第五1講相干光通信技術(shù)ppt課件

1、第五講第五講 相干光通信技術(shù)相干光通信技術(shù) 目前的光纖通信系統(tǒng)，都是采用光強(qiáng)調(diào)制目前的光纖通信系統(tǒng)，都是采用光強(qiáng)調(diào)制-直接檢測(cè)直接檢測(cè)(IM-DD)方式。方式。 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因而這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因而成本較低。但是這種方式?jīng)]有利用光載波的頻率和相位信息，成本較低。但是這種方式?jīng)]有利用光載波的頻率和相位信息， 限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。 相干光通信，像傳統(tǒng)的無線電和微波通信一樣，在發(fā)射相干光通信，像傳統(tǒng)的無線電和微波通信一樣，在發(fā)射端對(duì)光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制；在接收端則采用零端對(duì)光載波進(jìn)行幅度、頻率或

2、相位調(diào)制；在接收端則采用零差檢測(cè)或外差檢測(cè)，這種檢測(cè)技術(shù)稱為相干檢測(cè)。差檢測(cè)或外差檢測(cè)，這種檢測(cè)技術(shù)稱為相干檢測(cè)。 與與IMD方式相比，相干檢測(cè)可以把接收靈敏度提高方式相比，相干檢測(cè)可以把接收靈敏度提高20 dB，相當(dāng)于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為相當(dāng)于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為0.2 dB/km，則傳輸，則傳輸距離增加距離增加100 km。 同時(shí)，采用相干檢測(cè)，可以更充分利用光纖帶寬。我們已同時(shí)，采用相干檢測(cè)，可以更充分利用光纖帶寬。我們已經(jīng)看到，在光頻分復(fù)用經(jīng)看到，在光頻分復(fù)用(OFDM)中，信道頻率間隔可以達(dá)到中，信道頻率間隔可以達(dá)到10 GHz以下，因而大幅度增加了傳輸容量。以下

3、，因而大幅度增加了傳輸容量。 所謂相干光，就是兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)具有空間疊加、所謂相干光，就是兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)具有空間疊加、 相互干涉性質(zhì)的激光。相互干涉性質(zhì)的激光。 實(shí)現(xiàn)相干光通信，關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)相干光通信，關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定、 相位和偏振方相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器。向可以控制的窄線譜激光器。 7.5.1 相干檢測(cè)原理相干檢測(cè)原理 圖中示出相干檢測(cè)原理方框圖，光接收機(jī)接收的信號(hào)光圖中示出相干檢測(cè)原理方框圖，光接收機(jī)接收的信號(hào)光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場(chǎng)發(fā)生干涉。和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場(chǎng)發(fā)生干涉。 由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后

4、，以基帶信號(hào)的形式輸出。由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號(hào)的形式輸出。圖圖7.38 相干檢測(cè)原理方框圖相干檢測(cè)原理方框圖光檢測(cè)器光檢測(cè)器電信號(hào)電信號(hào)處置處置基帶信號(hào)基帶信號(hào)本地光本地光振蕩器振蕩器混頻器混頻器w wL信號(hào)光信號(hào)光w wS圖圖7.38 相干檢測(cè)原理方框圖相干檢測(cè)原理方框圖光檢測(cè)器光檢測(cè)器電信號(hào)電信號(hào)處置處置基帶信號(hào)基帶信號(hào)本地光本地光振蕩器振蕩器混頻器混頻器w wL信號(hào)光信號(hào)光w wS 單模光纖的傳輸模式是基模單模光纖的傳輸模式是基模HE11模，接收機(jī)接收的信模，接收機(jī)接收的信號(hào)光其光場(chǎng)可以寫成：號(hào)光其光場(chǎng)可以寫成： ES=ASexp-i(St+S) (7.26)式中式中

