1、第八章 相干光纖通信系統(tǒng)8.1 相干光通信技術(shù)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 相干檢測(cè) 8.2.1 本地振蕩器 8.2.2 零差檢測(cè) 8.2.3 外差檢測(cè) 8.2.4 信噪比（SNR）8.3 光接收機(jī) 8.3.2 調(diào)制的實(shí)現(xiàn)8.4 光纖接收機(jī) 8.4.1 外差接收機(jī) 8.4.2零差接收8.5 系統(tǒng)性能 8.5.1異步解調(diào)外差系統(tǒng) 8.5.2外差同步解調(diào)系統(tǒng) 8.5.3零差系統(tǒng) 8.5.4野外試驗(yàn) 8.5.5 影響靈敏度下降的因素8.6 關(guān)鍵技術(shù)2 迄今為止，所有實(shí)用化的光纖系統(tǒng)都是采用非相干的強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)（IM/DD）方式，這類系統(tǒng)成熟、簡(jiǎn)單，成本

2、低，性能優(yōu)良，已經(jīng)在電信網(wǎng)中獲得廣泛的應(yīng)用，并仍將繼續(xù)扮演主要的角色。然而，這種IM/DD方式?jīng)]有利用光載波的相位和頻率信息，無法像傳統(tǒng)的無線通信那樣實(shí)現(xiàn)外差檢測(cè)，從而限制了其性能的進(jìn)一步改進(jìn)和提高。 隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，人們很自然地想到無線電技術(shù)中的外差接受方式。因此，出現(xiàn)了采用外差接受方式的通信系統(tǒng)即外差光通信系統(tǒng)，又稱相干光通信系統(tǒng)。38.1.1 基本概念基本概念 強(qiáng)度調(diào)制-直接檢波系統(tǒng)，雖然可以通過高碼速來實(shí)現(xiàn)大容量傳輸，而且具有調(diào)制、解調(diào)較容易的優(yōu)點(diǎn)，但是，從理論上來講，這種調(diào)制系統(tǒng)所采用的光源不是理論上單一頻率的相干光源，而有相當(dāng)?shù)念l寬、對(duì)這種由一個(gè)頻帶組成的光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制（調(diào)

3、整個(gè)信號(hào)的光強(qiáng)），顯然，已調(diào)信號(hào)就具有相當(dāng)寬的帶寬（當(dāng)然，相對(duì)于光纖本身的傳輸帶寬來講，仍然是個(gè)窄頻帶）。另外，在強(qiáng)度調(diào)制中，僅僅利用了光的振幅參量，相當(dāng)于早期無線電通信中采用火花發(fā)射機(jī)那樣，是一種噪聲通信系統(tǒng)。它的傳輸容量和中斷距離都受到限制。 相干光通信系統(tǒng)則采用單一頻率的相干光做光源（載波），沿用無線電技術(shù)中早已實(shí)現(xiàn)的相干通信方式，再配合幅移鍵控（ASK）, 頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)一種新型的光纖通信方式-這就是理論上具有先進(jìn)性的外差光纖通信系統(tǒng)。4 相干光通信系統(tǒng)原理如圖8-1所示。與強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，其主要差別在于光接收機(jī)中增加了外差接收所需要

4、的本級(jí)振蕩器（簡(jiǎn)稱本振）和光混頻器。圖8-1相干光通信系統(tǒng)原理框圖 在相干光通信系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)可以是模擬信號(hào)，也可以是數(shù)字信號(hào)。無論何種信號(hào)，其工作原理均可以用圖8-1來加以說明。 5 圖中的光載波經(jīng)調(diào)制器受數(shù)字信號(hào)調(diào)制后形成已調(diào)信號(hào)光波。調(diào)制方式有很多種，將光信號(hào)通過調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相的方式被調(diào)制（設(shè)調(diào)制頻率為s）到光載波上的，當(dāng)該信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，首先與頻率為L(zhǎng)本振光信號(hào)進(jìn)行相干混合，然后由光電檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，這樣獲得了中頻頻率為IF=s-L 的輸出電信號(hào)，因?yàn)镮F0，故稱該檢測(cè)為外差檢測(cè)，那么當(dāng)輸出信號(hào)的頻率IF=0（即s=L ）時(shí)，則稱之為零差檢測(cè)，此時(shí)在接收端可以直接產(chǎn)生基帶信號(hào) 。

5、6 根據(jù)平面波的傳播理論，可以寫出接收光信號(hào)Es（t）和本振光信號(hào)E（t）的復(fù)數(shù)電場(chǎng)分布表達(dá)式為L(zhǎng))(exp)(SSsstjEtE（8.1.1） )(exp)(LLLLtjEtE（8.1.2） 式中， Es-接收光信號(hào)的電場(chǎng)幅度值； EL-本振光信號(hào)電場(chǎng)幅度值 s-接收光信號(hào)的相位調(diào)制信息 L-本振光的相位的調(diào)制信息7當(dāng)Es（t）和EL（t）彼此相互平行，均勻地入射到光電監(jiān)測(cè)器表面上時(shí)，由于總?cè)肷涔鈴?qiáng)I正比于 Es（t）+ EL（t），即)cos(2)(LSIFLSLStPPRPPRI(8.1.3) 式中，R為光電監(jiān)測(cè)器的相應(yīng)度，PS 、PL分別為接收光信號(hào)和本振光信號(hào)。一般情況下PLPS,

6、,這樣式（8.1.3）可以簡(jiǎn)化成)cos(2LSIFLSLtPPRRPI(8.1.4) 從上式中可以看出，其中第一項(xiàng)為與傳輸信息無關(guān)的直流項(xiàng)，因而經(jīng)外差檢測(cè)后的輸出信號(hào)電流為（8.1.4）中的第二項(xiàng)，很明顯其中含發(fā)射端傳送信息：)cos(2)(LSIFLSoutPPRti (8.1.5) 對(duì)零差檢測(cè)，IF=0 輸出信號(hào)電流為)cos(2)(LSLsoutPPRti (8.1.6)8從式（8.1.5）和式（8.1.6）可以清楚地看到：（1）即使接收光信號(hào)功率很小，但由于輸出電流與 成 正比，仍能夠通過增大PL而 獲得足夠大的輸出電流，這樣，本振光相干檢測(cè)中還起到了光放大的作用，從而提高了信號(hào)的接

7、收靈敏度。LP（2）由于在相干檢測(cè)中，要求S-L 隨時(shí)保持常數(shù)（IF或0），因而要求系統(tǒng)中所使用的光源具備非常高的頻率穩(wěn)定性、非常窄的光譜寬度以及一定的頻率調(diào)諧范圍。9（3）無論外差檢測(cè)還是零差檢測(cè)，其檢測(cè)根據(jù)都來源于接收光信號(hào)與本振光信號(hào)之間的干涉，因而在系統(tǒng)中，必須保持它們之間的相位鎖定，或者說具有一致的偏振方向。 按上面的分析，相干光纖通信系統(tǒng)的基本框圖如圖8-2所示，由圖可以清楚地看出，該系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)組成。圖9-2 相干光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10 相干光通信系統(tǒng)與強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，其主要差別在于光接收機(jī)中增加了外差接收所需要的本級(jí)振蕩器（簡(jiǎn)稱本振）和光混頻器。 1

