(diào)頻信號(hào)增加一倍，而寄生的調(diào)幅噪聲相互抵消，直流成分也抵消，達(dá)到消除調(diào)幅噪聲影響的要求。

　　2．相位分集接收法。除了調(diào)幅噪聲外，如果本振光相位和信號(hào)光相位有相對(duì)起伏，就將產(chǎn)生相位噪聲，嚴(yán)重影響接收效果。針對(duì)這種影響，可以采用相位分集法克服相位噪聲。三相相位分集法主要是將信號(hào)和本振光分成三路，本振光的三路信號(hào)相位分別為0、120°、240°，因此，盡管信號(hào)與本振光之間有相對(duì)相位的隨機(jī)起伏，將三路信號(hào)合成后，仍能保持恒定，可以減免相位噪聲的影響，同時(shí)這種技術(shù)可以用于零差接收系統(tǒng)而不采用光鎖相。

　　3．偏服控制技術(shù)。前面已經(jīng)指出：相干光通信系統(tǒng)接收端必須要求信號(hào)光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混頻效果，提高接收質(zhì)量。信號(hào)光經(jīng)過單模光纖長(zhǎng)距離傳輸后，偏振態(tài)是隨機(jī)起伏的，為了解決這個(gè)問題，人們提出了很多方法，如采用保偏光纖、偏振控制器和偏振分集接收等方法。光在普通光纖中傳輸時(shí)，相位和偏振面會(huì)隨機(jī)變化，保偏光纖就是通過工藝和材料的選擇使得光相位和偏振保持不變的特種光纖，但是這種光纖損耗大，價(jià)格也非常昂貴；偏振控制器主要是使信號(hào)光和本振光同偏，這種方法響應(yīng)速度比較慢，環(huán)路控制的要求也比較高；偏振分集接收主要是利用信號(hào)光和本振光混頻后，由偏振分束元件將混合光分成兩個(gè)相互垂直的偏振分量，本振光兩個(gè)垂直偏振分量由偏振控制器控制，使兩個(gè)分量功率相等，這樣當(dāng)信號(hào)光中偏振隨機(jī)起伏也許造成其中一個(gè)分支中頻信號(hào)衰落，但另一個(gè)分支的中頻信號(hào)仍然存在，所以該系統(tǒng)最后得到的解調(diào)信號(hào)幾乎和信號(hào)光的偏振無(wú)關(guān)，該技術(shù)響應(yīng)速度比較快，比較實(shí)用，但實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。

四、在超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

　?。ㄒ唬┕饫w的種類

　　光纖的種類按光纖的工作波長(zhǎng)分：短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。短波長(zhǎng)光纖是指0.8～0.9nm的光纖；長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖是指1.0～1.7nm的光纖；而超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖則是指2nm以上的光纖。超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)是以超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖作為傳輸介質(zhì)，利用相干光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信。在該系統(tǒng)中超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖是至關(guān)重要的。它是一種更為理想的傳輸媒介，其主要特性是損耗特低，只有石英材料的千萬(wàn)分之一因此，超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖可以實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)公里傳輸，而不要中繼站。它可以大幅度降低通信成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)海底通信和沙漠地區(qū)更具有特別重要的意義。

　?。ǘ┫喔蓹z測(cè)

　　從外部輸入的光信號(hào)和本地激光器產(chǎn)生的光信號(hào)同時(shí)疊加在光電管的接收面。與此不同的是，再直接檢測(cè)接收機(jī)中，接收信號(hào)直接入射在光電管上。在相干接收機(jī)中，如接受的信號(hào)頻率與本地光信號(hào)頻率相同的稱為零差接收機(jī)，反之為外差接收機(jī)。光波的疊加可以簡(jiǎn)單表示為:
　　 （1） 其中是本地光波的電場(chǎng)分量。與直接檢測(cè)接收機(jī)一樣，光電管電流與輸入的光功率成正比。假設(shè)采用光電管，其輸出端電流為：
　　 （2） 有且三項(xiàng)光電流
　　 （3） 在相干接收機(jī)中有用。至于頻率的變化，若采用零差接收機(jī)，入射光信號(hào)與本地光信號(hào)的混頻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)基帶信號(hào)；而外差接收機(jī)中，為一中頻信號(hào)。該中頻為本地光頻與入射光頻之差。公式（2）中的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)實(shí)際上可以通過濾波器或采用平衡接收機(jī)（兩個(gè)光電二極管而不是一個(gè)）來消除。類似于直接檢測(cè)接收機(jī)的恒定噪聲功率譜密度，零差或外差相干光接收機(jī)的噪聲功率譜密度為:
　　 （4）現(xiàn)在考慮信號(hào)功率、噪聲功率和SNR得到:
　　 （5） （6） 和 （7） 公式（7）只適用于簡(jiǎn)化相干接收機(jī)的情形，從公式（6）看，相干接收機(jī)輸出端的噪聲功率與所接收的功率電平和所加的調(diào)制無(wú)關(guān)。故而，噪聲與信號(hào)無(wú)關(guān)是相干光通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，也是與直接檢測(cè)光通信系統(tǒng)相比，前者所具有的優(yōu)點(diǎn)。

　?。ㄈ?yīng)用機(jī)理

　　目前研究的超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖主要是氟化物玻璃光纖，其理論損耗的值將非常低，如Ba-F2-Gd-ZRF4-AlF3幾光纖在3nm左右的理論最低損耗為10-3dB/km，GaF2-BaF2-YF2-ALF3光纖的透明范圍為27nm，在3nm左右的最低理論損耗為10-2dB/km。從光纖的色散特性來看，氟化玻璃材料光纖也可以實(shí)現(xiàn)零色散。例如，由鎬、鋁等組成的氟化物光纖，在1.7nm可實(shí)現(xiàn)零色散，在4nm波長(zhǎng)的色散也很小，只有45ps/nm。而且，氟化物玻璃光纖在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，比石英光纖的色散要低。這樣就可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)中繼傳輸。

　　通過利用超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖來實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信是今后光纖通信發(fā)展的重要方向之一，但是隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)還存在許多需要進(jìn)一步解決的技術(shù)問題，如超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖的材料提純與拉制，采用相干光通信技術(shù)所要求的超長(zhǎng)波長(zhǎng)光源及超長(zhǎng)波長(zhǎng)相干光電檢波器等。除以上應(yīng)用外，由于相干光通信的出色的信道選擇性和靈敏度，其在頻分復(fù)用以CATV分配網(wǎng)中的應(yīng)用性也得到了很大的提高。

　　五、結(jié)語(yǔ)

　　相干光通信以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中繼續(xù)向著更高速更長(zhǎng)距離的方向發(fā)展，特別是在海底通信上有著巨大的市場(chǎng)潛力。除了新型高效激光器，新型相干檢測(cè)技術(shù)也是系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵，采用新型檢測(cè)技術(shù)降低光源對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，自適應(yīng)光學(xué)、偏振分集等新型接收方法的引入，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，更進(jìn)一步完善其應(yīng)用。