《相干光通信技术》PPT课件

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1、第五讲相干光通信技术目前的光纤通信系统，都是采用光强调制-直接检测(IM-DD)方式。这种方式的优点是：调制和解调简单，容易实现，因而成本较低。但是这种方式没有利用光载波的频率和相位信息，限制了系统性能的进一步提高。相干光通信，像传统的无线电和微波通信一样，在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制；在接收端则采用零差检测或外差检测，这种检测技术称为相干检测。与IMD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20dB，相当于在相同发射功率下，若光纤损耗为0.2dB/km，则传输距离增加100km。同时，采用相干检测，可以更充分利用光纤带宽。我们已经看到，在光频分复用(OFDM)中，

2、信道频率间隔可以达到10GHz以下，因而大幅度增加了传输容量。所谓相干光，就是两个激光器产生的光场具有空间叠加、相互干涉性质的激光。实现相干光通信，关键是要有频率稳定、相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器。7.5.1相干检测原理图中示出相干检测原理方框图，光接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后，光场发生干涉。由光检测器输出的光电流经处理后，以基带信号的形式输出。图7.38相干检测原理方框图光检测器电信号处理基带信号本地光振荡器混频器wL信号光wS图7.38相干检测原理方框图光检测器电信号处理基带信号本地光振荡器混频器wL信号光wS单模光纤的传输模式是基模H

3、E11模，接收机接收的信号光其光场可以写成：ES=ASexp［-i(ωSt+φS)］(7.26)式中,AS、ωS和φS分别为信号光的幅度、频率和相位。同样，本振光的光场可以写成EL=ALexp［-i(ωLt+φL)］(7.27)式中,AL为本振光的幅度、ωL为本振光的频率φL为本振光的相位。保持信号光的偏振方向不变，控制本振光的偏振方向，使之与信号光的偏振方向相同。本振光的中心角频率ωL应满足ωL=ωS-ωIF或ωL=ωS+ωIF(7.28)式中，ωIF是中频信号的频率。这时的光功率P与光强

4、ES+ＥL

5、2成比例：P=K

6、ES+EL

7、2(7.29)式中，K为常数。式中,PS=

8、KA2S,PL=KA2L,ωIF=ωS-ωL。显然，式(7.30)右边最后一项是中频信号功率分量，它实际上是叠加在PS和PL之上的一种缓慢起伏的变化，如图7.39所示。由式(7.26)～式(7.29)，根据模式理论和电磁理论计算的结果，输出光功率近似为：P(t)≈PS+PL+2cos[ωIFt+(φS-φL)](7.30)图7.39干涉后的瞬时光功率变化由此可见，中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或相位信息。在发射端，无论采取什么调制方式，都可以从接收端的中频功率分量反映出来。所以，相干光接收方式是适用于所有调制方式的通信体制。相干检测有零差检测和外差检测两种方式。图7.

9、39干涉后的瞬时光功率变化1.零差检测选择ωL=ωS，即ωIF=0，这种情况称为零差检测。这时，滤去直流分量，中频信号产生的光电流为I(t)=cos(φS-φL)(7.31)零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为：42PSPL/(2PS2)=4PL/PS。通常PL>>PS，同时考虑到本振光相位锁定在信号光相位上，即φL=φS，这样便得到零差检测的信号光电流为：IP=(7.32)式中，为光检测器的响应度。由于PL>>PS，零差检测接收光功率可以放大几个数量级。虽然噪声也增加了，但是灵敏度仍然可以大幅度提高。零差检测技术非常复杂，因为相位变化非常灵

10、敏，必须控制相位，使φS-φL保持不变，同时要求ωL和ωS相等。与零差检测相似，外差检测接收光功率细节丰富了，从而提高了灵敏度。外差检测信噪比的改善比零差检测低3dB，但是接收机设计相对简单，因为不需要相位锁定。2.外差检测选择ωL≠ωS，即ωIF=ωS-ωL>0，这种情况称为外差检测。通常选择fIF(=ωIF/2π)在微波范围(例如1GHz)。这时外差检测中频信号产生的光电流为：Iac(t)=cos[ωIFt+(φS-φL)](7.33)7.5.2调制和解调如前所述，相干检测技术主要优点是：可以对光载波实施幅度、频率或相位调制。对于模拟信号，有三种调制方式，即幅度调制(AM

11、)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。对于数字信号，也有三种调制方式，即幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。图7.40示出ASK、PSK和FSK调制方式的比较，下面分别介绍这三种调制方式。图7.40ASK、PSK和FSK调制方式比较。1.幅移键控(ASK)基带数字信号只控制光载波的幅度变化，称为幅移键控(ASK)。ASK的光场表达式：ES(t)=AS(t)cos［ωSt+φS］(7.34)式中,AS为光场的幅度、ωS为光场的中心角频率和φS为光场的相位。在ASK中，φS保持不变