8、1 相干光波系統(tǒng)是信號(hào)光在接收端射到光電探測(cè)器之前用另外一個(gè)光波與它相干地混頻，如圖8-3所示.。圖8-3光相干檢測(cè)原理圖12 在接收端，借用無線電通信文獻(xiàn)中的術(shù)語，把產(chǎn)生本地光波的窄線寬激光器稱作本地振蕩器（LO，Local Oscillator），為了說明接收到的光信號(hào)與本地光混合后如何提高接收機(jī)的性能，讓我們首先考慮接收光信號(hào)的光場(chǎng))(exp)(SSsstjEtE（8.1.1） 式中S 是載波頻率，ES 是幅值 ，s 是相位。與接收光信號(hào)光場(chǎng)類似，本振光的光場(chǎng)是：)(exp)(LLLLtjEtE（8.1.2） 式中EL、L和L分別是本振光的幅值、頻率和相位。假定信號(hào)光和本振光極化相同，均

9、可以不考慮它們的相位。 13 圖8-3中的光電探測(cè)器只響應(yīng)強(qiáng)度。Es（t）+ E（t）。因?yàn)楣夤β逝c光強(qiáng)成正比，接收光功率可由 P = KEs（t）+ E（t）給出，式中K是比例常數(shù)。從（8.1.1）和（8.1.2）式，可以得到 I（t）表達(dá)式 LsIFLSLsPPPPtIcos2(8.1.7) 2SSKEP 2LLKEP LIF0(8.1.8) 角頻率 與中頻（IF，Intermediate Frequency）的關(guān)系式是IF2/IFIF。當(dāng) 時(shí)，要想恢復(fù)基帶信號(hào)，首先，LL0必須把接收光信號(hào)載波頻率轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l （典型值為0.1-5GHz），然后再把該中頻轉(zhuǎn)變成基帶信號(hào)，這種相干檢測(cè)稱作外差

10、檢測(cè)。當(dāng) 時(shí),可以把接收到的光信號(hào)直接轉(zhuǎn)變成基帶信號(hào)，這種方式稱作零差檢測(cè)。下面對(duì)此分別加以討論。 IFL014 零差檢測(cè)時(shí)，選擇本振光光頻L與信號(hào)光載波頻率0相同，所以F= 0，使用式（8.1.7），光電探測(cè)器產(chǎn)生的光電流是 )cos(2)(LSIFLSLStPPRPPRI (8.1.3) 式中I =RP，R是探測(cè)器靈敏度。通常， ，所以 SLPP LLSPPP (8.1.3) 式中最后一項(xiàng)包含要傳送的信息?？紤]到本振光相位被鎖定在信號(hào)光相位上，因此L=S，此時(shí)，零差信號(hào)由下式給出 LSPPtPRtI2(8.1.4) 由此式可看出零差檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。假如，我們注意到直接檢測(cè)的信號(hào)電流為 ，由此可

11、見，零差檢測(cè)平均電信號(hào)功率比直接檢測(cè)的信號(hào)功率增加 倍。既然，通常 ，所以該值將增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然散粒噪聲也增加了，但是零差檢測(cè)仍可提高信噪比（SNR）許多倍。)()(tRPtIsddSLPP4LSPP 15 零差檢測(cè)的缺點(diǎn)是它對(duì)相位的變化非常敏感。因?yàn)椋?.1.3）式中，最后一項(xiàng)L包含本振光相位，很顯然L應(yīng)被控制。理想情況下，除強(qiáng)調(diào)相位， L和S應(yīng)該保持常數(shù)。實(shí)際上， L和S隨時(shí)間隨機(jī)擺動(dòng)。不過，通過相位鎖定環(huán)路，它們的差（ S - L ）幾乎可以保持恒定。然而，這種鎖定環(huán)路的實(shí)現(xiàn)并不容易，所以使零差接收機(jī)的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。此外，還要求信號(hào)光和本振光頻率匹配，因此，對(duì)這兩種光源提出苛刻的要求

12、。使用下節(jié)討論的外差檢測(cè)可以解決這些問題。16 在外差檢測(cè)情況下，選擇本振光頻L與信號(hào)載波光頻S不同，使其外差落在微波范圍內(nèi)。因?yàn)镮=RP，所以（8.1.7）式可以表示成檢測(cè)電流的表達(dá)式。 )cos(2)()(LsIFLsLstPPRPPRtI(8.1.10) 通常 ，所以第一項(xiàng)可認(rèn)為是直流常數(shù)，很容易被濾除，此時(shí)外差信號(hào)由下面的交流項(xiàng)給出sLPP )cos()(2)(LsIFLsouttPtPRtI（8.1.11） 與零差檢測(cè)類似，因?yàn)樵撌街斜菊窆釶L的出現(xiàn)，接收到的光信號(hào)被放大了，從而提高了SNR。然而，SNR的改進(jìn)要比零差檢測(cè)低兩倍（3dB）。引起3dB代價(jià)的原因是信號(hào)功率與交流電流的平

13、方成正比，以及（8.1.11），式中cos的出現(xiàn)。 但是，3dB代價(jià)帶來的優(yōu)點(diǎn)是接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴辉傩枰庀辔绘i定環(huán)路。雖然，S、LPL和的隨機(jī)變化仍需要使用窄線寬的信號(hào)和本振光半導(dǎo)體激光器，然而異步解調(diào)方式對(duì)線寬的要求相當(dāng)放松。這種特性使外差檢測(cè)方式在實(shí)際相干光波系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)變得容易。17 相干檢測(cè)技術(shù)用于光波系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，可用接收機(jī)信噪比（SNR，Signal-to-Noise Ratio）定量地描述。為了這個(gè)目的，我們首先直接檢測(cè)接收機(jī)。因?yàn)樯⒘Ｔ肼?和熱噪聲 使接收機(jī)光電流在起伏擺動(dòng)?？傇肼暪β蕿?s2T222Ts(8.1.12)式中fIIqds)(22fRTkLBT)/4(2(

14、8.1.14) (8.1.13) 式中Id是暗電流， 是接收機(jī)噪聲等效帶寬， 是絕對(duì)溫度T時(shí)的熱能量， 是負(fù)載電阻。（8.1.13）式中的I是探測(cè)器產(chǎn)生的總電流，并由（8.1.3）式（零差檢測(cè)）或（8.1.10）式（外差檢測(cè)）給出。fTkBLR18平均信號(hào)功率除以平均噪聲功率就可以得到SNR。外差檢測(cè)時(shí)，SNR由下式給出：)(2/2/ )(2222fIRPqPPRISNRdLLsout(8.1.15) 有零差檢測(cè)時(shí)，假如（8.1.3）式中S=L，SNR則是（8.1.15）式的兩倍。相干檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)從式（8.1.15）可以看出。因?yàn)樵诮邮諜C(jī)可以控制本振光頻率PL，使它足夠大，即)2/(2fqR

