第八章 相干光通信系统.ppt

第八章相干光纤通信系统 8 1相干光通信技术的基本原理8 1 1基本概念8 1 2相干光通信基本原理8 2相干检测8 2 1本地振荡器8 2 2零差检测8 2 3外差检测8 2 4信噪比 SNR 8 3光接收机8 3 2调制的实现 8 4光纤接收机8 4 1外差接收机8 4 2零差接收8 5系统性能8 5 1异步解调外差系统8 5 2外差同步解调系统8 5 3零差系统8 5 4野外试验8 5 5影响灵敏度下降的因素8 6关键技术 返回 2 引言 迄今为止 所有实用化的光纤系统都是采用非相干的强度调制 直接检测 IM DD 方式 这类系统成熟 简单 成本低 性能优良 已经在电信网中获得广泛的应用 并仍将继续扮演主要的角色 然而 这种IM DD方式没有利用光载波的相位和频率信息 无法像传统的无线通信那样实现外差检测 从而限制了其性能的进一步改进和提高 随着光通信技术的发展 人们很自然地想到无线电技术中的外差接受方式 因此 出现了采用外差接受方式的通信系统即外差光通信系统 又称相干光通信系统 3 8 1相干光通信技术的基本原理 8 1 1基本概念 强度调制 直接检波系统 虽然可以通过高码速来实现大容量传输 而且具有调制 解调较容易的优点 但是 从理论上来讲 这种调制系统所采用的光源不是理论上单一频率的相干光源 而有相当的频宽 对这种由一个频带组成的光源进行强度调制 调整个信号的光强 显然 已调信号就具有相当宽的带宽 当然 相对于光纤本身的传输带宽来讲 仍然是个窄频带 另外 在强度调制中 仅仅利用了光的振幅参量 相当于早期无线电通信中采用火花发射机那样 是一种噪声通信系统 它的传输容量和中断距离都受到限制 相干光通信系统则采用单一频率的相干光做光源 载波 沿用无线电技术中早已实现的相干通信方式 再配合幅移键控 ASK 频移键控 FSK 相移键控 PSK 等调制方式 实现一种新型的光纤通信方式 这就是理论上具有先进性的外差光纤通信系统 4 相干光通信系统原理如图8 1所示 与强度调制 直接检测系统相比 其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的本级振荡器 简称本振 和光混频器 8 1相干光通信技术的基本原理 图8 1相干光通信系统原理框图 在相干光通信系统传输的信号可以是模拟信号 也可以是数字信号 无论何种信号 其工作原理均可以用图8 1来加以说明 5 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 调制方式有很多种 将光信号通过调幅 调频或调相的方式被调制 设调制频率为 s 到光载波上的 当该信号传输到接收端时 首先与频率为 L本振光信号进行相干混合 然后由光电检测器进行检测 这样获得了中频频率为 IF s L的输出电信号 因为 IF 0 故称该检测为外差检测 那么当输出信号的频率 IF 0 即 s L 时 则称之为零差检测 此时在接收端可以直接产生基带信号 8 1相干光通信技术的基本原理 6 根据平面波的传播理论 可以写出接收光信号Es t 和本振光信号E t 的复数电场分布表达式为 8 1 1 8 1 2 式中 Es 接收光信号的电场幅度值 EL 本振光信号电场幅度值 s 接收光信号的相位调制信息 L 本振光的相位的调制信息 8 1相干光通信技术的基本原理 7 当Es t 和EL t 彼此相互平行 均匀地入射到光电监测器表面上时 由于总入射光强I正比于 Es t EL t 即 8 1 3 式中 R为光电监测器的相应度 PS PL分别为接收光信号和本振光信号 一般情况下PL PS 这样式 8 1 3 可以简化成 8 1 4 从上式中可以看出 其中第一项为与传输信息无关的直流项 因而经外差检测后的输出信号电流为 8 1 4 中的第二项 很明显其中含发射端传送信息 8 1 5 对零差检测 IF 0输出信号电流为 8 1 6 8 1相干光通信技术的基本原理 8 从式 8 1 5 和式 8 1 6 可以清楚地看到 1 即使接收光信号功率很小 但由于输出电流与成正比 仍能够通过增大PL而获得足够大的输出电流 这样 本振光相干检测中还起到了光放大的作用 从而提高了信号的接收灵敏度 2 由于在相干检测中 要求 S L随时保持常数 IF或0 因而要求系统中所使用的光源具备非常高的频率稳定性 非常窄的光谱宽度以及一定的频率调谐范围 8 1相干光通信技术的基本原理 9 3 无论外差检测还是零差检测 其检测根据都来源于接收光信号与本振光信号之间的干涉 因而在系统中 必须保持它们之间的相位锁定 或者说具有一致的偏振方向 按上面的分析 相干光纤通信系统的基本框图如图8 2所示 由图可以清楚地看出 该系统由光发射机 光纤和光接收机组成 8 1相干光通信技术的基本原理 图9 2相干光通信系统结构图 10 8 2相干检测 相干光通信系统与强度调制 直接检测系统相比 其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的本级振荡器 简称本振 和光混频器 11 8 2 1本地振荡器 相干光波系统是信号光在接收端射到光电探测器之前用另外一个光波与它相干地混频 如图8 3所示 图8 