5、, AS、S和和S分別為信號(hào)光的幅度、頻率和相位。分別為信號(hào)光的幅度、頻率和相位。 同樣，本振光的光場(chǎng)可以寫成同樣，本振光的光場(chǎng)可以寫成 EL=ALexp-i(Lt+L) (7.27) 式中式中, AL為本振光的幅度、為本振光的幅度、L為本振光的頻率為本振光的頻率L為本振光的為本振光的相位。相位。 保持信號(hào)光的偏振方向不變，控制本振光的偏振方向，保持信號(hào)光的偏振方向不變，控制本振光的偏振方向， 使之與信號(hào)光的偏振方向相同。使之與信號(hào)光的偏振方向相同。 本振光的中心角頻率本振光的中心角頻率L應(yīng)滿足應(yīng)滿足 L=S-IF或或L=S+IF (7.28)式中，式中，IF是中頻信號(hào)的頻率。是中頻信號(hào)的頻率

6、。 這時(shí)的光功率這時(shí)的光功率P與光強(qiáng)與光強(qiáng)|ES+L|2成比例：成比例： P=K|ES+EL|2 (7.29)式中，式中， K為常數(shù)。為常數(shù)。式中式中, PS=KA2S, PL=KA2L, IF=S-L。 顯然，式顯然，式(7.30)右邊最后一項(xiàng)是中頻信號(hào)功率分量，它實(shí)右邊最后一項(xiàng)是中頻信號(hào)功率分量，它實(shí)際上是疊加在際上是疊加在PS和和PL之上的一種緩慢起伏的變化，如圖之上的一種緩慢起伏的變化，如圖7.39 所示。所示。 由式由式(7.26)式式(7.29)，根據(jù)模式理論和電磁理論計(jì)算的結(jié)，根據(jù)模式理論和電磁理論計(jì)算的結(jié)果，輸出光功率近似為：果，輸出光功率近似為： P(t)PS+PL+2 co

7、sIFt+(S-L) (7.30)LsPP圖圖7.39 干涉后的瞬時(shí)光功率變化干涉后的瞬時(shí)光功率變化 (wLwS)PLPStP 由此可見，中頻信號(hào)功率分量帶有信號(hào)光的幅度、頻率或由此可見，中頻信號(hào)功率分量帶有信號(hào)光的幅度、頻率或相位信息。在發(fā)射端，無論采取什么調(diào)制方式，都可以從接收相位信息。在發(fā)射端，無論采取什么調(diào)制方式，都可以從接收端的中頻功率分量反映出來。所以，相干光接收方式是適用于端的中頻功率分量反映出來。所以，相干光接收方式是適用于所有調(diào)制方式的通信體制。所有調(diào)制方式的通信體制。 相干檢測(cè)有零差檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種方式。相干檢測(cè)有零差檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種方式。圖圖7.39 干涉后的瞬時(shí)光功

8、率變化干涉后的瞬時(shí)光功率變化 (wLwS)PLPStP1. 零差檢測(cè)零差檢測(cè) 選擇選擇L=S，即，即IF=0，這種情況稱為零差檢測(cè)。這時(shí)，這種情況稱為零差檢測(cè)。這時(shí)， 濾去直流分量，中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為濾去直流分量，中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為 I(t)= cos (S-L) (7.31)LSPP2 零差檢測(cè)信號(hào)平均光功率與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之零差檢測(cè)信號(hào)平均光功率與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為：比為： 4 2PS PL/ (2PS2) = 4PL/ PS。 LSPP2 通常通常PLPS，同時(shí)考慮到本振光相位鎖定在信號(hào)光相位，同時(shí)考慮到本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上，即上，即L=S，這樣便得到零

9、差檢測(cè)的信號(hào)光電流為：，這樣便得到零差檢測(cè)的信號(hào)光電流為： IP = (7.32) 式中，式中，為光檢測(cè)器的響應(yīng)度。為光檢測(cè)器的響應(yīng)度。 由于由于PLPS，零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。，零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。 零差檢測(cè)技術(shù)非常復(fù)雜，因?yàn)橄辔蛔兓浅ｌ`敏，零差檢測(cè)技術(shù)非常復(fù)雜，因?yàn)橄辔蛔兓浅ｌ`敏， 必須控必須控制相位，制相位， 使使S-L保持不變，同時(shí)要求保持不變，同時(shí)要求L和和S相等。相等。 與零差檢測(cè)相似，外差檢測(cè)接收光功率細(xì)節(jié)豐富了，從與零差檢測(cè)相似，外差檢測(cè)接收光