15、PL(8.1.16) 從而使接收機(jī)噪聲由散粒噪聲所支配，即 。在相同的條件下，暗電流也可以忽略（IdB時(shí)，帶寬趨近 2f，幾乎與比特率無關(guān)。這種情況常常稱作寬帶FSK。當(dāng)f B 時(shí)，帶寬趨近2B，相應(yīng)稱作窄帶FSK。 f /B稱作FM指數(shù)， 是寬帶FSK， 1是窄帶FSK。FMFMFM29實(shí)現(xiàn)FSK要求一個(gè)能夠改變?nèi)肷涔庑盘?hào)頻率的調(diào)制器。LiNbO3電光材料能夠產(chǎn)生一個(gè)與施加其上電壓成正比的相差。在LiNbO3調(diào)制器上施加一個(gè)三角波（象鋸齒形狀的電壓脈沖），就可實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制，因?yàn)榫€性相位的改變對(duì)應(yīng)頻率的改變。使用聲波布拉格散射（Bragg Scattering）也可以實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制。這種調(diào)制

16、器稱作聲光調(diào)制器。它們的使用有時(shí)并不方便，而且頻差也較?。?GHz）。通常實(shí)現(xiàn)FSK 調(diào)制的最簡(jiǎn)單方法是對(duì)半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制。我們知道，半導(dǎo)體激光器工作電流的改變一起 發(fā)射光強(qiáng)和頻率的改變。在ASK或OOK情況下，頻率的變化使發(fā)射光脈沖產(chǎn)生尖峰（chirp），這是不希望發(fā)生的，但是相同的頻率變化可被用來FSK調(diào)制。頻率變化的典型值為0.1-1GHz/mA，因此，小的工作電流變化（約1mA）就可以產(chǎn)生1GHz的頻率變化。況且，該電流的變化相當(dāng)小，以至相鄰碼的幅值幾乎沒有改變。3.頻移鍵控（頻移鍵控（FSK）調(diào)制）調(diào)制30相干傳輸常用DFB半導(dǎo)體激光器，以為它具有單縱橫和窄線寬的優(yōu)良特性。DFB

17、激光器用于FSK調(diào)制時(shí)，在整個(gè)頻帶內(nèi)FM響應(yīng)應(yīng)該平坦。遺憾的是它并非如此。半導(dǎo)體激光器通常在0.1-10MHz范圍內(nèi)，它的頻率響應(yīng)下降，如圖8-5的下條曲線所示。圖8-5 典型DFB半導(dǎo)體激光器的調(diào)制響應(yīng)31半導(dǎo)體激光器頻率調(diào)制響應(yīng)的不平坦，將影響FSK相干系統(tǒng)的性能，已有許多技術(shù)可以解決這個(gè)問題。一種技術(shù)是使用均衡電路，不過它常使調(diào)制效率降低。另一種新型的多腔DFB激光器可用來實(shí)現(xiàn)平坦的FM響應(yīng)。圖8-5的上條曲線表示兩腔DFB激光器的FM響應(yīng)。從圖可見，當(dāng)調(diào)制頻率接近1GHz時(shí)，曲線開始下降，但是它的調(diào)制效率很高。使用三腔DFB激光器，可以實(shí)現(xiàn)100kHZ到15GHz FM的平坦響應(yīng)，同時(shí)

18、可保持單縱橫和窄線寬（1MHz）特性。當(dāng)通過直接調(diào)制實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制時(shí)，可以使“1”碼和“0”碼的頻率（或相位）發(fā)生變化。FSK方式常常指的是相位連續(xù)頻移鍵控（CPFSK Continuous-Phase FSK）。當(dāng)碼頻間距2 =B/2( =1/2)，也稱CPFSK為最小頻移鍵控（MSK，Minimum-Shift Keying）。 fFM32在ASK相干系統(tǒng)中，由于要求S保持恒定，所以職能使半導(dǎo)體激光器在一定注入電流下連續(xù)工作，這樣用外調(diào)制方式，直接對(duì)其輸出光進(jìn)行調(diào)制，從而獲得調(diào)制輸出光，通常采用LiNbO3馬赫干涉儀或定向耦合式的調(diào)制器。目前LiNbO3調(diào)制器的調(diào)制帶寬可以高達(dá)20GHz，

19、消光比超過20dB。在PSK相干系統(tǒng)中，由于需要對(duì)相位S進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)要保持幅度As恒定，因而PSK調(diào)制也需要采用外調(diào)制器，可以利用LiNbO3晶體制成適合PSK調(diào)制用的相位調(diào)制器，也可以利用半導(dǎo)體材料來制作相位調(diào)制器，目前已經(jīng)研究成功的量子阱半導(dǎo)體相位調(diào)制器，其調(diào)制電壓為2.5伏，調(diào)制速率可達(dá)到10Gbit/s，由于在PSK相干系統(tǒng)中，對(duì)光源的相位穩(wěn)定性要求非常高，這樣才能保證能從光信號(hào)中提取到相位上的信息，因而采用了PSK 的一種變形方式-差分移相鍵控（DPSK）。因?yàn)樵贒PSK中，調(diào)制器是根據(jù)相鄰碼是否相同，來確定光載波的相位變化（0或），可以刊出光載波的向在相鄰兩個(gè)碼元之間保持相對(duì)穩(wěn)定

20、，這樣便可以放松對(duì)光源的要求。33在PSK相干系統(tǒng)中，既可采用直接調(diào)制方式，也可以采用外調(diào)制方式。前面講過，如果要利用注入電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)ASK的話，則注入電流的較大變化會(huì)使載波的相位（或頻率）發(fā)生很大的變化，對(duì)于半導(dǎo)體激光器，通常這種注入電流所引起的頻率變化在0.1-1GHz/Ma，在FSK直接調(diào)制中正可以利用這種效應(yīng)，以較小的電流（mA）變化，就可以產(chǎn)生1GHz的頻移，同時(shí)由于電流變化很小，基本上可以保持信號(hào)幅度的不變。34根據(jù)相干檢測(cè)的基本原理，可以由此勾畫出相干光纖通信系統(tǒng)的基本框圖。其發(fā)送端可以采用直接調(diào)制，也可以采用外調(diào)制方式，對(duì)光源載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制，在接收端，信號(hào)與本振光

21、由1：1的光纖定向耦合器合路后送到光電二極管進(jìn)行混頻，其輸出信號(hào)有可能是中頻信號(hào)，也可以是基群信號(hào)，這完全由信號(hào)與本振光的關(guān)系決定。如果輸出信號(hào)為中頻信號(hào)，那么必須再經(jīng)過進(jìn)一步解調(diào)，才能恢復(fù)出原發(fā)送信號(hào)，因而稱該接收機(jī)為外差接收機(jī)，而稱經(jīng)混頻后直接輸出基群信號(hào)的接收機(jī)為零差接收機(jī)。 351.外差同步解調(diào)接收機(jī)外差同步解調(diào)接收機(jī)外差接收機(jī)分為外差同步解調(diào)接收機(jī)和外差包絡(luò)解調(diào)接收機(jī)外差同步解調(diào)接收機(jī)的工作原理如圖8-6所示。 圖8-6 外差同步解調(diào)接收機(jī)示意圖36由于本振光信號(hào)頻率l和信號(hào)光頻率s不相等，它們差一個(gè)頻率（如： 1GHz），這樣經(jīng)光電檢測(cè)器輸出的是中頻信號(hào)，其頻譜分布如圖8-7（c）