3光相干检测原理图 12 在接收端 借用无线电通信文献中的术语 把产生本地光波的窄线宽激光器称作本地振荡器 LO LocalOscillator 为了说明接收到的光信号与本地光混合后如何提高接收机的性能 让我们首先考虑接收光信号的光场 8 1 1 式中 S是载波频率 ES是幅值 s是相位 与接收光信号光场类似 本振光的光场是 8 1 2 式中EL L和 L分别是本振光的幅值 频率和相位 假定信号光和本振光极化相同 均可以不考虑它们的相位 8 2 1本地振荡器 13 图8 3中的光电探测器只响应强度 Es t E t 因为光功率与光强成正比 接收光功率可由P K Es t E t 给出 式中K是比例常数 从 8 1 1 和 8 1 2 式 可以得到I t 表达式 8 1 7 8 1 8 角频率与中频 IF IntermediateFrequency 的关系式是 当时 要想恢复基带信号 首先 必须把接收光信号载波频率转变为中频 典型值为0 1 5GHz 然后再把该中频转变成基带信号 这种相干检测称作外差检测 当时 可以把接收到的光信号直接转变成基带信号 这种方式称作零差检测 下面对此分别加以讨论 8 2 1本地振荡器 14 8 2 2零差检测 零差检测时 选择本振光光频 L与信号光载波频率 0相同 所以 F 0 使用式 8 1 7 光电探测器产生的光电流是 8 1 3 式中I RP R是探测器灵敏度 通常 所以 8 1 3 式中最后一项包含要传送的信息 考虑到本振光相位被锁定在信号光相位上 因此 L S 此时 零差信号由下式给出 8 1 4 由此式可看出零差检测的优点 假如 我们注意到直接检测的信号电流为 由此可见 零差检测平均电信号功率比直接检测的信号功率增加倍 既然 通常 所以该值将增加几个数量级 虽然散粒噪声也增加了 但是零差检测仍可提高信噪比 SNR 许多倍 15 零差检测的缺点是它对相位的变化非常敏感 因为 8 1 3 式中 最后一项 L包含本振光相位 很显然 L应被控制 理想情况下 除强调相位 L和 S应该保持常数 实际上 L和 S随时间随机摆动 不过 通过相位锁定环路 它们的差 S L 几乎可以保持恒定 然而 这种锁定环路的实现并不容易 所以使零差接收机的设计相当复杂 此外 还要求信号光和本振光频率匹配 因此 对这两种光源提出苛刻的要求 使用下节讨论的外差检测可以解决这些问题 8 2 2零差检测 16 8 2 3外差检测 在外差检测情况下 选择本振光频 L与信号载波光频 S不同 使其外差落在微波范围内 因为I RP 所以 8 1 7 式可以表示成检测电流的表达式 8 1 10 通常 所以第一项可认为是直流常数 很容易被滤除 此时外差信号由下面的交流项给出 8 1 11 与零差检测类似 因为该式中本振光PL的出现 接收到的光信号被放大了 从而提高了SNR 然而 SNR的改进要比零差检测低两倍 3dB 引起3dB代价的原因是信号功率与交流电流的平方成正比 以及 8 1 11 式中cos的出现 但是 3dB代价带来的优点是接收机设计相对简单 因为不再需要光相位锁定环路 虽然 S LPL和的随机变化仍需要使用窄线宽的信号和本振光半导体激光器 然而异步解调方式对线宽的要求相当放松 这种特性使外差检测方式在实际相干光波系统中的实现变得容易 17 8 2 4信噪比SNR 相干检测技术用于光波系统的优点 可用接收机信噪比 SNR Signal to NoiseRatio 定量地描述 为了这个目的 我们首先直接检测接收机 因为散粒噪声和热噪声使接收机光电流在起伏摆动 总噪声功率为 8 1 12 式中 8 1 14 8 1 13 式中Id是暗电流 是接收机噪声等效带宽 是绝对温度T时的热能量 是负载电阻 8 1 13 式中的I是探测器产生的总电流 并由 8 1 3 式 零差检测 或 8 1 10 式 外差检测 给出 18 平均信号功率除以平均噪声功率就可以得到SNR 外差检测时 SNR由下式给出 8 1 15 有零差检测时 假如 8 1 3 式中 S L SNR则是 8 1 15 式的两倍 相干检测的主要优点从式 8 1 15 可以看出 因为在接收机可以控制本振光频率PL 使它足够大 即 8 1 16 从而使接收机噪声由散粒噪声所支配 即 在相同的条件下 暗电流也可以忽略 Id RPL 于是由散粒噪声限制的SNR由下面式子给出 8 1 17 式中R 使用相干检测 即使对于通常受热噪声支配限制的PIN接收机也可以达到受散粒噪声限制的SNR 8 2 4信噪比SNR 19 SNR可用单个比特时间内接收到的平均光子数Np表示 平均信号功率与的关系为 hvB 式中B为比特率 通常 f B 2 将Ps和 f代入 8 1 17 式 可得到SNR的最简表达式 SNR 2 8 1 18 对于零差检测 SNR是上式的两倍 由SNR 给出 8 2 4信噪比SNR 20 8 3光接收机 使用相干检测技术的主要优点是对接收光信号的幅度和相位进行检测和测量 该特性允许对光载波幅度 相位或频率进行调制来发送信息 在模拟通信系统中 有三种调制方式 即幅度调制 AM 频率调制 FM 和相位调制 PM 在数字通信系统中 也有三种调制方式 即幅移键控 ASK Amplitude ShiftKeying 