相干光通信技術演示文稿

相干光通信技術演示文稿目前一頁\總數(shù)三十頁\編于十七點（優(yōu)選）第五講相干光通信技術目前二頁\總數(shù)三十頁\編于十七點

7.5.1相干檢測原理

圖中示出相干檢測原理方框圖，光接收機接收的信號光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場發(fā)生干涉。由光檢測器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號的形式輸出。圖7.38相干檢測原理方框圖光檢測器電信號處理基帶信號本地光振蕩器混頻器wL信號光wS目前三頁\總數(shù)三十頁\編于十七點圖7.38相干檢測原理方框圖光檢測器電信號處理基帶信號本地光振蕩器混頻器wL信號光wS單模光纖的傳輸模式是基模HE11模，接收機接收的信號光其光場可以寫成：

ES=ASexp［-i(ωSt+φS)］(7.26)式中,AS、ωS和φS分別為信號光的幅度、頻率和相位。目前四頁\總數(shù)三十頁\編于十七點同樣，本振光的光場可以寫成

EL=ALexp［-i(ωLt+φL)］(7.27)式中,AL為本振光的幅度、ωL為本振光的頻率φL為本振光的相位。保持信號光的偏振方向不變，控制本振光的偏振方向，使之與信號光的偏振方向相同。本振光的中心角頻率ωL應滿足

ωL=ωS-ωIF或ωL=ωS+ωIF(7.28)式中，ωIF是中頻信號的頻率。

這時的光功率P與光強|ES+ＥL|2成比例：

P=K|ES+EL|2(7.29)式中，K為常數(shù)。目前五頁\總數(shù)三十頁\編于十七點式中,PS=KA2S,PL=KA2L,ωIF=ωS-ωL。

顯然，式(7.30)右邊最后一項是中頻信號功率分量，它實際上是疊加在PS和PL之上的一種緩慢起伏的變化，如圖7.39所示。

由式(7.26)～式(7.29)，根據(jù)模式理論和電磁理論計算的結果，輸出光功率近似為：

P(t)≈PS+PL+2cos[ωIFt+(φS-φL)](7.30)圖7.39干涉后的瞬時光功率變化

目前六頁\總數(shù)三十頁\編于十七點由此可見，中頻信號功率分量帶有信號光的幅度、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。相干檢測有零差檢測和外差檢測兩種方式。圖7.39干涉后的瞬時光功率變化

目前七頁\總數(shù)三十頁\編于十七點1.零差檢測選擇ωL=ωS，即ωIF=0，這種情況稱為零差檢測。這時，濾去直流分量，中頻信號產(chǎn)生的光電流為

I(t)=cos(φS-φL)(7.31)

零差檢測信號平均光功率與直接檢測信號平均光功率之比為：

42PSPL/(2PS2)=4PL/PS。

通常PL>>PS，同時考慮到本振光相位鎖定在信號光相位上，即φL=φS，這樣便得到零差檢測的信號光電流為：

IP=(7.32)式中，為光檢測器的響應度。目前八頁\總數(shù)三十頁\編于十七點由于PL>>PS，零差檢測接收光功率可以放大幾個數(shù)量級。雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。零差檢測技術非常復雜，因為相位變化非常靈敏，必須控制相位，使φS-φL保持不變，同時要求ωL和ωS相等。目前九頁\總數(shù)三十頁\編于十七點與零差檢測相似，外差檢測接收光功率細節(jié)豐富了，從而提高了靈敏度。

外差檢測信噪比的改善比零差檢測低3dB，但是接收機設計相對簡單，因為不需要相位鎖定。2.外差檢測選擇ωL≠ωS，即ωIF=ωS-ωL>0，這種情況稱為外差檢測。通常選擇fIF(=ωIF/2π)在微波范圍(例如1GHz)。這時外差檢測中頻信號產(chǎn)生的光電流為：

Iac(t)=cos[ωIFt+(φS-φL)](7.33)目前十頁\總數(shù)三十頁\編于十七點

7.5.2調(diào)制和解調(diào)如前所述，相干檢測技術主要優(yōu)點是：可以對光載波實施幅度、頻率或相位調(diào)制。對于模擬信號，有三種調(diào)制方式，即幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。對于數(shù)字信號，也有三種調(diào)制方式，即幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。圖7.40示出ASK、PSK和FSK調(diào)制方式的比較，下面分別介紹這三種調(diào)制方式。目前十一頁\總數(shù)三十頁\編于十七點圖7.40ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較。

