相干光通信系統的關鍵技術及其應用

一、相干光通信的基本工作原理

　　相干光通信系統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。我們知道無線電技術中相干通信具有接收靈敏度高的優點，相干光通信技術同樣具有這個特點，采用該技術的接收靈敏度可比直接檢測技術高18dB。同時，相干光接收機可以采用如同外差收音機那樣，在其內部設置一臺本地激光器。稍微改變本地激光器的光頻，就可改變所選擇的信道。早期，研究相干光通信時要求采用保偏光纖作傳輸介質，因為光信號在常規光纖線路中傳輸時其相位和偏振面會隨機變化，要保持光信號的相位、偏振面不變就需要采用保偏光纖。但是后來發現，光信號在常規光纖中傳輸時，其相位和偏振面的變化是慢變化，可以通過接收機內用偏振控制器來糾正，因此仍然可以用常規光纖進行相干通信，這個發現使相干光通信的前景呈現光明。

　　與強度調制一直接檢測系統不同，相干光纖通信系統在光接收機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光波在滿足波前匹配和偏振匹配的條件下，進行光電混頻?；祛l后輸出的信號光波場強和本振光波場強之和的平方成正比，從中可選出本振光波與信號光波的差頻信號。由于該差頻信號的變化規律與信號光波的變化規律相同，而不像直檢波通信方式那樣，檢測電流只反映光波的強度，因而，可以實現幅度、頻率、相位和偏振等各種調制方式。根據本振光波的頻率與信號光波的頻率是否相等可以將相干光通信系統分為兩類：當本振光頻率和信號光頻率之差為一非零定值時，該系統稱為外差接收系統；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，稱為零差接收系統。但不管采用何種接收方式其根本點是外差檢測。

二、相干光通信系統的優點

　　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性等特點。由以上介紹的相干光通信系統的基本原理分析且與IM/DD系統相比，得出相干光通信系統具有以下獨特的優點：

　?。ㄒ唬╈`敏度高，中繼距離長

　　相干光通信的一個最主要的優點是能進行相干探測，從而改善接收機的靈敏度。在相干光通信系統中，經相干混合后輸出光電流的大小與信號光功率和本振光功率的乘積成正比。

　?。ǘ┛梢允褂秒娮訉W的均衡技術來補償光纖中光脈沖的色散效應

　　如將外差檢測相干光通信中的中頻濾波器的傳輸（轉載自論文之家http://www.papershome.com，請保留此標記。）函數正好與光纖的傳輸函數相反，即可降低光纖色散對系統的影響。

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

三、相干光通信系統中的主要關鍵技術

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　　相干光纖通信系統中對信號光源和本振光源的要求比較高，它要求光譜線窄、頻率穩定度高。光源本身的諾線寬度將決定系統所能達到的最低誤碼率，應盡量減小，同時半導體激光器的頻率對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，為使頻率穩定，除注入電流和溫度穩定外，還應采取其他主動穩頻措施，使光頻保持穩定。為使半導體激光器具有譜線窄、頻率穩定度高的特點，人們采取了很多的方法來使光源滿足相干通信的要求。

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

　　1．平衡接收法。在FSK制式中，由于半導體激光器在調制過程中，難免帶有額外的幅度調制噪聲，利用平衡接收方法可以減少調幅噪聲。平衡法的主要思想是當光信號從光纖進入后，本振光經偏振控制以保證與信號的偏振狀態相適應，本振光和信號光同時經過方向精合器分兩路，分別輸入兩個相同的PIN光電檢測器，使得兩個光電檢測器輸出的是等幅度而反相的包絡信號，再將這兩個信號合成后，使得調頻信號增加一倍，而寄生的調幅噪聲相互抵消，直流成分也抵消，達到消除調幅噪聲影響的要求。

　　2．相位分集接收法。除了調幅噪聲外，如果本振光相位和信號光相位有相對起伏，就將產生相位噪聲，嚴重影響接收效果。針對這種影響，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和本振光分成三路，本振光的三路信號相位分別為0、120°、240°，因此，盡管信號與本振光之間有相對相位的隨機起伏，將三路信號合成后，仍能保持恒定，可以減免相位噪聲的影響，同時這種技術可以用于零差接收系統而不采用光鎖相。