相移键控 PSK Phase ShiftKeying 和频移键控 FSK Frequency ShiftKeying 如果基带数字信号只用来控制光载波的幅度大小 称幅移键控 ASK 最简单的ASK就是 1 码时发送光载波 0 码时不发送光载波 称通断键控 OOK 如果基带数字信号只用来控制光载波的频率 成频移键控 FSK 此时 1 码时送出一个光载波频率f1 0 码时送出另一个光载波频率 根据前后载波相位是否连续 又分为相位不连续的FSK和相位连续的FSK 即CPFSK 此时 1 码和 0 码分别送出两个相位不一样 通常相差180度的信号 如果送的是前后相位的变化量 例如 1 码时光载波相位改变180度 0 码时不变 则称差分相移键控 DPSK 此外 还有一种载波恢复的PSK方式 称CRPSK方式 21 图8 4表示三种数字调制方式的图解 下面我们分别介绍每种数字调制方式并讨论它在实际光波系统中的实现 图8 4ASK PSK和FSK调制方式比较 快速震荡波形表示光载波频率或相位的变化 8 3光接收机 22 1 幅移键控 ASK 调制 式 8 1 1 的实数部分表示与光信号有关的电场 它的表达式是 8 2 1 式中 As是幅值 s是相位 0是中心频率 在ASK方式中 s保持不变 对幅值进行调制 对于二进制数字信号调制 在大多数实际情况下 0 码传输时 As 0 1 传输时 As 1 此时称ASK方式为通断键控 OOK 以区别于非相干数字光波系统的IM DD方式 8 3光接收机 23 相干系统ASK的实现与第五章讨论的直接检测系统不同 后者是直接调制LED或半导体激光器 而前者需用外控调制器来实现 其原因是在相干ASK调制中 要求相位 s保持恒定不变 如果使用直接强度调制 幅度的变化将引起相位的变化 这在ASK相干系统中是不允许的 但是 对于IM DD系统 探测器的相应只与光强有关 而与相位无关 所以采用直接强度调制 ASK相干系统的实现 可以使半导体激光器的工作电流恒定不变 使用一个外腔调制器对光信号进行调制 使它的输出随输入的基带信号变化 因为外腔调制器插入损耗的存在 要付出一定的功率代价 对于好的外腔调制器 插入损耗小于1dB 8 3光接收机 1 幅移键控 ASK 调制 24 通常使用的外腔调制器有钛扩散的LiNbO3波导马赫 曾德尔 Mac Zehnder 调制器 像LiNbO3这样的电光材料 它的折射率指数随外电压而变化 电压引起折射率变化 从而破坏了该干涉仪的相长特性 因此在一个臂上引起了附加相位变化 结果是使通过光的强度见效 作为一个特例 当两臂间的相位差等于时 出现了相消干涉 此时光不会通过调制器 其结果是调制器的输出光信号随电比特流而变化 外腔调制器的性能由消光比和调制带宽度量 LiNbO3调制器的消光比大于20 调制带宽可达20GHz 利用半导体材料的电子吸收效应也可以制成外腔调制器 在调制电压为4 5伏时 调制带宽也可达20GHz 消光比接近20dB 1 幅移键控 ASK 调制 8 3光接收机 25 2 相移键控 PSK 调制 相移键控调制时 调制 8 2 1 式中的光载波相位 产生光比特流 而保持光载波的幅值不变 如图8 4 c 对于二进制PSK 相位通常取0和两个值 电脉冲为 0 码时 光脉冲为0相 电脉冲为 1 码时 光脉冲为相 PSK调制方式必须使用相干检测 因为 假如光信号不与本振光混频而直接检测 那么所有的信息将会丢失 8 3光接收机 26 实现相移键控 要求一个使光相位随施加信号电压改变的外腔调制器 这种调制器使用的物理机理是光电折射原理 任何具有适当晶向的电光晶体都可以被用作相位调制器 实际上通常使用LiNbO3晶体 设计一个LiNbO3相位调制器要比设计一个ASK外腔调制器简单得多 因为不再需要马赫 曾德尔干涉仪 使用单个波导即可 相移与折射率变化的关系是 8 2 2 式中lm是施加的电压引起折射率变化的波导长度 折射率指数变化 n与施加的电压成正比 选择 n使 在比特出现期间内 施加所需要的电压 可使光载波的相差达到 使用半导体材料也可制造相位调制器 尤其是当使用多量子阱 MQW 结构时 因为这种结构的电光折射效应增强了 所以该相位调制器能够在1 3 1 6微米波长范围内 在几个Gb S的调制速率下工作 例如有一种1 5微米的MQW相位调制器 可在10Gb S的速率下工作 施加2 5伏的电压就可以得到180 相 的相位差 使用半导体相位调制器的主要优点是它们可与光发射LD集成在一起 8 3光接收机 27 为了在接收端正确地取出相位信息 要求光载波的相位保持稳定 这种要求对发射和本振光激活器的线宽提出苛刻的要求 使用差分相移键控 DPSK DifferentialPhase ShiftKeying 可以放松对线宽的要求 在DPSK情况下 使用两相邻比特间的相位差对信息编码 例如 设 k代表第K个比特Kth的相位 当Kth为 1 码时 使 当Kth为 0 码时 使 就可以实现DPSK调制 DPSK的优点是只要在两个比特传输期间 光载波相位保持相对稳定 就可以成功地解调出传输信号 8 3光接收机 28 3 频移键控 FSK 调制 当FSK调制时 改变载波频率 0本身 见式 8 2 1 可把信息编码在光载波上 