第八章相干光通信系统ppt课件.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IF0，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PLPS, ,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，Local Oscillator），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 = KEs（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，Intermediate Frequency）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-Noise Ratio）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（IdRPL），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= hv B，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-Shift Keying），相移键控（PSK，Phase-Shift Keying）和频移键控（FSK，Frequency-Shift Keying）。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8-4 ASK,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，Differential Phase-Shift Keying）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。2f称作频码间距（tone spacing），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fB时，带宽趋近 2f，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（Bragg Scattering）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15GHz FM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（CPFSK Continuous-Phase FSK）。当码频间距2 =B/2( =1/2)，也称CPFSK为最小频移键控（MSK，Minimum-Shift Keying）。,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8-11 4Gb/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8-13 ASK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 = -150 dB/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