10、功率細(xì)節(jié)豐富了，從而提高了靈敏度。而提高了靈敏度。 外差檢測(cè)信噪比的改善比零差檢測(cè)低外差檢測(cè)信噪比的改善比零差檢測(cè)低3dB，但是接收機(jī)，但是接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰辔绘i定。設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰辔绘i定。 2. 外差檢測(cè)外差檢測(cè) 選擇選擇LS，即，即IF=S-L0，這種情況稱為外差檢，這種情況稱為外差檢測(cè)。通常選擇測(cè)。通常選擇fIF(=IF/2)在微波范圍在微波范圍(例如例如1GHz)。這時(shí)外。這時(shí)外差檢測(cè)中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為：差檢測(cè)中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為： Iac(t)= cos IFt+(S-L)LSPtP)(2(7.33) 7.5.2 調(diào)制和解調(diào)調(diào)制和解調(diào) 如前所述，相干檢測(cè)

11、技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是：可以對(duì)光載波實(shí)施如前所述，相干檢測(cè)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是：可以對(duì)光載波實(shí)施幅度、頻率或相位調(diào)制。幅度、頻率或相位調(diào)制。 對(duì)于模擬信號(hào)，有三種調(diào)制方式，即幅度調(diào)制對(duì)于模擬信號(hào)，有三種調(diào)制方式，即幅度調(diào)制(AM)、頻、頻率調(diào)制率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制和相位調(diào)制(PM)。 對(duì)于數(shù)字信號(hào)，也有三種調(diào)制方式，即幅移鍵控對(duì)于數(shù)字信號(hào)，也有三種調(diào)制方式，即幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控頻移鍵控(FSK)和相移鍵控和相移鍵控(PSK)。 圖圖7.40 示出示出ASK、PSK和和FSK調(diào)制方式的比較，下面分別調(diào)制方式的比較，下面分別介紹這三種調(diào)制方式。介紹這三種調(diào)制方式。 圖圖 7.40 ASK、 PSK

12、和和FSK調(diào)制方式比較。調(diào)制方式比較。 100110(a)(b)(c)(d)電 二 進(jìn)制 信 號(hào)ASKPSKFSK1. 幅移鍵控幅移鍵控(ASK) 基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的幅度變化，稱為幅移鍵控基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的幅度變化，稱為幅移鍵控(ASK)。ASK的光場(chǎng)表達(dá)式：的光場(chǎng)表達(dá)式： ES(t)=AS(t)cosSt+S (7.34)式中式中, AS為光場(chǎng)的幅度、為光場(chǎng)的幅度、S為光場(chǎng)的中心角頻率和為光場(chǎng)的中心角頻率和S為光場(chǎng)為光場(chǎng)的相位。在的相位。在ASK中，中，S保持不變，只對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)制。保持不變，只對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)制。 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制，在大多數(shù)情況下，對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制，

13、在大多數(shù)情況下，“0” 碼傳碼傳輸時(shí)，使輸時(shí)，使AS=0，“1碼傳輸時(shí)，使碼傳輸時(shí)，使AS=1。 ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)，這樣只有相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)，這樣只有輸出光信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)而變化，而相位保持不變。輸出光信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)而變化，而相位保持不變。 如果采用直接光強(qiáng)調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外如果采用直接光強(qiáng)調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外調(diào)制器通常用鈦擴(kuò)散的鈮酸鋰調(diào)制器通常用鈦擴(kuò)散的鈮酸鋰(Ti: LiNbO3)波導(dǎo)制成的馬赫波導(dǎo)制成的馬赫-曾德爾曾德爾(MZ)干涉型調(diào)制器，如圖干涉型調(diào)制器，如圖3.37所示。所示。 當(dāng)消光比大于當(dāng)消光比大于2