22、所示。為了恢復(fù)出基帶信號(hào)，首先應(yīng)讓中頻信號(hào)通過一個(gè)中頻帶通濾波器（中心頻率為IF），并將其分為兩路，一路經(jīng)過載波恢復(fù)電路，從而恢復(fù)出中頻載波信號(hào)，同時(shí)與另一路的中頻信號(hào)進(jìn)行混頻，最后由低通濾波器輸出基帶信號(hào)，其信號(hào)分析過程如圖8-7所示。2/IF從理論上分析，外差同步解調(diào)接收系統(tǒng)應(yīng)具有很高的接收靈敏度，但由于同步解調(diào)需要從中頻信號(hào)中分離出中頻載波，因而系統(tǒng)較為復(fù)雜。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)激光器譜寬的要求極高，通常要采用外腔半導(dǎo)體激光器，以確保光譜很窄的要求，就目前的實(shí)驗(yàn)水平，其系統(tǒng)靈敏度還不如下面將介紹的外差包絡(luò)解調(diào)接收系統(tǒng)。 37圖8-7 外差同步解調(diào)信號(hào)分析過程 382. 外差包絡(luò)解調(diào)接收機(jī)外差包絡(luò)

23、解調(diào)接收機(jī)圖8-8 是外差包絡(luò)解調(diào)接收機(jī)組成原理方框圖。從圖中可以看出，它不要求恢復(fù)中頻（微波載波），而是通過使用包絡(luò)檢波和低通濾波，直接將經(jīng)帶通濾波輸出的信號(hào)If（t）轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)，從而使接收電路得以簡(jiǎn)化，送到判決電路的信號(hào)為：2/122)sin()cos(|sPsPfdiIiIII（8.3.1） 式中，和是高斯隨機(jī)噪聲成分，是散粒噪聲引起的電流波動(dòng)，其值由式（8.1.13）給出。圖8-8 外差包絡(luò)解調(diào)接收機(jī)39圖8-9表示外差異步解調(diào)接收機(jī)的兩種解調(diào)方式。FSK雙濾波接收機(jī)使用兩個(gè)支路處理“1”碼和“0”碼FSK信號(hào)，因?yàn)椤?”碼和“0”碼的載波頻率不同，因此產(chǎn)生的中頻也不同。只要碼頻間

24、距比比特率足夠大，“1”碼和“0”碼頻譜重疊就可以忽略（頻寬差FSK）。兩個(gè)帶寬濾波器（BPF）的中心頻率之間的距離正好與碼頻間距相等，這樣每個(gè)BPF只能讓“1”碼或“0”碼通過。FSK雙濾波接收機(jī)可以認(rèn)為是由兩個(gè)并行的ASK但濾波接收機(jī)組成，它們的輸出在達(dá)判決電路之前混合。圖6.6的單濾波接收機(jī)的帶寬如果足夠?qū)?，以至于整個(gè)比特流可以通過的話，它也可被用于FSK解調(diào)。對(duì)碼頻間距小于或等于比特率的窄頻差FSK信號(hào)，這種方式工作得很好。 40圖8-9 外差異步解調(diào)接收機(jī)a位FSK雙濾波器法 b為DPSK延遲解調(diào)法41異步解調(diào)不能用于PSK方式，因?yàn)榘l(fā)射光和本振光的相位沒有被鎖定，并隨時(shí)間漂移。然而

25、，使用圖8-9（b）表示的延遲法可以對(duì)DPSK進(jìn)行異步解調(diào)?；鞠敕ㄊ亲尳邮盏降谋忍亓髋c延時(shí)了1比特的該比特流相乘，相乘后的信號(hào)會(huì)有cos(K-K-1)的成分，因?yàn)樾畔⒁韵嗖睿↘-K-1）被編碼（ K是第k個(gè)比特的相位），所以可被用來恢復(fù)基帶信號(hào)。這種方式要求在相對(duì)短的期限內(nèi)（幾個(gè)比特周期）相位穩(wěn)定，并使用窄線寬半導(dǎo)體激光器就可以實(shí)現(xiàn)。延時(shí)解調(diào)方式也可以用于CPSK，此時(shí)延時(shí)量取決于碼頻間距，并使延時(shí)后的信號(hào)相位偏差。42圖8-10 為零差接收機(jī)的零差檢測(cè)的信號(hào)頻譜分析圖。由此可見，在這種檢測(cè)方式中，光信號(hào)是直接被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)的，因而它既要求本振光與信號(hào)光的頻率彼此相同，而且還要求它們的相位

26、彼此鎖定。因此在該系統(tǒng)中，需要使用光譜線非常窄的激光，同時(shí)要求在本振光和信號(hào)光之間采用鎖相電路。即便如此，系統(tǒng)的接受靈敏度仍受到傳輸碼速的影響，傳輸速率愈高，系統(tǒng)接收靈敏度越低圖8-10 零差檢測(cè)的信號(hào)頻譜分析 43自80年代以來，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)以便顯示相干光波系統(tǒng)的潛力。主要目的是要證明相干接收機(jī)比IM/DD接收機(jī)靈敏度更高，并允許接近量子極限工作。系統(tǒng)性能通常用BER=10時(shí)，每比特接收的平均光子數(shù) 定量地進(jìn)行描述。本節(jié)介紹在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以及商業(yè)應(yīng)用的野外試驗(yàn)。 44異步解調(diào)外差系統(tǒng)已引起人們極大的注意，因?yàn)樗鼘?duì)發(fā)射和本振激光器的線寬要求相當(dāng)寬松，以致可以使用DFB激光器

27、。人們已對(duì)ASK、FSK和DPSK調(diào)制方式的異步外差系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。1990年的一個(gè)用短光纖傳播的ASK實(shí)驗(yàn)表明，傳輸功率為4Gb/s時(shí)，接收機(jī)靈敏度可達(dá)到175個(gè)光子/比特，該值僅與每比特40個(gè)光子的量子極限靈敏度差6.4dB。當(dāng)用色散約為17ps/（nm .km）的1.55微米標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸160km后，靈敏度下降僅1dB。該系統(tǒng)改用FSK和DPSK調(diào)制后，傳輸速率不變，仍為4Gb/s，系統(tǒng)性能與ASK調(diào)制的比較如表8-1所示。試驗(yàn)原理圖如圖8-11所示。為了比較起見，也列出IM/DD接收機(jī)的靈敏度。通常，即使采用APD接收， 一般也超過1000個(gè)光子/比特。 PN45表8-1外差異步解調(diào)光