对于二进制数字信号 0取两个值 即 1 码传输时 和 0 0 码传输时 称作频差 2 f称作频码间距 tonespacing 因为它代表 1 码和 0 码间的频率差 FSK方式的光场可以写成 8 2 3 式中加号和减号分别对应 1 码和 0 码的情况 注意到中括号内的式子可以改写成 所以FSK也可以认为是一种PSK调制 因为载波相位在线性变化 频差的选择与使用的带宽有关 FSK信号的总带宽约为2 2B 式中B为比特率 当 f B时 带宽趋近2 f 几乎与比特率无关 这种情况常常称作宽带FSK 当 f B时 带宽趋近2B 相应称作窄带FSK f B称作FM指数 是宽带FSK 1是窄带FSK 8 3光接收机 29 实现FSK要求一个能够改变入射光信号频率的调制器 LiNbO3电光材料能够产生一个与施加其上电压成正比的相差 在LiNbO3调制器上施加一个三角波 象锯齿形状的电压脉冲 就可实现FSK调制 因为线性相位的改变对应频率的改变 使用声波布拉格散射 BraggScattering 也可以实现FSK调制 这种调制器称作声光调制器 它们的使用有时并不方便 而且频差也较小 1GHz 通常实现FSK调制的最简单方法是对半导体激光器直接调制 我们知道 半导体激光器工作电流的改变一起发射光强和频率的改变 在ASK或OOK情况下 频率的变化使发射光脉冲产生尖峰 chirp 这是不希望发生的 但是相同的频率变化可被用来FSK调制 频率变化的典型值为0 1 1GHz mA 因此 小的工作电流变化 约1mA 就可以产生1GHz的频率变化 况且 该电流的变化相当小 以至相邻码的幅值几乎没有改变 8 3光接收机 3 频移键控 FSK 调制 30 相干传输常用DFB半导体激光器 以为它具有单纵横和窄线宽的优良特性 DFB激光器用于FSK调制时 在整个频带内FM响应应该平坦 遗憾的是它并非如此 半导体激光器通常在0 1 10MHz范围内 它的频率响应下降 如图8 5的下条曲线所示 图8 5典型DFB半导体激光器的调制响应 8 3光接收机 31 半导体激光器频率调制响应的不平坦 将影响FSK相干系统的性能 已有许多技术可以解决这个问题 一种技术是使用均衡电路 不过它常使调制效率降低 另一种新型的多腔DFB激光器可用来实现平坦的FM响应 图8 5的上条曲线表示两腔DFB激光器的FM响应 从图可见 当调制频率接近1GHz时 曲线开始下降 但是它的调制效率很高 使用三腔DFB激光器 可以实现100kHZ到15GHzFM的平坦响应 同时可保持单纵横和窄线宽 1MHz 特性 当通过直接调制实现FSK调制时 可以使 1 码和 0 码的频率 或相位 发生变化 FSK方式常常指的是相位连续频移键控 CPFSKContinuous PhaseFSK 当码频间距2 B 2 1 2 也称CPFSK为最小频移键控 MSK Minimum ShiftKeying 8 3光接收机 32 8 3 2调制的实现 在ASK相干系统中 由于要求 S保持恒定 所以职能使半导体激光器在一定注入电流下连续工作 这样用外调制方式 直接对其输出光进行调制 从而获得调制输出光 通常采用LiNbO3马赫干涉仪或定向耦合式的调制器 目前LiNbO3调制器的调制带宽可以高达20GHz 消光比超过20dB 在PSK相干系统中 由于需要对相位 S进行微调 同时要保持幅度As恒定 因而PSK调制也需要采用外调制器 可以利用LiNbO3晶体制成适合PSK调制用的相位调制器 也可以利用半导体材料来制作相位调制器 目前已经研究成功的量子阱半导体相位调制器 其调制电压为2 5伏 调制速率可达到10Gbit s 由于在PSK相干系统中 对光源的相位稳定性要求非常高 这样才能保证能从光信号中提取到相位上的信息 因而采用了PSK的一种变形方式 差分移相键控 DPSK 因为在DPSK中 调制器是根据相邻码是否相同 来确定光载波的相位变化 0或 可以刊出光载波的向在相邻两个码元之间保持相对稳定 这样便可以放松对光源的要求 33 在PSK相干系统中 既可采用直接调制方式 也可以采用外调制方式 前面讲过 如果要利用注入电流调制实现ASK的话 则注入电流的较大变化会使载波的相位 或频率 发生很大的变化 对于半导体激光器 通常这种注入电流所引起的频率变化在0 1 1GHz Ma 在FSK直接调制中正可以利用这种效应 以较小的电流 mA 变化 就可以产生1GHz的频移 同时由于电流变化很小 基本上可以保持信号幅度的不变 8 3 2调制的实现 34 8 4光纤接收机 根据相干检测的基本原理 可以由此勾画出相干光纤通信系统的基本框图 其发送端可以采用直接调制 也可以采用外调制方式 对光源载波进行幅度 频率或相位调制 在接收端 信号与本振光由1 1的光纤定向耦合器合路后送到光电二极管进行混频 其输出信号有可能是中频信号 也可以是基群信号 这完全由信号与本振光的关系决定 如果输出信号为中频信号 那么必须再经过进一步解调 才能恢复出原发送信号 因而称该接收机为外差接收机 而称经混频后直接输出基群信号的接收机为零差接收机 35 8 4 1外差接收机 外差同步解调接收机 外差接收机分为外差同步解调接收机和外差包络解调接收机 外差同步解调接收机的工作原理如图8 6所示 图8 