14、0時(shí)，該調(diào)制器的調(diào)制帶寬可達(dá)時(shí)，該調(diào)制器的調(diào)制帶寬可達(dá)20 GHz。圖圖 3.37 馬赫馬赫 - 曾德爾干涉儀型調(diào)制器曾德爾干涉儀型調(diào)制器信號(hào)電壓電極輸出光電光晶體光波導(dǎo)輸入光2. 相移鍵控相移鍵控(PSK) 基帶信號(hào)只控制光載波的相位變化，稱為相移鍵控基帶信號(hào)只控制光載波的相位變化，稱為相移鍵控(PSK)。 PSK的光場(chǎng)表達(dá)式為：的光場(chǎng)表達(dá)式為： ES(t)=AScosSt+(t) (7.35) 在在PSK中，中，AS保持不變，只對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制。傳輸保持不變，只對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0碼碼和傳輸和傳輸“1碼時(shí)，分別用兩個(gè)不同相位碼時(shí)，分別用兩個(gè)不同相位(通常相差通常相差180)表示。表示。

15、如果傳輸如果傳輸“0時(shí)，光載波相位不變，傳輸時(shí)，光載波相位不變，傳輸“1碼時(shí)，相位改碼時(shí)，相位改變變180，這種情況稱為差分相移鍵控，這種情況稱為差分相移鍵控(DPSK)。 與與ASK使用的使用的MZ干涉型調(diào)制器相比，設(shè)計(jì)干涉型調(diào)制器相比，設(shè)計(jì)PSK使用的相使用的相位調(diào)制器要簡(jiǎn)單得多。這種調(diào)制器只要選擇適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，位調(diào)制器要簡(jiǎn)單得多。這種調(diào)制器只要選擇適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，就可以使相位改變就可以使相位改變=。但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，。但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，因此對(duì)發(fā)射和本振激光器的譜寬要求非?？量?。因此對(duì)發(fā)射和本振激光器的譜寬要求非?？量?。3. 頻移鍵控頻移鍵控(FSK) 基

16、帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的頻率，稱為頻移鍵控基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的頻率，稱為頻移鍵控(FSK)。 FSK的光場(chǎng)表達(dá)式為：的光場(chǎng)表達(dá)式為： ES(t)=AScos(S )t+S (7.36） 在在FSK中，中，AS保持不變，只對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制。傳輸保持不變，只對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0碼和碼和傳輸傳輸“1碼時(shí)，分別用頻率碼時(shí)，分別用頻率f0(=0/2)和和f1(=1/2)表示。表示。 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用(S- )和和(S+ )分別表示分別表示“0碼和碼和“1碼。碼。 2 f(=2 /2)稱為碼頻間距。稱為碼頻間距。 在式在式(7.36)中，中，(S)t+S和和St+(S

17、t)是等是等效的，效的， 因此因此FSK可以認(rèn)為一種可以認(rèn)為一種PSK， 只是技術(shù)上有所不同。只是技術(shù)上有所不同。 相干檢測(cè)的解調(diào)方式有兩種：相干檢測(cè)的解調(diào)方式有兩種： 同步解調(diào)、異步解調(diào)。同步解調(diào)、異步解調(diào)。 零差檢測(cè)時(shí)，光信號(hào)直接被解調(diào)為基帶信號(hào)，要求本振零差檢測(cè)時(shí)，光信號(hào)直接被解調(diào)為基帶信號(hào)，要求本振光的頻率和信號(hào)光的頻率完全相同，本振光的相位要鎖定在光的頻率和信號(hào)光的頻率完全相同，本振光的相位要鎖定在信號(hào)光的相位上，因而要采用同步解調(diào)。同步解調(diào)雖然在概信號(hào)光的相位上，因而要采用同步解調(diào)。同步解調(diào)雖然在概念上很簡(jiǎn)單，念上很簡(jiǎn)單， 但是技術(shù)上卻很復(fù)雜。但是技術(shù)上卻很復(fù)雜。 外差檢測(cè)時(shí)，不要

