第二十五讲相干光通信技术
第二十五讲 相干光通信技术
主要内容 相干光通信的定义 相干检测原理和光波的调制 解调方法 相干光通信系统的性能指标 四、相干光通信的特点
主要内容 • 一、相干光通信的定义 • 二、相干检测原理和光波的调制 解调方法 • 三、相干光通信系统的性能指标 • 四、相干光通信的特点
相干光通信的定义 相干光—是由两个激光器产生的具有 空间叠加、相互干涉特性的激光。 相干光通信—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等相干检测技 术进行信息接收的通信方式
相干光通信的定义 • 相干光——是由两个激光器产生的具有 空间叠加、相互干涉特性的激光。 • 相干光通信——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等相干检测技 术进行信息接收的通信方式
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 理后以基带信号形式输出。由于混频输 出光信号的中频信号功率分量带有信号 光的幅度、频率或相位信息,因此发端 不管采用哪种调制方式,均可以在中频 功率分量反映出来,所以相干光接收方 式适合于所有调制方式的通信
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 理后以基带信号形式输出。由于混频输 出光信号的中频信号功率分量带有信号 光的幅度、频率或相位信息，因此发端 不管采用哪种调制方式，均可以在中频 功率分量反映出来，所以相干光接收方 式适合于所有调制方式的通信
混频器 信号光 光检测器 电信号处理 本地光 基带信号 震荡器 相干检测原理方框图
相干检测原理方框图 光检测器 电信号处理 本地光 震荡器 信号光 混频器 基带信号 ωs ωL
相干检测的方式 (1)零差检测 选择ω=0s,即ωF=0。零差检测接收光功率可以放大 几个数量级,虽然噪声也增大,但仍能使灵敏度大幅 提高,但技术复杂,必须严格控制相位变化,使q。q 保持不变,同时要求u=u (2)外差检测 选择ω≠u,即ωr=ω3-ω>0。外差检测也能提高 灵敏度,信噪比改善比零差检测低3dB,但因无需实现 相位锁定,接收机设计相对简单
相干检测的方式 • （1）零差检测 选择ωL=ωs ,即ωIF=0。零差检测接收光功率可以放大 几个数量级，虽然噪声也增大，但仍能使灵敏度大幅 提高，但技术复杂，必须严格控制相位变化，使φs－φL 保持不变，同时要求ωL=ωs 。 • （2）外差检测 选择ωL≠ωs ,即ωIF= ωs － ωL ＞0。外差检测也能提高 灵敏度，信噪比改善比零差检测低3dB，但因无需实现 相位锁定，接收机设计相对简单
调制方式 模拟信号的三种调制方式: 幅度调制 频率调制 相位调制 数字信号的三种调制方式: 幅移键控 频移键控 相移键控
调制方式 • 模拟信号的三种调制方式： • 幅度调制 • 频率调制 • 相位调制 • 数字信号的三种调制方式： • 幅移键控 • 频移键控 • 相移键控
混频器 信号光 +光检测器 带通 低通 带信号 载波 本地光 恢复 震荡器 (a)外差同步解调接收机方框图 混频器 信号光 包络 光检测器 带通 检波 低通 OL 基带信号 本地光 震荡器 (b)外差异步解调接收机方框图
光检测器 带通 本地光 震荡器 信号光 混频器 ωs 基带信号 ωL 光检测器 本地光 震荡器 信号光 混频器 基带信号 ωs ωL 低通 载波 恢复 带通 包络 检波 低通 (a)外差同步解调接收机方框图 (b)外差异步解调接收机方框图
同步相干接收机量子极限灵敏度 调制方式解调方式比特误码率每比特光长比特流时每比 (BER) 子数N 特光子数N ASK 外差 72 36 erfc(√mNp/4) ASK 零差 erfe(n Np /2) 36 18 PSK 外差1 erfc(、nN 18 18 PSK 零差 erfc(√2mNp) 2 FSK 外差 erf(√mNp/2) 36 36 FSK 零差 erfc(nNp) 20 10
同步相干接收机量子极限灵敏度 调制方式 解调方式 比特误码率 （BER） 每比特光 子数Np 长比特流时每比 特光子数 Np ASK 外差 72 36 ASK 零差 36 18 PSK 外差 18 18 PSK 零差 9 9 FSK 外差 36 36 FSK 零差 20 10 ( / 4) 2 1 NP erfc ( / 2) 2 1 NP erfc ( ) 2 1 NP erfc ( ) 2 1 erfc −NP ( / 2) 2 1 NP erfc ( 2 ) 2 1 NP erfc
外差异步解调系统实验结果与量子效率比较 传输速传输距光纤波接收机灵敏度 调制 光源 率(Gbs)离 长 方式 (km(pm)|实际值量子极限 ASK 1.55 um DBF DBR 4 1601.55210 FSK 1.55 um DBF DBR 4 160 218 普通单频 1.55 1500 普通单频 140243 350 DPSK 1.55 um DBF DBR 4 160 261 窄线谱 1.55 270 4444000 窄线谱 400 260 45 IM/DD 1.55 1000
外差异步解调系统实验结果与量子效率比较 调制 方式 光 源 传输速 率（Gb/s) 传输距 离 （km) 光纤波 长 （μm) 接收机灵敏度 实际值 量子极限 ASK 1.55 μm DBF DBR 4 160 1.55 210 40 FSK 1.55 μm DBF DBR 普通单频 普通单频 4 1 140 160 100 243 1.55 218 40 1500 40 350 40 DPSK 1.55 μm DBF DBR 窄线谱 窄线谱 4 1 400 160 200 260 1.55 261 20 270 20 45 20 IM/DD 1.55 1000 10