6外差同步解调接收机示意图 8 4光纤接收机 36 由于本振光信号频率 l和信号光频率 s不相等 它们差一个频率 如 1GHz 这样经光电检测器输出的是中频信号 其频谱分布如图8 7 c 所示 为了恢复出基带信号 首先应让中频信号通过一个中频带通滤波器 中心频率为 IF 并将其分为两路 一路经过载波恢复电路 从而恢复出中频载波信号 同时与另一路的中频信号进行混频 最后由低通滤波器输出基带信号 其信号分析过程如图8 7所示 从理论上分析 外差同步解调接收系统应具有很高的接收灵敏度 但由于同步解调需要从中频信号中分离出中频载波 因而系统较为复杂 同时 系统对激光器谱宽的要求极高 通常要采用外腔半导体激光器 以确保光谱很窄的要求 就目前的实验水平 其系统灵敏度还不如下面将介绍的外差包络解调接收系统 8 4光纤接收机 37 8 4光纤接收机 图8 7外差同步解调信号分析过程 38 2 外差包络解调接收机 图8 8是外差包络解调接收机组成原理方框图 从图中可以看出 它不要求恢复中频 微波载波 而是通过使用包络检波和低通滤波 直接将经带通滤波输出的信号If t 转变为基带信号 从而使接收电路得以简化 送到判决电路的信号为 8 3 1 式中 和是高斯随机噪声成分 是散粒噪声引起的电流波动 其值由式 8 1 13 给出 图8 8外差包络解调接收机 8 4光纤接收机 39 图8 9表示外差异步解调接收机的两种解调方式 FSK双滤波接收机使用两个支路处理 1 码和 0 码FSK信号 因为 1 码和 0 码的载波频率不同 因此产生的中频也不同 只要码频间距比比特率足够大 1 码和 0 码频谱重叠就可以忽略 频宽差FSK 两个带宽滤波器 BPF 的中心频率之间的距离正好与码频间距相等 这样每个BPF只能让 1 码或 0 码通过 FSK双滤波接收机可以认为是由两个并行的ASK但滤波接收机组成 它们的输出在达判决电路之前混合 图6 6的单滤波接收机的带宽如果足够宽 以至于整个比特流可以通过的话 它也可被用于FSK解调 对码频间距小于或等于比特率的窄频差FSK信号 这种方式工作得很好 8 4光纤接收机 40 图8 9外差异步解调接收机a位FSK双滤波器法b为DPSK延迟解调法 8 4光纤接收机 41 异步解调不能用于PSK方式 因为发射光和本振光的相位没有被锁定 并随时间漂移 然而 使用图8 9 b 表示的延迟法可以对DPSK进行异步解调 基本想法是让接收到的比特流与延时了1比特的该比特流相乘 相乘后的信号会有cos K K 1 的成分 因为信息以相差 K K 1 被编码 K是第k个比特的相位 所以可被用来恢复基带信号 这种方式要求在相对短的期限内 几个比特周期 相位稳定 并使用窄线宽半导体激光器就可以实现 延时解调方式也可以用于CPSK 此时延时量取决于码频间距 并使延时后的信号相位偏差 8 4光纤接收机 42 图8 10为零差接收机的零差检测的信号频谱分析图 由此可见 在这种检测方式中 光信号是直接被转换成基带信号的 因而它既要求本振光与信号光的频率彼此相同 而且还要求它们的相位彼此锁定 因此在该系统中 需要使用光谱线非常窄的激光 同时要求在本振光和信号光之间采用锁相电路 即便如此 系统的接受灵敏度仍受到传输码速的影响 传输速率愈高 系统接收灵敏度越低 图8 10零差检测的信号频谱分析 8 4光纤接收机 43 8 5系统性能 自80年代以来 在实验室进行了大量的实验以便显示相干光波系统的潜力 主要目的是要证明相干接收机比IM DD接收机灵敏度更高 并允许接近量子极限工作 系统性能通常用BER 10时 每比特接收的平均光子数定量地进行描述 本节介绍在实验室进行的系统实验以及商业应用的野外试验 44 8 5 1异步解调外差系统 异步解调外差系统已引起人们极大的注意 因为它对发射和本振激光器的线宽要求相当宽松 以致可以使用DFB激光器 人们已对ASK FSK和DPSK调制方式的异步外差系统进行了实验 1990年的一个用短光纤传播的ASK实验表明 传输功率为4Gb s时 接收机灵敏度可达到175个光子 比特 该值仅与每比特40个光子的量子极限灵敏度差6 4dB 当用色散约为17ps nm km 的1 55微米标准光纤传输160km后 灵敏度下降仅1dB 该系统改用FSK和DPSK调制后 传输速率不变 仍为4Gb s 系统性能与ASK调制的比较如表8 1所示 试验原理图如图8 11所示 为了比较起见 也列出IM DD接收机的灵敏度 通常 即使采用APD接收 一般也超过1000个光子 比特 45 表8 1外差异步解调光波系统实验结果与量子极限比较 46 图8 114Gb s外差系统试验原理图 因为相干系统通常主要由光纤损耗所限制 使用光纤放大器周期性地补偿光纤损耗 可使传输距离增加 一个实验表明 每隔80km增加一个掺铒光纤放大器 EDFA 共用25个 使2 5Gb s系统的传输距离增加到2223km 47 8 5 2外差同步解调系统 外差同步接收机具有更高的灵敏度 然而实现起来也更困难 因为必须从接收到的数据中恢复微波载波以便同步解调 因为ASK和FSK方式的灵敏度提高很小 少于0 5dB 大部分实验集中在量子极限灵敏度为18个光子 比特的PSK调制方式 PSK方式的问题是 1 码和 0 