28、波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子極限比較調(diào)制方式光源碼速率傳輸距離光纖類型接收機(jī)靈敏度實(shí)際達(dá)到值 量子極限注ASK1.55微米 DFB DBR4Gb/s160km155微米210 40外腔調(diào)制器FSK1.55微米 DFB DBR普通單頻普通單頻4Gb/s1Gb/s140Mb/s160km100km243km155微米218 401500 40350 40碼頻間距=比特率17ps/nm.kmDPSK1.55微米 DFB DBR窄線寬窄線寬4Gb/s1Gb/s400Mb/s160km200km260km155微米261 20270 2045 20外腔調(diào)制器IM/DD155微米1000 1046圖8-11 4G

29、b/s外差系統(tǒng)試驗(yàn)原理圖因?yàn)橄喔上到y(tǒng)通常主要由光纖損耗所限制，使用光纖放大器周期性地補(bǔ)償光纖損耗，可使傳輸距離增加。一個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，每隔80km增加一個(gè)摻鉺光纖放大器（EDFA），共用25個(gè)，使2.5Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離增加到2223km。47 外差同步接收機(jī)具有更高的靈敏度，然而實(shí)現(xiàn)起來也更困難。因?yàn)楸仨殢慕邮盏降臄?shù)據(jù)中恢復(fù)微波載波以便同步解調(diào)。因?yàn)锳SK和FSK方式的靈敏度提高很?。ㄉ儆?.5dB），大部分實(shí)驗(yàn)集中在量子極限靈敏度為18個(gè)光子/比特的PSK調(diào)制方式。PSK方式的問題是“1”碼和“0”碼間的相位差180度時(shí)，載波被抑制了，因?yàn)榇藭r(shí)的發(fā)射功率全部集中在調(diào)制邊帶中。該特性造成載波

30、恢復(fù)的困難。一種解決方法是使相位差見效（典型值為150-160度），這樣功率的百分之幾仍保留在載波中，接收機(jī)可用它同步解調(diào)。 48相位噪聲對(duì)外差同步接收機(jī)來說也是一個(gè)嚴(yán)重的問題。 /B 比值必須小于5 ，這里 是中頻IF線寬。當(dāng)比特率低于1Gb/s時(shí)，激光器線寬應(yīng)該小于2MHz。外腔半導(dǎo)體激光器常被用于同步系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗鼈兛梢跃哂芯€寬小于0.1MHz的特性。使用二極管泵浦的Nd：YAG激光器（線寬1kHz，波長(zhǎng)1.32微米），已進(jìn)行了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，比特率為4Gb/s，接收機(jī)靈敏度為631個(gè)光子/比特，該值與18個(gè)光子/比特量子極限值相比，還差15.4dB，這主要是因?yàn)闆]有使用平衡混

31、頻接收，殘留熱噪聲和強(qiáng)度噪聲的影響。比特速率若降低到2Gb/s，接收機(jī)靈敏度可提高到235個(gè)光子/比特但仍然遠(yuǎn)比不上3Gb/s的外差異步接收機(jī)所達(dá)到的靈敏度。310LtVV49PSK零差系統(tǒng)具有能提供最高接收靈敏度的潛在能力，即量子極限值9個(gè)光子/比特。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要求一個(gè)光相位鎖定環(huán)路。用He-Ne激光器、外差調(diào)制半導(dǎo)體激光器和Nd：YAG激光器已進(jìn)行了許多傳輸實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)實(shí)了PSK零差系統(tǒng)的潛力，如表8-2所示，實(shí)驗(yàn)表明，接收機(jī)靈敏度與比特速率有關(guān)，隨比特率增加Np也增加，但是色散代價(jià)可以忽略。 50比特率工作波長(zhǎng)光源傳輸距離接收機(jī)靈敏度實(shí)際值 量子極限注解數(shù)據(jù)來源140Mb/s1.52微米1

32、.32微米He-NeNd：YAG激光器28.6km26 925 9（-62.8dBm） 9PSKPSK6465140Mb/s1.5微米外腔半導(dǎo)體激光器209km25 9（-62.8dBm） 9BPSK（雙極碼PSK）66140Mb/s1.5微米外腔半導(dǎo)體激光器5m167km25 9（-62.8dBm） 925 9（-62.8dBm） 9平衡PIN/HEMT轉(zhuǎn)移阻抗接收機(jī)BPSK調(diào)制61140Mb/s1.5微米外腔DFB激光器151km25 9（-62.8dBm） 9LiNbO3外腔相位調(diào)制器（PSK）63表8-2零差同步解調(diào)光波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子極限比較51任何新的技術(shù)在實(shí)用之前都必須通過野外

33、試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。自1988年以來，已進(jìn)行了相干光系統(tǒng)的幾個(gè)野外試驗(yàn)。所有的試驗(yàn)都使用外差異步解調(diào)接收機(jī)，因?yàn)檫@種方式對(duì)激光器線寬的要求不高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)起來也簡(jiǎn)單。大多數(shù)試驗(yàn)采用CPFSK調(diào)制方式，避免使用外腔調(diào)制器，從而簡(jiǎn)化了光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。使用平衡混頻極化分集外差接收機(jī)解調(diào)發(fā)送來的信號(hào)。野外試驗(yàn)包括測(cè)試陸上和海底相干系統(tǒng)的性能。在一個(gè)海底試驗(yàn)系統(tǒng)中，碼速為560Mb/s，調(diào)制方式為CPFSK，光纜長(zhǎng)度為90km。在另外一個(gè)海底試驗(yàn)中，碼速為2.5Gb/s調(diào)制方式仍為CPFSK，因?yàn)槭褂霉庵欣^器，所以光纖長(zhǎng)度達(dá)到431km。兩個(gè)試驗(yàn)都表明，極化分集接收機(jī)在實(shí)際相干系統(tǒng)中是必不可少的。此外，接收機(jī)也

34、采用了自動(dòng)增益和頻率控制電路。52盡管野外試驗(yàn)是成功的，但是，相干光波系統(tǒng)仍然沒有達(dá)到實(shí)用化的階段。部分原因是相干光發(fā)射機(jī)和結(jié)合搜集結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差。把這些器件繼承在單個(gè)硅片上可提高系統(tǒng)的可靠性。目前正在進(jìn)行相干系統(tǒng)用光電集成電路的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。另外，光纖放大器的實(shí)用化減緩了人們對(duì)相干系統(tǒng)實(shí)用化的研究，因?yàn)樵贗M/DD系統(tǒng)中使用這種放大器作為前置放大器可提高接收機(jī)的靈敏度，使之可與相干檢測(cè)相比擬。但是，對(duì)于要求小的信道間距（10GHz）的多信道通信系統(tǒng)，仍需使用相干技術(shù)。53圖8-12（a）表示4Gb/sPSK零差系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原理圖54圖8-12（b）表示比特率為4Gb/s的PSK零差傳輸比特誤