　　3．偏服控制技術。前面已經指出：相干光通信系統接收端必須要求信號光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混頻效果，提高接收質量。信號光經過單模光纖長距離傳輸后，偏振態是隨機起伏的，為了解決這個問題，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，相位和偏振面會隨機變化，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，價格也非常昂貴；偏振控制器主要是使信號光和本振光同偏，這種方法響應速度比較慢，環路控制的要求也比較高；偏振分集接收主要是利用信號光和本振光混頻后，由偏振分束元件將混合光分成兩個相互垂直的偏振分量，本振光兩個垂直偏振分量由偏振控制器控制，使兩個分量功率相等，這樣當信號光中偏振隨機起伏也許造成其中一個分支中頻信號衰落，但另一個分支的中頻信號仍然存在，所以該系統最后得到的解調信號幾乎和信號光的偏振無關，該技術響應速度比較快，比較實用，但實現比較復雜。

四、在超長波長光纖通信系統中的應用

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　　光纖的種類按光纖的工作波長分：短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。短波長光纖是指0.8～0.9nm的光纖；長波長光纖是指1.0～1.7nm的光纖；而超長波長光纖則是指2nm以上的光纖。超長波長光纖通信系統是以超長波長光纖作為傳輸介質，利用相干光通信技術實現超長距離通信。在該系統中超長波長光纖是至關重要的。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分之一因此，超長波長光纖可以實現數萬公里傳輸，而不要中繼站。它可以大幅度降低通信成本，提高系統的穩定性和可靠性，對海底通信和沙漠地區更具有特別重要的意義。

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　　從外部輸入的光信號和本地激光器產生的光信號同時疊加在光電管的接收面。與此不同的是，再直接檢測接收機中，接收信號直接入射在光電管上。在相干接收機中，如接受的信號頻率與本地光信號頻率相同的稱為零差接收機，反之為外差接收機。光波的疊加可以簡單表示為:
　　 （1） 其中是本地光波的電場分量。與直接檢測接收機一樣，光電管電流與輸入的光功率成正比。假設采用光電管，其輸出端電流為：
　　 （2） 有且三項光電流
　　 （3） 在相干接收機中有用。至于頻率的變化，若采用零差接收機，入射光信號與本地光信號的混頻會產生一個基帶信號；而外差接收機中，為一中頻信號。該中頻為本地光頻與入射光頻之差。公式（2）中的第一項和第二項實際上可以通過濾波器或采用平衡接收機（兩個光電二極管而不是一個）來消除。類似于直接檢測接收機的恒定噪聲功率譜密度，零差或外差相干光接收機的噪聲功率譜密度為:
　　 （4）現在考慮信號功率、噪聲功率和SNR得到:
　　 （5） （6） 和 （7） 公式（7）只適用于簡化相干接收機的情形，從公式（6）看，相干接收機輸出端的噪聲功率與所接收的功率電平和所加的調制無關。故而，噪聲與信號無關是相干光通信系統的特點，也是與直接檢測光通信系統相比，前者所具有的優點。

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　　目前研究的超長波長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現零色散。例如，由鎬、鋁等組成的氟化物光纖，在1.7nm可實現零色散，在4nm波長的色散也很小，只有45ps/nm。而且，氟化物玻璃光纖在較寬的波長范圍內，比石英光纖的色散要低。這樣就可在大范圍內實現無中繼傳輸。

　　通過利用超長波長光纖來實現超長距離通信是今后光纖通信發展的重要方向之一，但是隨著光纖通信技術的發展，超長波長光纖通信系統還存在許多需要進一步解決的技術問題，如超長波長光纖的材料提純與拉制，采用相干光通信技術所要求的超長波長光源及超長波長相干光電檢波器等。除以上應用外，由于相干光通信的出色的信道選擇性和靈敏度，其在頻分復用以CATV分配網中的應用性也得到了很大的提高。

　　五、結語

　　相干光通信以其獨特的優點，在光纖通信中得到了廣泛的應用，不僅在點對點系統中繼續向著更高速更長距離的方向發展，特別是在海底通信上有著巨大的市場潛力。除了新型高效激光器，新型相干檢測技術也是系統發展的關鍵，采用新型檢測技術降低光源對系統整體性能的影響，自適應光學、偏振分集等新型接收方法的引入，提高了系統響應速度，更進一步完善其應用。