第10章光纤通信新技术 口相干光通信 口光孤子通信 口光时分复用 口光码分复用 口自动交换光网。 合□圆
第10章 光纤通信新技术 相干光通信 光孤子通信 光时分复用 光码分复用 自动交换光网络
10.1相千光通信 目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度 调制/直接检测(M-DD)方式,即光子到基带信 号的直接转换。其原理简单,成本低,但不能充 分发挥光纤通信的优越性,存在频带利用率低、 接收机灵敏度差、中继距离短等缺点。为了充分 利用光纤通信的带宽,将无线电数字通信中外差 检测的相干通信方式应用于光纤通信。在光纤通 信系统中采用外差或零差检测方式可以显著提高 接收灵敏度和选择性,这就是相干光通 合□团
10.1 相干光通信 目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度 调制/直接检测（IM-DD）方式，即光子到基带信 号的直接转换。其原理简单，成本低，但不能充 分发挥光纤通信的优越性，存在频带利用率低、 接收机灵敏度差、中继距离短等缺点。为了充分 利用光纤通信的带宽，将无线电数字通信中外差 检测的相干通信方式应用于光纤通信。在光纤通 信系统中采用外差或零差检测方式可以显著提高 接收灵敏度和选择性，这就是相干光通信
10.1.1相干检测原理 相干光通信系统的基本框图如图101.1所示。在发 送端,采用直接调制或外调制方式将信号以调幅、 调相或调频的方式调制到光载波上,送入光纤中 传输。在接收端,首先与一本振光信号(通过耦 合器)进行相干混合,然后由检测器进行检测。 其中,偏振控制器用于调节信号光与本振光间的 偏振态匹配。图10.1.2解释了相干检测原理。光 接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光 经混频后,由光检测器检测,经处理后,以基带 信号的形式输出 合□p
10.1.1 相干检测原理 相干光通信系统的基本框图如图10.1.1所示。在发 送端，采用直接调制或外调制方式将信号以调幅、 调相或调频的方式调制到光载波上，送入光纤中 传输。在接收端，首先与一本振光信号（通过耦 合器）进行相干混合，然后由检测器进行检测。 其中，偏振控制器用于调节信号光与本振光间的 偏振态匹配。图10.1.2解释了相干检测原理。光 接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光 经混频后，由光检测器检测，经处理后，以基带 信号的形式输出
光纤 耦合器 调制器 光电 放大器 次 二极管 检波 偏振控制器 信号光源 判决 接收机 本振光源 频率控制(外差) 相位控制(零差) ↓信号输出 图10.1.1相干光通信系统的基本框图 混频器 信号光 光检测器 +电信号处理 振荡器 基带信号 图10.1.2相干检测原理框图 合□团
调制器 信号光源 本振光源 光电 二极管 放大器 二次 检波 判决 光纤 耦合器 信号输出 频率控制（外差） 相位控制（零差） 偏振控制器 接 收 机 图10.1.1 相干光通信系统的基本框图 信号光 混频器 光检测器 电信号处理 基带信号 本地光 振荡器 S L 图10.1.2 相干检测原理框图
设接收机接收的信号光以及本振光的光场分别为 Es(t)=Es coS(Ost+os) (10.1.1) EL(t)= E cos(o,t+ou) 10.1.2) 式中,E、O分别为信号光的幅度、频率和相位, EO分别为本振光的幅度、频率和相位。 当信号光与本振光的偏振方向相同时,入射总光强P ∝[E ()+E2(t) 因此有P=AE32+E2+2E、ECS(O+)(10.13)式中 称为中频信号的频率 光检测器输出的光电流()正比于入射光功率P,近似为 (t-RES +EL+2ES E, cos(OrFt-os+oL)(10.1.5) 式中R为光检测器的相应度 根据本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等, 可分为零差检测相干光通信和外差检测相干光通信 合□
( ) cos( ) E t E t S S S S = + ( ) cos( ) E t E t L L L L = + ES S S EL L L 2 E (t) E (t) S + L 2 2 [ 2 cos( )] P k E E E E t = + + − + S L S L IF S L IF 设接收机接收的信号光以及本振光的光场分别为 （10.1.1） （10.1.2） 分别为信号光的幅度、频率和相位， 当信号光与本振光的偏振方向相同时，入射总光强P 因此有 （10.1.3）式中 称为中频信号的频率。 式中， 分别为本振光的幅度、频率和相位。 i t( ) 2 2 S L S L IF i(t)= [E +E +2E E cos( t- + )] R S L 光检测器输出的光电流 正比于入射光功率P，近似为 式中R为光检测器的相应度。 根据本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等， 可分为零差检测相干光通信和外差检测相干光通信。 （10.1.5）
采用零差检测要求=0 所以需要频率稳定性高、线宽窄的光源;另外,这种方式取决于 信号光与本振光之间的干涉,因此要通过在接收机内进行偏振控制来保 持它们之间的偏振方向 中频信号Om>0时,称为外差检测。此时, i(0)=2R/P. cos(@nrt-ps +d,)(10.1.7. 在外差检测方式中也可以通过增大本振光功率的方式增加接 收灵敏度。外差检测相干光通信不要求本振光与信号光之间的 相位锁定,并允许本振光和信号光之间存在频差 合□团