35、碼率（BER）實(shí)驗(yàn)曲線及傳輸167km后的眼圖，為了比較起見，也標(biāo)出量子極限曲線。551.相位噪聲相位噪聲在相干光波系統(tǒng)中，導(dǎo)致靈敏度下降的主要因素是發(fā)射和本振激光器的相位噪聲。其理由可分別從表示零差和外差接收機(jī)光電檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流的公式（8.1.3）和（8.1.10）中得到理解。因?yàn)楣怆姍z測(cè)過程的相干特性，相位的不穩(wěn)定導(dǎo)致電流的不穩(wěn)定，從而使SNR下降。因此要求零差和外差信號(hào)相位 S 和本振光相位L應(yīng)該保持相對(duì)穩(wěn)定，以避免靈敏度下降。用相干時(shí)間量度激光器相位保持相對(duì)穩(wěn)定的這段時(shí)間，由于相干時(shí)間與激光器線寬 成反比，通常使用線寬/比特率（ /B）來描述相位噪聲對(duì)相干光波系統(tǒng)性能的影響。因?yàn)镾

36、和L的變化是互不相關(guān)的，激光器線寬 實(shí)際應(yīng)是發(fā)射機(jī)激光器線寬和本振激光器線寬之和。常常把 叫做中頻（IF）線寬。 LtVV56現(xiàn)在，讓我們?cè)u(píng)價(jià)相位噪聲的存在對(duì)BER的影響，并估計(jì)功率代價(jià)與/B的關(guān)系，常常用功率代價(jià)小于1dB時(shí)（與調(diào)制和解調(diào)方式有關(guān)）確定所允許的/B值。通常，零差接收機(jī)對(duì)線寬的要求更嚴(yán)。雖然不同的鎖相環(huán)路對(duì)線寬的要求不同，但是典型的/B值應(yīng)該小于5，以便獲得小于1dB的功率代價(jià)。如果功率代價(jià)小于0.5dB，/B 1 外差接收機(jī)，特別是ASK或FSK調(diào)制的異步解調(diào)方式，對(duì)線寬的要求是寬松的。對(duì)同步解調(diào)外差接收機(jī)，要求/B 5 ，甚至，ASK和FSK異步解調(diào)接收機(jī)/B可以超過0.1

37、。其原因是這種接收機(jī)使用包絡(luò)檢波（見圖8-8），不考慮相位信息。相位起伏的影響主要是展寬信號(hào)帶寬。增加帶寬濾波器（BPF）的帶寬可以恢復(fù)信號(hào)。原則上，只要BPF帶寬適當(dāng)，任何線寬均是允許的。然而，必須付出代價(jià)，因?yàn)榻邮諜C(jī)噪聲隨BPF帶寬的增加而增加。圖6.8表示ASK和FSK調(diào)制的接收機(jī)靈敏度（用每比特平均光子數(shù)Np表示）隨/B增加而降低的情況。57差分相移鍵控與ASK和FSK相比見圖8-9（b），要求窄的線寬。其原因是信息包括在相鄰比特間的相位差中，并且至少在兩比特傳輸期間相位應(yīng)該保持穩(wěn)定。幾種計(jì)算表明，通常功率代價(jià)小于1dB工作時(shí)，v /B應(yīng)該小于1%，比特速率為1Gb/s，線寬要小于10

38、MHz 圖8-13 ASK和FSK異步解調(diào)外差接收機(jī)靈敏度NP與v/B的關(guān)系58相干光波系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求使用單縱橫窄線寬的半導(dǎo)體激光器，而且，為了使光載波頻率和本振光頻率完全相等，或產(chǎn)生一個(gè)要求的中頻，該激光器的頻率應(yīng)該至少在幾個(gè)納米的范圍內(nèi)可調(diào)。多腔分布式布拉格反射（DBR）激光器可以滿足這些要求。單腔DFB激光器的有源區(qū)采用多量子阱設(shè)計(jì)可以獲得窄線寬特性。外腔長(zhǎng)800微米的DFB器件已達(dá)到270kHz的線寬。592. 強(qiáng)度噪聲強(qiáng)度噪聲強(qiáng)度噪聲對(duì)直接檢測(cè)接收機(jī)性能的影響在多數(shù)實(shí)際情況下可被忽略。然而，對(duì)相干接收機(jī)卻不然。為了理解強(qiáng)度噪聲為什么在相干接收機(jī)中扮演著重要的角色，讓我們?cè)冢?.1.12

39、）式中增加強(qiáng)度噪聲1項(xiàng)，于是得到： 2222ITs（8.4.1） 式中 1rRPLI（8.4.2） r1是本振激光器強(qiáng)度噪聲（RIN）有關(guān)的參數(shù)。假如RIN頻譜與接收機(jī)帶寬f一致， 可用2（RIN）f近似，用（8.4.1）和（8.1.15），我們得到：21r)(2)(2/22222fRINPRfIRPqPPRSNRLrdLLs（8.4.3） 60假如接收機(jī)工作在散粒噪聲限制下，為了滿足（8.1.16）式，本振光功率PL應(yīng)該足夠大。然而，從式（8.4.3）可知， PL對(duì)強(qiáng)度噪聲的貢獻(xiàn)是PL的平方。如果強(qiáng)度噪聲變得與散粒噪聲一樣大，SNR就要減小，除非增加信號(hào)功率 來抵消接收機(jī)噪聲的增大。 的增加

40、正好是由本振激光器強(qiáng)度噪聲引起的功率代價(jià) 。加入結(jié)合搜集處于散粒噪聲限制下，式（8.4.3）中暗電流 和熱噪聲 均可忽略，此時(shí)，強(qiáng)度噪聲引起的功率代價(jià) （用dB表示）由下式給出：sPsP12TdI/)(1log10hRINPLI（8.4.4） 61圖8-14表示1.55微米相干接收機(jī)具有不同 PL值的功率代價(jià)1與相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）的關(guān)系。當(dāng)PL=1nW時(shí)，即使本振激光器的RIN=-160Db/Hz（DFB半導(dǎo)體激光器也很難實(shí)現(xiàn)），功率代價(jià)也超過2dB。當(dāng)本振激光器RIN = -150 dB/Hz，功率代價(jià)就可以忽略。然而這樣小的 PL值不可能滿足（8.1.16）式的要求。圖8-14 功率代

41、價(jià)和相對(duì)強(qiáng)度噪聲的關(guān)系623. 偏振噪聲偏振噪聲由前面介紹的相干檢測(cè)的工作原理可知，在外差檢測(cè)中，信號(hào)光首先是通過與本振光進(jìn)行相干混合，從而獲得中頻信號(hào)，然后再進(jìn)行基帶信號(hào)的恢復(fù)工作，而在零差檢測(cè)中則是直接獲得基帶信號(hào)，在此過程中要求信號(hào)光與本振光彼此保持相同的偏振裝，由于本振光的偏振方向是由光源來決定，并使之保持恒定，然而經(jīng)過單模光纖傳送的信號(hào)光則受到張力，側(cè)壓力和溫度變化等因素的影響，使得接收端所接收的信號(hào)光的偏振態(tài)隨時(shí)間而變化，這樣偏振態(tài)隨機(jī)變化的信號(hào)光與偏振態(tài)一致的本振光相互混合時(shí)，便產(chǎn)生了隨機(jī)變化的偏振噪聲。噪聲嚴(yán)重時(shí)，即信號(hào)光與本振光正交時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)消失的現(xiàn)象，從而影響正常通信，