码间的相位差180度时 载波被抑制了 因为此时的发射功率全部集中在调制边带中 该特性造成载波恢复的困难 一种解决方法是使相位差见效 典型值为150 160度 这样功率的百分之几仍保留在载波中 接收机可用它同步解调 48 相位噪声对外差同步接收机来说也是一个严重的问题 B比值必须小于5 这里是中频IF线宽 当比特率低于1Gb s时 激光器线宽应该小于2MHz 外腔半导体激光器常被用于同步系统实验 因为它们可以具有线宽小于0 1MHz的特性 使用二极管泵浦的Nd YAG激光器 线宽1kHz 波长1 32微米 已进行了几个实验 在一个实验中 比特率为4Gb s 接收机灵敏度为631个光子 比特 该值与18个光子 比特量子极限值相比 还差15 4dB 这主要是因为没有使用平衡混频接收 残留热噪声和强度噪声的影响 比特速率若降低到2Gb s 接收机灵敏度可提高到235个光子 比特但仍然远比不上3Gb s的外差异步接收机所达到的灵敏度 8 5 2外差同步解调系统 49 8 5 3零差系统 PSK零差系统具有能提供最高接收灵敏度的潜在能力 即量子极限值9个光子 比特 该系统的实现要求一个光相位锁定环路 用He Ne激光器 外差调制半导体激光器和Nd YAG激光器已进行了许多传输实验 现实了PSK零差系统的潜力 如表8 2所示 实验表明 接收机灵敏度与比特速率有关 随比特率增加Np也增加 但是色散代价可以忽略 50 表8 2零差同步解调光波系统实验结果与量子极限比较 51 8 5 4野外试验 任何新的技术在实用之前都必须通过野外试验进行测试 自1988年以来 已进行了相干光系统的几个野外试验 所有的试验都使用外差异步解调接收机 因为这种方式对激光器线宽的要求不高 同时实现起来也简单 大多数试验采用CPFSK调制方式 避免使用外腔调制器 从而简化了光发射机的设计 使用平衡混频极化分集外差接收机解调发送来的信号 野外试验包括测试陆上和海底相干系统的性能 在一个海底试验系统中 码速为560Mb s 调制方式为CPFSK 光缆长度为90km 在另外一个海底试验中 码速为2 5Gb s调制方式仍为CPFSK 因为使用光中继器 所以光纤长度达到431km 两个试验都表明 极化分集接收机在实际相干系统中是必不可少的 此外 接收机也采用了自动增益和频率控制电路 52 尽管野外试验是成功的 但是 相干光波系统仍然没有达到实用化的阶段 部分原因是相干光发射机和结合搜集结构复杂 可靠性差 把这些器件继承在单个硅片上可提高系统的可靠性 目前正在进行相干系统用光电集成电路的设计和试验 另外 光纤放大器的实用化减缓了人们对相干系统实用化的研究 因为在IM DD系统中使用这种放大器作为前置放大器可提高接收机的灵敏度 使之可与相干检测相比拟 但是 对于要求小的信道间距 10GHz 的多信道通信系统 仍需使用相干技术 8 5 4野外试验 53 图8 12 a 表示4Gb sPSK零差系统的实验原理图 8 5 4野外试验 54 图8 12 b 表示比特率为4Gb s的PSK零差传输比特误码率 BER 实验曲线及传输167km后的眼图 为了比较起见 也标出量子极限曲线 8 5 4野外试验 55 8 5 5影响灵敏度下降的因素 相位噪声 在相干光波系统中 导致灵敏度下降的主要因素是发射和本振激光器的相位噪声 其理由可分别从表示零差和外差接收机光电检测器产生的光电流的公式 8 1 3 和 8 1 10 中得到理解 因为光电检测过程的相干特性 相位的不稳定导致电流的不稳定 从而使SNR下降 因此要求零差和外差信号相位 S和本振光相位 L应该保持相对稳定 以避免灵敏度下降 用相干时间量度激光器相位保持相对稳定的这段时间 由于相干时间与激光器线宽成反比 通常使用线宽 比特率 B 来描述相位噪声对相干光波系统性能的影响 因为 S和 L的变化是互不相关的 激光器线宽实际应是发射机激光器线宽和本振激光器线宽之和 常常把叫做中频 IF 线宽 56 现在 让我们评价相位噪声的存在对BER的影响 并估计功率代价与 B的关系 常常用功率代价小于1dB时 与调制和解调方式有关 确定所允许的 B值 通常 零差接收机对线宽的要求更严 虽然不同的锁相环路对线宽的要求不同 但是典型的 B值应该小于5 以便获得小于1dB的功率代价 如果功率代价小于0 5dB B 1外差接收机 特别是ASK或FSK调制的异步解调方式 对线宽的要求是宽松的 对同步解调外差接收机 要求 B 5 甚至 ASK和FSK异步解调接收机 B可以超过0 1 其原因是这种接收机使用包络检波 见图8 8 不考虑相位信息 相位起伏的影响主要是展宽信号带宽 增加带宽滤波器 BPF 的带宽可以恢复信号 原则上 只要BPF带宽适当 任何线宽均是允许的 然而 必须付出代价 因为接收机噪声随BPF带宽的增加而增加 图6 8表示ASK和FSK调制的接收机灵敏度 用每比特平均光子数Np表示 随 B增加而降低的情况 8 5 5影响灵敏度下降的因素 57 差分相移键控与ASK和FSK相比 见图8 9 b 要求窄的线宽 其原因是信息包括在相邻比特间的相位差中 并且至少在两比特传输期间相位应该保持稳定 几种计算表明 通常功率代价小于1dB工作时 v B应该小于1 比特速率为1Gb s 线宽要小于10MHz 