S L = 0 IF IF ( ) 2 cos( t- ) S L S L i t R P P = + 采用零差检测要求 所以需要频率稳定性高、线宽窄的光源；另外，这种方式取决于 信号光与本振光之间的干涉，因此要通过在接收机内进行偏振控制来保 持它们之间的偏振方向。 当中频信号 时，称为外差检测。此时， 在外差检测方式中也可以通过增大本振光功率的方式增加接 收灵敏度。外差检测相干光通信不要求本振光与信号光之间的 相位锁定，并允许本振光和信号光之间存在频差。 （10.1.7）
10.1.2调制与解调 相干光通信中用的调制方法有3种:幅移键控ASK( Amplitude Shift 频移键控FSK( Frequency Shift Key)和相移键控PSK( Phase Shift Key)。 1、幅移键控(ASK 光载波的频率和相位为常数,用数字信号去调制光载波的幅度,称为幅 移键控ASK ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现,这样只有输出光信号的幅度随 而变化,而相位保持不变。如果采用直接光强调制,幅度变化 起相位变化 2、频移键控(FSK) 光秘楼的位度湖制字传输楼的 用不同的频率表示。 3、相移键控(PSK) 光载波的幅度和频率为常数,用数字信号去调制光载波的相位,称为相 移键控PSK。传输“0”码和传输“ 分别用两个不同相位(通常 T)表示。利用 体相位外调制器或LiNb○3相位调制器实 现PSK调制这种调制器只要选择适当的脉冲电压,就可以使相位改变丌。 但是在 光波相位必须非常稳定,因此对发射和本振激光器的谱宽 要求非常苛 合□
相干光通信中采用的调制方法有3种：幅移键控ASK（Amplitude Shift Key）、频移键控FSK（Frequency Shift Key）和相移键控PSK（Phase Shift Key）。 1、幅移键控（ASK） 光载波的频率和相位为常数，用数字信号去调制光载波的幅度，称为幅 移键控ASK。 ASK相干通信系统必须采用外调制器来实现，这样只有输出光信号的幅度随 基带信号而变化，而相位保持不变。如果采用直接光强调制，幅度变化 将引起相位变化。 2、频移键控（FSK） 光载波的相位和幅度为常数，用数字信号去调制光载波的频率，称为频 移键控FSK。对应二进制调制信号，传输“0”码和传输“1”码时，分别 用不同的频率表示。 3、相移键控（PSK） 光载波的幅度和频率为常数，用数字信号去调制光载波的相位，称为相 移键控PSK。传输“0”码和传输“1”码时，分别用两个不同相位（通常 相差π）表示。利用量子阱半导体相位外调制器或LiNbO3相位调制器实 现PSK调制这种调制器只要选择适当的脉冲电压，就可以使相位改变π。 但是在接收端光波相位必须非常稳定，因此对发射和本振激光器的谱宽 要求非常苛刻。 10.1.2 调制与解调
011 0101110 ASK PSkov 图10.1.3数字调制的三种基本形式 把中频信号解调成基带信号有两种方法:同步解调与异步解调 将中频信号再次与原载波信号相乘并通过低通滤波器滤去高频信号 分量,则可恢复出原来的基带信号,此方法称为同步调制。异步解 调即包络检波法 合□团
图10.1.3 数字调制的三种基本形式 把中频信号解调成基带信号有两种方法：同步解调与异步解调。 将中频信号再次与原载波信号相乘并通过低通滤波器滤去高频信号 分量，则可恢复出原来的基带信号，此方法称为同步调制。异步解 调即包络检波法
零差检测中,光信号经光电检波器后被直接转换成基带信 号,不用二次解调。 外差检测经光电检波器获得的是中频信号,中频信号还需 二次解调才能被转换成基带信号。根据中频信号的解调方式不同, 外差检测又分为同步解调和包络解调。外差同步解调检测器上输 出的中频信号通过一个中频滤波器后分成两路,其中一路用作中 频载频恢复,恢复岀的中频载波与另一路中频信号进行混频,再 由低通滤波器输出基带信号。外差包络解调是在包络检测器后接 个低通滤波器而直接检测出基带信号。 合□团
零差检测中，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信 号，不用二次解调。 外差检测经光电检波器获得的是中频信号，中频信号还需 二次解调才能被转换成基带信号。根据中频信号的解调方式不同， 外差检测又分为同步解调和包络解调。外差同步解调检测器上输 出的中频信号通过一个中频滤波器后分成两路，其中一路用作中 频载频恢复，恢复出的中频载波与另一路中频信号进行混频，再 由低通滤波器输出基带信号。外差包络解调是在包络检测器后接 一个低通滤波器而直接检测出基带信号
10.1.3接收灵敏度 为分析相干光通信系统光接收机的性能,首先推导零差PSK的信噪比 零差检测的信噪比为 SNR 4RPL 4kT (10.18) 2qRP1B+—B 为光检测器的响应度,P为平均接收信号功率,4k了为热噪 声功率,B为光接收机的等效噪声带宽,q为电子电荷通过控制 本振光的功率P,可使分母中的第一项占主导地位,从而得到散 粒噪声极限下的SNR: 2R SNR gB 在比特率为1时,<>=N则SMR=4N 如果以系统的品质因素Q来表示,则最小接收光功率,即灵敏度为 hbO min 2 4 7 合□
10.1.3 接收灵敏度 为分析相干光通信系统光接收机的性能，首先推导零差PSK的信噪比。 零差检测的信噪比为 B R k T qRP B R P P SNR L L S L 4 2 4 2 + = （10.1.8） 为光检测器的响应度， 为平均接收信号功率， 为热噪 声功率，B为光接收机的等效噪声带宽，q为电子电荷。通过控制 本振光的功率 ，可使分母中的第一项占主导地位，从而得到散 粒噪声极限下的SNR： R PS B R kT L 4 PL qB 2R P SNR S = 在比特率为1/T时， PS = NR h /T 则 SNR = 4NR 如果以系统的品质因素Q来表示，则最小接收光功率，即灵敏度为 2 4 2 min P h BQ P S S = =