42、因此在相干光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須采取必要的措施，減少偏振噪聲。 634. 反射噪聲反射噪聲在光纖傳輸路徑上總會(huì)存在一些光器件與光纖的耦合和光纖與光纖接續(xù)點(diǎn)等。而在這些點(diǎn)出其折射率是不均勻的，這樣當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過時(shí)，便會(huì)引起光反射。當(dāng)這種反射光進(jìn)入信號(hào)光源和本振光源時(shí)，便會(huì)造成激光器光譜寬度的隨機(jī)變化，從而產(chǎn)生反射噪聲，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)辜す馄魈幱诙嗫v模工作狀態(tài)之下，進(jìn)而嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。因而要求在相干光通信系統(tǒng)中的信號(hào)光源處和本振光源處都使用光隔離器件，以減小反射噪聲的影響 645. 光纖中的非線性效應(yīng)光纖中的非線性效應(yīng)當(dāng)在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)功率過大時(shí)，對(duì)相干光通信系統(tǒng)而言，可能產(chǎn)生的非線性效應(yīng)有受激

43、拉曼散射（SRS）、受激布里淵散射（SBS）、非線性折射和四波混頻。由于受激拉曼散射具有加高的閥值（500mW），因而它不會(huì)對(duì)單信道相干光系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但對(duì)多信道復(fù)用相干光通信系統(tǒng)，卻必須考慮其影響，受激布里淵散射，也是一種非線性效應(yīng)：只是其閥值較低（僅幾毫克），因而在功率小于10mW的單信道相干光通信系統(tǒng)中，一般不會(huì)產(chǎn)生影響，而對(duì)于功率大于10mW情況下，在系統(tǒng)中則需考慮其影響。若系統(tǒng)是多信道復(fù)用相干光系統(tǒng)，則需格外注意四波混頻可能對(duì)系統(tǒng)的限制問題。 656.光光纖纖色色散散光纖色散將引起脈沖展寬，從而限制直接檢測(cè)（IM/DD）光波系統(tǒng)的比特率-距離乘積（BL）。光纖色散同樣也影響相干系統(tǒng)的

44、性能，不過它的影響要比IM/DD系統(tǒng)的小，其原因是在相干系統(tǒng)中，使用窄線寬單縱模半導(dǎo)體激光器，并使用外腔調(diào)制器避免了頻率啁啾的影響。另外，在相干系統(tǒng)中，也使用中頻（IF）電子均衡技術(shù)補(bǔ)償光纖的色散。有人已就光纖色散對(duì)傳輸信號(hào)的影響作了計(jì)算，圖8-15表示幾種相干光波系統(tǒng)功率代價(jià)與無量綱復(fù)合參數(shù) | |B2L的關(guān)系。2圖8-15級(jí)中相干系統(tǒng)色散代價(jià)與無量綱色散參數(shù)的關(guān)系66在所有情況中，判決電路前使用的低通濾波器是二階巴特沃茲（Butterworth）濾波器50，該濾波器3dB帶寬等于65%的比特率。由圖可見，光纖色散以相同的方法影響所有調(diào)制方式的相干系統(tǒng)的性能，雖然影響的程度各不相同。CPFS

45、K和MSK調(diào)制方式（碼頻間距小于比特率）的功率代價(jià)隨色散增加而增加得更快。對(duì)所有的情況系統(tǒng)性能取決于B2L，而不是BL。除CPFSK和MSK之外的所有其他調(diào)制方式，當(dāng) | | B2L 0.1時(shí)，功率代價(jià)小于1dB。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)光纖，在1.55微米附近， =-20ps/km，因此 B2L被限制到5000（Gv/s）km。對(duì)于比特率接近6Gb/s，傳輸距離主要受光纖損耗限制，而不是光纖色散。在比特率超過8Gb/s后，系統(tǒng)性能完全由色散控制，B = 10 Gb/s，被限制到50km 。若系統(tǒng)工作在靠近零色散波長(zhǎng)附近 (| | 2ps/km) ， B2L可以提高一個(gè)量級(jí)。此時(shí)系統(tǒng)被損耗限制到20Gb/s。

46、當(dāng)使用放大器使傳輸距離增加到1000km時(shí)，即使比特率較小，色散也變成了一個(gè)限制因素。如以前提到的那樣4849，假如色散變成了一個(gè)主要限制因素，可使用電或光均衡技術(shù)來補(bǔ)償色散影響4951。22267與直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，盡管相干檢測(cè)系統(tǒng)具有接收靈敏度高和頻率選擇性好的特點(diǎn)，而且可以通過對(duì)結(jié)合搜集中的本振光頻率的調(diào)諧，以達(dá)到對(duì)待定頻率的光載波進(jìn)行接收，從而實(shí)現(xiàn)通信間隔小至1-10GHz的密集頻分復(fù)用，以此來充分利用光纖帶寬，實(shí)現(xiàn)超高容量的傳輸，但因存在上述不利因素的影響，實(shí)現(xiàn)起來技術(shù)復(fù)雜、成本較高，特別要解決好光源和光纖中的幾個(gè)針對(duì)性的關(guān)鍵問題，相干光通信系統(tǒng)的實(shí)用階段才可以到來 681.高性能的

47、半導(dǎo)體激光器高性能的半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是相干光通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要光器件，根據(jù)其性質(zhì)可知，它必須具備高頻率穩(wěn)定度和極窄光譜寬度等技術(shù)指標(biāo) （1）頻率穩(wěn)定性）頻率穩(wěn)定性 通過對(duì)相干光通信系統(tǒng)基本原理的分析，我們知道系統(tǒng)中所通過對(duì)相干光通信系統(tǒng)基本原理的分析，我們知道系統(tǒng)中所采用的載波光頻率與本振光的頻率必須保持很高的穩(wěn)定性，其光采用的載波光頻率與本振光的頻率必須保持很高的穩(wěn)定性，其光源的微小變化，將會(huì)對(duì)中頻產(chǎn)生巨大的影響，使之存在相位噪聲。源的微小變化，將會(huì)對(duì)中頻產(chǎn)生巨大的影響，使之存在相位噪聲。因此需要對(duì)載波光源和本振光源的穩(wěn)定度做出規(guī)范。一般要求其因此需要對(duì)載波光源和本振光源的穩(wěn)定度做

48、出規(guī)范。一般要求其穩(wěn)定度高于穩(wěn)定度高于10。就目前的技術(shù)水平而言，在實(shí)用中使用大量的穩(wěn)。就目前的技術(shù)水平而言，在實(shí)用中使用大量的穩(wěn)定度如此高的光源。的確還存在一定的難度，但通過利用光電反定度如此高的光源。的確還存在一定的難度，但通過利用光電反饋環(huán)，卻可以達(dá)到對(duì)光源進(jìn)行絕對(duì)穩(wěn)頻，或相對(duì)穩(wěn)頻，從而保證饋環(huán)，卻可以達(dá)到對(duì)光源進(jìn)行絕對(duì)穩(wěn)頻，或相對(duì)穩(wěn)頻，從而保證了系統(tǒng)性能。人們會(huì)問了系統(tǒng)性能。人們會(huì)問“什么叫絕對(duì)穩(wěn)頻？什么叫絕對(duì)穩(wěn)頻？“”“”什么叫相對(duì)穩(wěn)頻？什么叫相對(duì)穩(wěn)頻？“?！八鼈冇质侨绾螌?shí)現(xiàn)的？它們又是如何實(shí)現(xiàn)的？”，下面就逐一地進(jìn)行介紹。，下面就逐一地進(jìn)行介紹。69A 絕對(duì)穩(wěn)頻絕對(duì)穩(wěn)頻 所謂絕對(duì)穩(wěn)