18、求本振光和信號(hào)光的頻率相同，也不外差檢測(cè)時(shí)，不要求本振光和信號(hào)光的頻率相同，也不要求相位匹配，可以采用同步解調(diào)，也可以采用異步解調(diào)。要求相位匹配，可以采用同步解調(diào)，也可以采用異步解調(diào)。同步解調(diào)要求恢復(fù)中頻同步解調(diào)要求恢復(fù)中頻IF(微波頻率微波頻率)，因而要求一種電鎖相，因而要求一種電鎖相環(huán)路。環(huán)路。 異步解調(diào)簡(jiǎn)化了接收機(jī)設(shè)計(jì)，異步解調(diào)簡(jiǎn)化了接收機(jī)設(shè)計(jì)， 技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。圖圖7.41 外差同步解調(diào)接收機(jī)方框圖外差同步解調(diào)接收機(jī)方框圖 光檢光檢測(cè)器測(cè)器帶通帶通本振光本振光w wL信號(hào)光信號(hào)光w wS低通低通基帶信號(hào)基帶信號(hào)載波載波恢復(fù)恢復(fù) 圖圖7.41和圖和圖7.42分別示出外差同

19、步解調(diào)和外差異步解調(diào)的分別示出外差同步解調(diào)和外差異步解調(diào)的接收機(jī)方框圖。接收機(jī)方框圖。 兩種解調(diào)方式的差別在于接收機(jī)的噪聲對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。兩種解調(diào)方式的差別在于接收機(jī)的噪聲對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。異步解調(diào)要求的信噪比異步解調(diào)要求的信噪比(SNR)比同步解調(diào)高，但異步解調(diào)接收比同步解調(diào)高，但異步解調(diào)接收機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)光源和本振光源的譜線要求適中，因而在機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)光源和本振光源的譜線要求適中，因而在相干通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著主要作用。相干通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著主要作用。 圖圖7.42 外差異步解調(diào)接收機(jī)方框圖外差異步解調(diào)接收機(jī)方框圖 光檢光檢測(cè)器測(cè)器帶通帶通本振光本振光w wL信號(hào)光信號(hào)光w wS

20、低通低通基帶信號(hào)基帶信號(hào)包絡(luò)包絡(luò)檢波檢波 7.5.3 誤碼率和接收靈敏度誤碼率和接收靈敏度 相干光通信系統(tǒng)光接收機(jī)的性能可以用信噪比相干光通信系統(tǒng)光接收機(jī)的性能可以用信噪比(SNR)定量定量描述。描述。 系統(tǒng)總平均噪聲功率系統(tǒng)總平均噪聲功率(均方噪聲電流均方噪聲電流)為：為：式中式中, 和和 分別為散粒噪聲功率和熱噪聲功率，分別為散粒噪聲功率和熱噪聲功率，e為為電子電荷，電子電荷，Id為光檢測(cè)器暗電流，為光檢測(cè)器暗電流，B為等效噪聲帶寬，為等效噪聲帶寬，kT為熱為熱能量，能量，RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻，為光檢測(cè)器負(fù)載電阻，I為光電流，由式為光電流，由式(7.31)或式或式(7.32)確定。確定。

21、2Ti2niBRkTBIIeiiiLdTsn4)(2222（7.37） 大多數(shù)相干光接收機(jī)的噪聲由本振光功率大多數(shù)相干光接收機(jī)的噪聲由本振光功率PL引入的散粒引入的散粒噪聲所支配，與信號(hào)光功率的大小無關(guān)。因而，式噪聲所支配，與信號(hào)光功率的大小無關(guān)。因而，式(7.38)中中Id和和i2T項(xiàng)可以略去，由此得到項(xiàng)可以略去，由此得到外差檢測(cè)的信噪比：外差檢測(cè)的信噪比：2222)(22TdLLsnaciBIPePPIISNR（7.38）eB PS SNR= (7.39) 零差檢測(cè)的平均信號(hào)光功率是外差檢測(cè)的零差檢測(cè)的平均信號(hào)光功率是外差檢測(cè)的2倍，倍， 所以零差所以零差檢測(cè)的信噪比為：檢測(cè)的信噪比為：