图8 13ASK和FSK异步解调外差接收机灵敏度NP与v B的关系 8 5 5影响灵敏度下降的因素 58 相干光波系统设计要求使用单纵横窄线宽的半导体激光器 而且 为了使光载波频率和本振光频率完全相等 或产生一个要求的中频 该激光器的频率应该至少在几个纳米的范围内可调 多腔分布式布拉格反射 DBR 激光器可以满足这些要求 单腔DFB激光器的有源区采用多量子阱设计可以获得窄线宽特性 外腔长800微米的DFB器件已达到270kHz的线宽 8 5 5影响灵敏度下降的因素 59 2 强度噪声 强度噪声对直接检测接收机性能的影响在多数实际情况下可被忽略 然而 对相干接收机却不然 为了理解强度噪声为什么在相干接收机中扮演着重要的角色 让我们在 8 1 12 式中增加强度噪声 1项 于是得到 8 4 1 式中 8 4 2 r1是本振激光器强度噪声 RIN 有关的参数 假如RIN频谱与接收机带宽 f一致 可用2 RIN f近似 用 8 4 1 和 8 1 15 我们得到 8 4 3 8 5 5影响灵敏度下降的因素 60 假如接收机工作在散粒噪声限制下 为了满足 8 1 16 式 本振光功率PL应该足够大 然而 从式 8 4 3 可知 PL对强度噪声的贡献是PL的平方 如果强度噪声变得与散粒噪声一样大 SNR就要减小 除非增加信号功率来抵消接收机噪声的增大 的增加正好是由本振激光器强度噪声引起的功率代价 加入结合搜集处于散粒噪声限制下 式 8 4 3 中暗电流和热噪声均可忽略 此时 强度噪声引起的功率代价 用dB表示 由下式给出 8 4 4 8 5 5影响灵敏度下降的因素 61 图8 14表示1 55微米相干接收机具有不同PL值的功率代价 1与相对强度噪声 RIN 的关系 当PL 1nW时 即使本振激光器的RIN 160Db Hz DFB半导体激光器也很难实现 功率代价也超过2dB 当本振激光器RIN 150dB Hz 功率代价就可以忽略 然而这样小的PL值不可能满足 8 1 16 式的要求 图8 14功率代价和相对强度噪声的关系 8 5 5影响灵敏度下降的因素 62 3 偏振噪声 由前面介绍的相干检测的工作原理可知 在外差检测中 信号光首先是通过与本振光进行相干混合 从而获得中频信号 然后再进行基带信号的恢复工作 而在零差检测中则是直接获得基带信号 在此过程中要求信号光与本振光彼此保持相同的偏振装 由于本振光的偏振方向是由光源来决定 并使之保持恒定 然而经过单模光纤传送的信号光则受到张力 侧压力和温度变化等因素的影响 使得接收端所接收的信号光的偏振态随时间而变化 这样偏振态随机变化的信号光与偏振态一致的本振光相互混合时 便产生了随机变化的偏振噪声 噪声严重时 即信号光与本振光正交时 会出现信号消失的现象 从而影响正常通信 因此在相干光通信系统设计中 必须采取必要的措施 减少偏振噪声 8 5 5影响灵敏度下降的因素 63 4 反射噪声 在光纤传输路径上总会存在一些光器件与光纤的耦合和光纤与光纤接续点等 而在这些点出其折射率是不均匀的 这样当光信号经过时 便会引起光反射 当这种反射光进入信号光源和本振光源时 便会造成激光器光谱宽度的随机变化 从而产生反射噪声 严重时甚至会使激光器处于多纵模工作状态之下 进而严重影响系统性能 因而要求在相干光通信系统中的信号光源处和本振光源处都使用光隔离器件 以减小反射噪声的影响 8 5 5影响灵敏度下降的因素 64 5 光纤中的非线性效应 当在光纤中传输的光信号功率过大时 对相干光通信系统而言 可能产生的非线性效应有受激拉曼散射 SRS 受激布里渊散射 SBS 非线性折射和四波混频 由于受激拉曼散射具有加高的阀值 500mW 因而它不会对单信道相干光系统产生影响 但对多信道复用相干光通信系统 却必须考虑其影响 受激布里渊散射 也是一种非线性效应 只是其阀值较低 仅几毫克 因而在功率小于10mW的单信道相干光通信系统中 一般不会产生影响 而对于功率大于10mW情况下 在系统中则需考虑其影响 若系统是多信道复用相干光系统 则需格外注意四波混频可能对系统的限制问题 8 5 5影响灵敏度下降的因素 65 6 光纤色散 光纤色散将引起脉冲展宽 从而限制直接检测 IM DD 光波系统的比特率 距离乘积 BL 光纤色散同样也影响相干系统的性能 不过它的影响要比IM DD系统的小 其原因是在相干系统中 使用窄线宽单纵模半导体激光器 并使用外腔调制器避免了频率啁啾的影响 另外 在相干系统中 也使用中频 IF 电子均衡技术补偿光纤的色散 有人已就光纤色散对传输信号的影响作了计算 图8 15表示几种相干光波系统功率代价与无量纲复合参数 B2L的关系 图8 15级中相干系统色散代价与无量纲色散参数的关系 66 在所有情况中 判决电路前使用的低通滤波器是二阶巴特沃兹 Butterworth 滤波器 50 该滤波器3dB带宽等于65 的比特率 由图可见 光纤色散以相同的方法影响所有调制方式的相干系统的性能 虽然影响的程度各不相同 CPFSK和MSK调制方式 码频间距小于比特率 的功率代价随色散增加而增加得更快 对所有的情况系统性能取决于B2L 而不是BL 除CPFSK和MSK之外的所有其他调制方式 当 B2L 0 1时 功率代价小于1dB 对于标准光纤 在1 