目前十二頁\總數(shù)三十頁\編于十七點1.幅移鍵控(ASK)

基帶數(shù)字信號只控制光載波的幅度變化，稱為幅移鍵控(ASK)。ASK的光場表達式：

ES(t)=AS(t)cos［ωSt+φS］(7.34)式中,AS為光場的幅度、ωS為光場的中心角頻率和φS為光場的相位。在ASK中，φS保持不變，只對幅度進行調(diào)制。對于二進制數(shù)字信號調(diào)制，在大多數(shù)情況下，“0”

碼傳輸時，使AS=0，“1”碼傳輸時，使AS=1。目前十三頁\總數(shù)三十頁\編于十七點

ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實現(xiàn)，這樣只有輸出光信號的幅度隨基帶信號而變化，而相位保持不變。如果采用直接光強調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外調(diào)制器通常用鈦擴散的鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)波導制成的馬赫-曾德爾(MZ)干涉型調(diào)制器，如圖3.37所示。當消光比大于20時，該調(diào)制器的調(diào)制帶寬可達20GHz。圖3.37馬赫-曾德爾干涉儀型調(diào)制器目前十四頁\總數(shù)三十頁\編于十七點2.相移鍵控(PSK)

基帶信號只控制光載波的相位變化，稱為相移鍵控(PSK)。PSK的光場表達式為：

ES(t)=AScos［ωSt+φ(t)］(7.35)

在PSK中，AS保持不變，只對相位進行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時，分別用兩個不同相位(通常相差180)表示。如果傳輸“0”時，光載波相位不變，傳輸“1”碼時，相位改變180，這種情況稱為差分相移鍵控(DPSK)。與ASK使用的MZ干涉型調(diào)制器相比，設計PSK使用的相位調(diào)制器要簡單得多。這種調(diào)制器只要選擇適當?shù)拿}沖電壓，就可以使相位改變δφ=π。但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，因此對發(fā)射和本振激光器的譜寬要求非常苛刻。目前十五頁\總數(shù)三十頁\編于十七點3.頻移鍵控(FSK)

基帶數(shù)字信號只控制光載波的頻率，稱為頻移鍵控(FSK)。FSK的光場表達式為：

ES(t)=AScos［(ωS±ω)t+φS］(7.36）在FSK中，AS保持不變，只對頻率進行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時，分別用頻率f0(=ω0/2π)和f1(=ω1/2π)表示。

對于二進制數(shù)字信號，用(ωS-ω)和(ωS+ω)分別表示“0”碼和“1”碼。2f(=2ω/2π)稱為碼頻間距。在式(7.36)中，[(ωS±ω)t+φS]和[ωSt+(φS±ωt)]是等效的，因此FSK可以認為一種PSK，只是技術上有所不同。目前十六頁\總數(shù)三十頁\編于十七點相干檢測的解調(diào)方式有兩種：

同步解調(diào)、異步解調(diào)。

零差檢測時，光信號直接被解調(diào)為基帶信號，要求本振光的頻率和信號光的頻率完全相同，本振光的相位要鎖定在信號光的相位上，因而要采用同步解調(diào)。同步解調(diào)雖然在概念上很簡單，但是技術上卻很復雜。

外差檢測時，不要求本振光和信號光的頻率相同，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)。同步解調(diào)要求恢復中頻ωIF(微波頻率)，因而要求一種電鎖相環(huán)路。異步解調(diào)簡化了接收機設計，技術上容易實現(xiàn)。目前十七頁\總數(shù)三十頁\編于十七點圖7.41外差同步解調(diào)接收機方框圖

光檢測器帶通本振光wL信號光wS低通基帶信號載波恢復

圖7.41和圖7.42分別示出外差同步解調(diào)和外差異步解調(diào)的接收機方框圖。兩種解調(diào)方式的差別在于接收機的噪聲對信號質(zhì)量的影響。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)接收機設計簡單，對信號光源和本振光源的譜線要求適中，因而在相干通信系統(tǒng)設計中起著主要作用。圖7.42外差異步解調(diào)接收機方框圖光檢測器帶通本振光wL信號光wS低通基帶信號包絡檢波目前十八頁\總數(shù)三十頁\編于十七點

