相干光光纖通信系統

相干光光纖通信系統是在接收端使用一個本振光源對接收信號進行相干解調的一種新型的光纖通信系統。

基本介紹

• 中文名：相干光光纖通信系統
• 外文名：coherent optical fiber com-municationsystem
• 套用學科：光纖通信技術

簡介

相干光是指在時間或空間的任意點，特別是在垂直於傳播方向的平面上的一個區域內，或在空間的一個特定點的所有時間上，所有參量皆可預測並相關的光。該系統的工作原理較常規光纖通信系統更加接近現代的無線電通信系統。在相干光光纖通信系統中數位訊號採用幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等調製方式。

當前實用的光纖通信系統都是採用光強調製/直接檢測(IM/DD)的方法來實現通信的。也就是把光作為載渡，信號對光載波進行強度調製接收時直接對光載波進行包絡檢測，恢 復傳送端的信號，完成通信。這種系統調製、解調容易，成本低，但是它沒有充分利用光 的相干性，頻帶利用率很低接收靈敏度不高，使系統的傳輸容量和中繼距離受到很大的限制。為了充分利用光的頻寬。人們又開始研究相干光纖通信系統。採用相干通信可以把光 頻段劃分為若干頻道，使光頻段得到充分利用。使用無線電通信中普遍採用的外差或零差接收方式並利用先進的調製方式實現通信，這樣大大提高了系統的傳輸容量和無中繼傳輸 距離是光纖通信領域的又一重要飛躍。

相干光纖通信的基本原理

與IM/DD系統相比，主要差別是在光接收機中增加了本地振盪光源。當本振光波的頻率與信號光渡的頻率之差為一定值時。該過程稱為外差接收；當本振光波的頻率和相位與信號光波的頻率和相位相同時，稱為零差接收。但它們的根本點是外差檢測。外差(或零差)相干光通信系統主要由三個部分組成，即光發射端、光纖傳輸線路和光接收端。在傳送端，光源輸出頻率為fs的光波，此光波在調製器中被傳送電端機輸出的信號所調製(信號調製到光載渡上)然後送入光纖傳輸。經光纖傳輸至接收端後通過相位控制器使已調光波的偏振態與頻率為fs+fm的本振光波的偏振態相一致，然後在光混頻器(光功率耦合器)上進對於IM/DD系統，在發射端通過對光載波的強度進行直接調製而獲得調製光信號，在接收端利 用光檢測器直接將光信號轉變為電信號，檢測器的光電流正比於信號光功率。而在相干光通信系統中，中頻信號電流的平方正比於信號光功率與本振光功率之積。由於本振光功率遠大於信號光功率，所以通過提高本振光功率，使混頻後的中頻信號得到了增益，使接收機的靈敏度大大提高。而且由於增加了本振光源，可以方使地選擇中頻，所以相干通信又具有選擇性好的優點。外差(或零差)相干光通信系統的原理如圖1所示：

主要特點

①靈敏度高：相干解調得到的信號幅度和本振光幅度成正比。由於本振光源的功率可比信號功率大得多，所以得到的信號幅度將比直接檢測時大很多。光檢測量子噪聲也被成比例地放大，由於光檢測器和接收機熱噪聲幅度維持不變，就極大地提高了接收信噪比，隨之也提高了接收靈敏度。另外，採用頻移鍵控或相移鍵控這些優良的調製方式還可使靈敏度進一步提高。一般相干接收系統的接收靈敏度可以比常規光纖通信系統的高10～20dB；②選擇性好：常規光纖通信系統進行多路傳輸，必須用光學方法進行濾波。和無線電通信系統類似，在相干光通信系統中本振光與信號光作用得到中頻，而在中頻可以使用電濾波器。由於電濾波比光學濾波的選擇性高很多，因此相干接收系統有者極好的選擇性。這就可以充分利用石英光纖低損耗視窗，實現頻分復用和高密度波分復用的多信道傳輸。

基本構成

相干光光纖通信系統的構成如圖所示。傳送端光波振盪器發出頻率f0的光波，此光波在調製器中被電端機（傳送）的信號所調製，然後送入光纖。傳輸至接收端後，與接收端光波振盪器輸出的頻率為f0+△f的光波同時送入混頻器進行混頻，得到頻率為△f的中頻輸出。此中頻經過中頻放大與解調，即送入接收電端機，得到所需的信號。

輸出光波 接收光波

圖2 相干光光纖通信系統示意圖

關鍵技術

相干光光纖通信系統的關鍵部件是光源。對傳送光源的基本要求是相干性好和頻率穩定性高。一般使用具有特殊結構的穩定的單縱模工作的半導體雷射器。對本振光源要求相干性好和頻率穩定性高，還要求其頻率可在一定範圍內調諧以跟蹤信號光頻率。

信號的調製方法分為兩種：內調製和外調製。內調製是對雷射器注入電流進行小信號調製，常在頻移鍵控系統中使用。其主要特點是結構緊湊，要求雷射器的調製特性好。外調製是使用外調製器進行調製。其主要特點是調製特性好，損耗大，通常用於超高速系統。

在相干解調中，如信號光的偏振態相對於本振光的偏振態發生變化，檢測信號強度就要產生浮動，降低接收靈敏度。在傳輸中使用偏振保持光纖可以穩定輸出偏振態，但偏振保持光纖價格昂貴，其他性能也不如普通光纖，僅可用於特殊系統。實用系統中，可以使用自動跟蹤偏振控制器，也可使用偏振分集接收方法解決這一問題。

將信號光和本振光用光纖方向耦合器混合後，便可用普通光電檢測器進行差拍。如解調產生的差拍信號是中頻信號，則稱為外差系統。如差拍信號是基帶信號，則稱為零差系統》