22、SNR=4NP (7.42) 光檢測(cè)器的響應(yīng)度光檢測(cè)器的響應(yīng)度=e/hf, 為光檢測(cè)器量子效率，為光檢測(cè)器量子效率， e和和hf分別為電子電荷和光子能量；等效噪聲帶寬分別為電子電荷和光子能量；等效噪聲帶寬B=fb/2，fb為傳輸為傳輸速率；平均信號(hào)光功率速率；平均信號(hào)光功率PS可以用每比特時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)可以用每比特時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)NP表示為：表示為： Ps=NPhffb (7.40)把上述關(guān)系代入式把上述關(guān)系代入式(7.39)得到外差檢測(cè)的信噪比：得到外差檢測(cè)的信噪比： SNR=2NP (7.41) Ia= (Ip+ic) (7.43)21)2(21QerfcBER(7.44)式中式中,Ip=2

23、(PsPL)1/2為信號(hào)光電流，為信號(hào)光電流，ic為高斯隨機(jī)噪聲電流。為高斯隨機(jī)噪聲電流。 設(shè)設(shè)“0碼和碼和“1碼時(shí)，碼時(shí)，IP分別取分別取I0和和I1，在理想情況下，在理想情況下，誤碼率為：誤碼率為：2. 誤碼率誤碼率 誤碼率誤碼率(BER)可以由信噪比可以由信噪比(SNR)確定。確定。 以以ASK零差檢測(cè)零差檢測(cè)為例，設(shè)判決信號(hào)為為例，設(shè)判決信號(hào)為 式中式中, Q=(I1-I0)/( ), N0和和N1分別為分別為“0碼和碼和“1” 碼碼的等效噪聲功率。設(shè)的等效噪聲功率。設(shè)N0=N1，I0=0，則得到：，則得到：01NN 2111)(212SNRNIQ(7.45)把式把式(7.45)和式和

24、式(7.42)代入式代入式(7.44)， 得到：得到： 用類似方法可以得到各種調(diào)制和解調(diào)方式的相干接收機(jī)用類似方法可以得到各種調(diào)制和解調(diào)方式的相干接收機(jī)BER和極限靈敏度。和極限靈敏度。21)2(21PNerfcBER(7.46) 在在“0碼和碼和“1碼概率相等條件下，對(duì)于碼概率相等條件下，對(duì)于ASK，NP= , 為長(zhǎng)比特流情況下，為長(zhǎng)比特流情況下， 每比特平均光子數(shù)。每比特平均光子數(shù)。PN2PNNP：每比特時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)。：每比特時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)。3. 靈敏度靈敏度 為確定接收靈敏度，為確定接收靈敏度， 利用式利用式(7.40)和式和式(7.45)得到得到 式中利用了式中利用了=e/hf。 最

25、小平均接收光功率：最小平均接收光功率：hfBQPS2min4 (4.47)hfBQPPSS2min22(7.48) 例如光波長(zhǎng)為例如光波長(zhǎng)為1.55 m的的ASK外差檢測(cè)，設(shè)外差檢測(cè)，設(shè)=1， B=1GHz。hf=hc/, h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，c為光速，為光速，為光波長(zhǎng)。為光波長(zhǎng)。 當(dāng)當(dāng)BER=10-9時(shí)，時(shí)，Q6，由式，由式(7.48)計(jì)算得到計(jì)算得到Psmin=10nW， 或或Pr=-50 dBm。 在相干檢測(cè)中，通常用每比特光子數(shù)在相干檢測(cè)中，通常用每比特光子數(shù)NP表示靈敏度。在表示靈敏度。在相同假設(shè)條件下，由式相同假設(shè)條件下，由式(7.48)得到：得到： Psmin=72 h

26、f 表表7.2和圖和圖7.43示出不同調(diào)制方式相干檢測(cè)接收機(jī)誤碼率和示出不同調(diào)制方式相干檢測(cè)接收機(jī)誤碼率和量子極限靈敏度。量子極限靈敏度。PN由此得到每比特光子數(shù)由此得到每比特光子數(shù)NP=72或或 =36。1020DDIM3636外差外差FSK99零差零差PSK1818外差外差PSK1836零差零差A(yù)SK3672外差外差A(yù)SKNP比特誤碼率比特誤碼率(BER)解調(diào)方式解調(diào)方式調(diào)制方式調(diào)制方式PN)4(21PNerfc)2(21PNerfc)(21PNerfc)2(21PNerfc)2(21PNerfc)exp(21PN表表7.2 同步相干接收機(jī)量子極限靈敏度同步相干接收機(jī)量子極限靈敏度圖圖7.