7.5.3誤碼率和接收靈敏度

相干光通信系統(tǒng)光接收機的性能可以用信噪比(SNR)定量描述。系統(tǒng)總平均噪聲功率(均方噪聲電流)為：式中,和分別為散粒噪聲功率和熱噪聲功率，e為電子電荷，Id為光檢測器暗電流，B為等效噪聲帶寬，kT為熱能量，RL為光檢測器負載電阻，I為光電流，由式(7.31)或式(7.32)確定。（7.37）目前十九頁\總數(shù)三十頁\編于十七點大多數(shù)相干光接收機的噪聲由本振光功率PL引入的散粒噪聲所支配，與信號光功率的大小無關。因此，式(7.38)中Id和〈i2T〉項可以略去，由此得到外差檢測的信噪比：（7.38）

SNR=(7.39)目前二十頁\總數(shù)三十頁\編于十七點零差檢測的平均信號光功率是外差檢測的2倍，所以零差檢測的信噪比為：

SNR=4ηNP(7.42)

光檢測器的響應度ρ=ηe/hf,η為光檢測器量子效率，e和hf分別為電子電荷和光子能量；等效噪聲帶寬B=fb/2，fb為傳輸速率；平均信號光功率〈PS〉可以用每比特時間內(nèi)的光子數(shù)NP表示為：

〈Ps〉=NPhffb(7.40)把上述關系代入式(7.39)得到外差檢測的信噪比：

SNR=2ηNP(7.41)目前二十一頁\總數(shù)三十頁\編于十七點

Ia=(Ip+ic)(7.43)(7.44)式中,Ip=2(PsPL)1/2為信號光電流，ic為高斯隨機噪聲電流。設“0”碼和“1”碼時，IP分別取I0和I1，在理想情況下，誤碼率為：2.誤碼率

誤碼率(BER)可以由信噪比(SNR)確定。以ASK零差檢測為例，設判決信號為式中,Q=(I1-I0)/(),N0和N1分別為“0”碼和“1”

碼的等效噪聲功率。設N0=N1，I0=0，則得到：(7.45)目前二十二頁\總數(shù)三十頁\編于十七點把式(7.45)和式(7.42)代入式(7.44)，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BER和極限靈敏度。(7.46)在“0”碼和“1”碼概率相等條件下，對于ASK，NP=,

為長比特流情況下，每比特平均光子數(shù)。NP：每比特時間內(nèi)的光子數(shù)。目前二十三頁\總數(shù)三十頁\編于十七點3.靈敏度為確定接收靈敏度，利用式(7.40)和式(7.45)得到式中利用了=ηe/hf。最小平均接收光功率：

(4.47)(7.48)目前二十四頁\總數(shù)三十頁\編于十七點例如光波長為1.55μm的ASK外差檢測，設η=1，B=1GHz。hf=hc/λ,h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為光波長。當BER=10-9時，Q≈6，由式(7.48)計算得到〈Ps〉min=10nW，或Pr=-50dBm。

在相干檢測中，通常用每比特光子數(shù)NP表示靈敏度。在相同假設條件下，由式(7.48)得到：

〈Ps〉min=72hf

表7.2和圖7.43示出不同調(diào)制方式相干檢測接收機誤碼率和量子極限靈敏度。由此得到每比特光子數(shù)NP=72或=36。目前二十五頁\總數(shù)三十頁\編于十七點1020DDIM3636外差FSK99零差PSK1818外差PSK1836零差ASK3672外差ASKNP比特誤碼率(BER)解調(diào)方式調(diào)制方式表7.2同步相干接收機量子極限靈敏度目前二十六頁\總數(shù)三十頁\編于十七點圖7.43不同調(diào)制方式外差接收機量子極限誤碼率

目前二十七頁\總數(shù)三十頁\編于十七點由表7.2和圖7.43知，理想直接檢測光接收機在BER=10-9時，要求每比特10個光子(=10)，該值幾乎接近最好的相干接收機——PSK零差檢測接收機的P,而比所有的其他相干接收機都好。然而，實