55微米附近 20ps km 因此B2L被限制到5000 Gv s km 对于比特率接近6Gb s 传输距离主要受光纤损耗限制 而不是光纤色散 在比特率超过8Gb s后 系统性能完全由色散控制 B 10Gb s 被限制到50km 若系统工作在靠近零色散波长附近 2ps km B2L可以提高一个量级 此时系统被损耗限制到20Gb s 当使用放大器使传输距离增加到1000km时 即使比特率较小 色散也变成了一个限制因素 如以前提到的那样 48 49 假如色散变成了一个主要限制因素 可使用电或光均衡技术来补偿色散影响 49 51 8 5 5影响灵敏度下降的因素 67 与直接检测系统相比 尽管相干检测系统具有接收灵敏度高和频率选择性好的特点 而且可以通过对结合搜集中的本振光频率的调谐 以达到对待定频率的光载波进行接收 从而实现通信间隔小至1 10GHz的密集频分复用 以此来充分利用光纤带宽 实现超高容量的传输 但因存在上述不利因素的影响 实现起来技术复杂 成本较高 特别要解决好光源和光纤中的几个针对性的关键问题 相干光通信系统的实用阶段才可以到来 8 5 5影响灵敏度下降的因素 68 高性能的半导体激光器 8 6关键技术 半导体激光器是相干光通信系统中的一个重要光器件 根据其性质可知 它必须具备高频率稳定度和极窄光谱宽度等技术指标 1 频率稳定性通过对相干光通信系统基本原理的分析 我们知道系统中所采用的载波光频率与本振光的频率必须保持很高的稳定性 其光源的微小变化 将会对中频产生巨大的影响 使之存在相位噪声 因此需要对载波光源和本振光源的稳定度做出规范 一般要求其稳定度高于10 就目前的技术水平而言 在实用中使用大量的稳定度如此高的光源 的确还存在一定的难度 但通过利用光电反馈环 却可以达到对光源进行绝对稳频 或相对稳频 从而保证了系统性能 人们会问 什么叫绝对稳频 什么叫相对稳频 它们又是如何实现的 下面就逐一地进行介绍 69 A绝对稳频所谓绝对稳频是指以某些原子 分子的吸收或辐射作为频率基准的自动频率控制方法 它是用吸收谱线的微分曲线作为鉴频使用 当激光器的输出频率因某种原因而发生偏移时 则可从吸收谱线的微分曲线上反映出来 随后启动自动频率控制装置 促使频率返回到原规定值 通常所能达到的频率稳定度为10 10 可将半导体激光器的频偏控制在几个兆赫以内 B相对稳频所谓相对稳频是指使用法布里 珀罗标准具作为频率基准的自动频率控制方法 由于达布里 珀罗标准具在很宽的波长范围内具有频率鉴别能力 这样一旦频率产生偏移 则比较器便给出一误差信号 同时驱动自动频率控制装置 通常可获得10的频率稳定度 半导体激光器的频偏可控制在几百兆以内 8 6关键技术 70 2 谱线宽度 由前面的分析可知 相位噪声对相干光通信系统的系统性能影响很大 它可以使半导体激光器的光谱谱线展宽 从而导致结合搜集灵敏度的下降 由此可见 必须使系统中的信号光和本振光的相位噪声尽量小 输出谱线宽度尽量小 这样才能获得使系统保持良好 工作状态的接收机灵敏度指标 在理想情况下 即使不存在相位噪声时 系统中的信号光和本振光也应保持单频 另外 系统中所采用的调制方式和系统传输速率均对光源的光谱宽度构成影响 图8 16给出了在BER 10时系统对光源光谱宽度的要求 从图中可以看出 不同调制方式对光源宽度的要求 图8 16在BER 10下各种相干光通信方式对光源谱宽的要求 71 现以1Gbit s速率为例进行说明 在PSK零差检测中 由于相位噪声对系统性能的影响很小 因而对光源光谱宽度的限制最为严格 要求光谱宽度小于200kHz 对在采用外差包络检测方式的ASK和FSK系统中 相位噪声对系统性能的影响相对于零差检测而言要小一些 因而对光源光谱宽度的要求放宽到50MHz 然而当光源光谱宽度增加时 又会致使系统中的接收灵敏度下降 严重时便造成系统无法正常工作的局面 由此可见 系统中接收机的接收光功率与相干光通信方式和光源光谱宽度密切相关 在图8 17中给出速率在560Mbit s BER 10 10情况下 不同相干光通信方式对接收信号光功率和光源光谱宽度的要求 从图中可以看出 对PSK零差检测的要求最高 要求其光源的光谱宽度小于100kHz 而对ASK FSK包络检测光源光谱宽度只要求约200MHz左右 8 6关键技术 72 图8 17560Mbit s BER 10 10下各种相干光通信方式对接受光功率和光源谱宽的要求 8 6关键技术 73 2 相位分集接收技术 图8 18相位分集接受 为了降低相位噪声 则要求在相干光通信系统中 采用单纵模 光谱宽度窄 频率可调谐的半导体激光器作为光源 即使如此 相位噪声对系统性能的影响仍不能忽视 因而在实际中可以在接收端采用如图8 18所示的相位分集接收技术来解决噪声问题 从图中可以看出 信号光与本振光经光耦合分路器后 分成具有不同相位移的多路光信号 分别经各自的光电检测器检测后 获得各路电信号 再经过信号处理后 将它们迭加起来 当经过理想处理之后 可使迭加起来的总信号电流与无关 8 6关键技术 74 图8 18相位分集接受 下面以零差检测双路相位分集接收为例来加以说明 这时信号光与本振光耦合后被分成两路 如果它们之间存在一个 2的相位移 那么这两路信号电流分别正比于cos 和sin