27、43 不同調(diào)制方式外差接收機(jī)量子極限誤碼率不同調(diào)制方式外差接收機(jī)量子極限誤碼率 10 1210 910 610 3100151050100FSKPSKDPSKASK零差PSK光子數(shù) / 比特誤碼率 由表由表7.2和圖和圖7.43知，理想直接檢測(cè)光接收機(jī)在知，理想直接檢測(cè)光接收機(jī)在BER=10-9時(shí)，要求每比特時(shí)，要求每比特10個(gè)光子個(gè)光子( =10)， 該值幾乎接近最好的相干該值幾乎接近最好的相干接收機(jī)接收機(jī)PSK 零差檢測(cè)接收機(jī)的零差檢測(cè)接收機(jī)的 P, 而比所有的其他相干接而比所有的其他相干接收機(jī)都好。收機(jī)都好。PNPN 然而，實(shí)際上因?yàn)闊嵩肼暋⑷欢?，?shí)際上因?yàn)闊嵩肼暋?暗電流和其他許多因素

28、的影暗電流和其他許多因素的影響，絕不會(huì)達(dá)到這個(gè)數(shù)值，通常只能達(dá)到響，絕不會(huì)達(dá)到這個(gè)數(shù)值，通常只能達(dá)到 1000。 然而在相干接收的情況下，表中的數(shù)值很容易實(shí)現(xiàn)，這然而在相干接收的情況下，表中的數(shù)值很容易實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)榻柚黾颖菊窆夤β?，使散粒噪聲占支配地位的結(jié)果。是因?yàn)榻柚黾颖菊窆夤β?，使散粒噪聲占支配地位的結(jié)果。圖圖7.44 4 Gb/s外差光波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖外差光波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖 調(diào)幅或調(diào)相3 dB耦合器外調(diào)制器ASK或DPSK數(shù)據(jù)輸入光纖光隔離器DBR或DFB激光器頻率鎖定光平衡接收機(jī)低通濾波數(shù)據(jù)輸出FSK數(shù)據(jù)輸入DBR或DFB激光器偏振控制光隔離器可變延遲線圖圖 7.44 是是4 G

29、b/s外差光波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖。外差光波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖。本地載波本地載波實(shí)際到大致實(shí)際到大致 量子極限量子極限 1000 101.55IM/DD外腔調(diào)制器外腔調(diào)制器 261 20 270 20 45 201.55160km200km260km4Gb/s1Gb/s400Gb/s1.55 DBF DBR窄線譜窄線譜窄線譜窄線譜DPSK碼頻間距碼頻間距=比特率比特率17ps/(nmkm) 218 40 1500 40 350 401.55160km100km243km4Gb/s1Gb/s140Gb/s1.55 DFB DBR普通單頻普通單頻普通單頻普通單頻FSK外腔調(diào)制器外腔調(diào)制器 210 40 1.55160km4Gb/s 1.55ASK注注接收機(jī)靈敏度接收機(jī)靈敏度光纖類型光纖類型傳輸距離傳輸距離傳輸速率傳輸速率光源光源調(diào)制方式調(diào)制方式mmmmmmm表表7.3 外差異步解調(diào)光波系統(tǒng)結(jié)果與量子極限比較外差異步解調(diào)光波系統(tǒng)結(jié)果與量子極限比較 7.5.4 相干光系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)相干光系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù) 相干光系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是：相干光系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是： 靈敏度提高了靈敏度提高了1020 dB，線路功率損