49、頻是指以某些原子、分子的吸收或輻射作為頻率所謂絕對(duì)穩(wěn)頻是指以某些原子、分子的吸收或輻射作為頻率基準(zhǔn)的自動(dòng)頻率控制方法，它是用吸收譜線的微分曲線作為鑒頻基準(zhǔn)的自動(dòng)頻率控制方法，它是用吸收譜線的微分曲線作為鑒頻使用，當(dāng)激光器的輸出頻率因某種原因而發(fā)生偏移時(shí)，則可從吸使用，當(dāng)激光器的輸出頻率因某種原因而發(fā)生偏移時(shí)，則可從吸收譜線的微分曲線上反映出來，隨后啟動(dòng)自動(dòng)頻率控制裝置，促收譜線的微分曲線上反映出來，隨后啟動(dòng)自動(dòng)頻率控制裝置，促使頻率返回到原規(guī)定值，通常所能達(dá)到的頻率穩(wěn)定度為使頻率返回到原規(guī)定值，通常所能達(dá)到的頻率穩(wěn)定度為10-10，可，可將半導(dǎo)體激光器的頻偏控制在幾個(gè)兆赫以內(nèi)。將半導(dǎo)體激光器的

50、頻偏控制在幾個(gè)兆赫以內(nèi)。B 相對(duì)穩(wěn)頻相對(duì)穩(wěn)頻 所謂相對(duì)穩(wěn)頻是指使用法布里所謂相對(duì)穩(wěn)頻是指使用法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具作為頻率基準(zhǔn)的自珀羅標(biāo)準(zhǔn)具作為頻率基準(zhǔn)的自動(dòng)頻率控制方法，由于達(dá)布里動(dòng)頻率控制方法，由于達(dá)布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具珀羅標(biāo)準(zhǔn)具在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有頻率鑒別能力，這樣一旦頻率產(chǎn)生偏移，則比較器便給出一誤有頻率鑒別能力，這樣一旦頻率產(chǎn)生偏移，則比較器便給出一誤差信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)頻率控制裝置，通常可獲得差信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)頻率控制裝置，通常可獲得10的頻率穩(wěn)定的頻率穩(wěn)定度，半導(dǎo)體激光器的頻偏可控制在幾百兆以內(nèi)。度，半導(dǎo)體激光器的頻偏可控制在幾百兆以內(nèi)。70(2) 譜線寬度譜線寬

51、度由前面的分析可知，相位噪聲對(duì)相干光通信系統(tǒng)的系統(tǒng)性能影響很大，它可以使半導(dǎo)體激光器的光譜譜線展寬，從而導(dǎo)致結(jié)合搜集靈敏度的下降。由此可見，必須使系統(tǒng)中的信號(hào)光和本振光的相位噪聲盡量小，輸出譜線寬度盡量小，這樣才能獲得使系統(tǒng)保持良好，工作狀態(tài)的接收機(jī)靈敏度指標(biāo)。在理想情況下，即使不存在相位噪聲時(shí)，系統(tǒng)中的信號(hào)光和本振光也應(yīng)保持單頻。另外，系統(tǒng)中所采用的調(diào)制方式和系統(tǒng)傳輸速率均對(duì)光源的光譜寬度構(gòu)成影響。圖8-16給出了在BER =10時(shí)系統(tǒng)對(duì)光源光譜寬度的要求。從圖中可以看出，不同調(diào)制方式對(duì)光源寬度的要求， 圖8-16 在BER=10下各種相干光通信方式對(duì)光源譜寬的要求 71現(xiàn)以1 Gbit/s

52、速率為例進(jìn)行說明，在PSK零差檢測(cè)中，由于相位噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響很小，因而對(duì)光源光譜寬度的限制最為嚴(yán)格，要求光譜寬度小于200 kHz；對(duì)在采用外差包絡(luò)檢測(cè)方式的ASK 和 FSK系統(tǒng)中，相位噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響相對(duì)于零差檢測(cè)而言要小一些，因而對(duì)光源光譜寬度的要求放寬到 50 MHz，然而當(dāng)光源光譜寬度增加時(shí)，又會(huì)致使系統(tǒng)中的接收靈敏度下降，嚴(yán)重時(shí)便造成系統(tǒng)無法正常工作的局面。由此可見，系統(tǒng)中接收機(jī)的接收光功率與相干光通信方式和光源光譜寬度密切相關(guān)。在圖 8-17中給出速率在 560 Mbit/s，BER = 10-10情況下，不同相干光通信方式對(duì)接收信號(hào)光功率和光源光譜寬度的要求，從圖中可

53、以看出，對(duì)PSK零差檢測(cè)的要求最高，要求其光源的光譜寬度小于 100kHz，而對(duì) ASK，F(xiàn)SK包絡(luò)檢測(cè)光源光譜寬度只要求約 200MHz左右。72圖8-17 560Mbit/s,BER=10-10下各種相干光通信方式對(duì)接受光功率和光源譜寬的要求732. 相位分集接收技術(shù)相位分集接收技術(shù)圖8-18 相位分集接受為了降低相位噪聲，則要求在相干光通信系統(tǒng)中，采用單縱模、光譜寬度窄、頻率可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器作為光源，即使如此，相位噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響仍不能忽視，因而在實(shí)際中可以在接收端采用如圖8-18 所示的相位分集接收技術(shù)來解決噪聲問題。從圖中可以看出，信號(hào)光與本振光經(jīng)光耦合分路器后，分成具有不同

54、相位移的多路光信號(hào)，分別經(jīng)各自的光電檢測(cè)器檢測(cè)后，獲得各路電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)處理后，將它們迭加起來，當(dāng)經(jīng)過理想處理之后，可使迭加起來的總信號(hào)電流與 無關(guān)。 LS74圖8-18 相位分集接受下面以零差檢測(cè)雙路相位分集接收為例來加以說明。這時(shí)信號(hào)光與本振光耦合后被分成兩路，如果它們之間存在一個(gè)/2的相位移，那么這兩路信號(hào)電流分別正比于 cos（ ）和sin（ ），當(dāng)兩路信號(hào)電流被分別平方再迭加時(shí)，則其結(jié)果就與相位信息（ ）無關(guān)。實(shí)驗(yàn)充分表明，在采用多路相位分集接收的零差相干通信系統(tǒng)中，光源的光譜寬度可以放寬到接近碼率而系統(tǒng)的接收靈敏度沒有表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。LSLSLS753. 平衡接收技術(shù)平衡接收技術(shù)為了降低強(qiáng)度噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，使用圖8-19所示的雙路平衡接收技術(shù)。從