相干光通信

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目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度调制/直接探测(IM-DD)方式，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的相干通信方式应用于光纤通信。于是，相干光通信便产生了。

1、相干光通信的基本工作原理

在发送端，采用外光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，再经光匹配器送入光纤中传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干混合，然后由探测器进行探测。其中，发射端的光匹配器是保证从光调制器输出的已调光波的空间复数幅度分布和单模光纤中的基模HE11之间有尽可能好的匹配，以及已调光波的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态相匹配。接收端的光匹配器是为了达到光混频器最大可能的混频效率而使接收的光复数振幅和偏振与本振光波相匹配。光隔离器的作用是避免反射光反馈回信号光源或本振光源而引起光源频谱发生展宽，甚至是多纵模工作。相干光通信根据本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等，可分为外差检测相干光通信和零差检测相干光通信。前者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，探测器上输出的中频信号通过一个中频带滤波器后分成两路，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。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和光频率严格匹配。后者，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号，而不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

2、相干光通信的优点

相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。与IM-DD系统相比，具有以下独特的优点。

2.1 灵敏度高，中继距离长

相干光通信的一个最主要的优点是相干探测能改善接收机的灵敏度。在相干光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比；由于本振光功率远大于信号光功率，从而使接收机的灵敏度大大提高，以致于可以达到探测器的点噪声极限，并因此也增加了光信号的传输距离。

2.2 选择性好，通信容量大

相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性，从而可充分利用光纤的低损耗光谱区(1.25～ 1.6μm)，提高光纤通信系统的信息容量。如利用相干光通信可实现信道间隔小于1～ 10 GHz的密集频分复用，充分利用了光纤的传输带宽，可实现超高容量的信息传输。

2.3 可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应

如将外差检测相干光通信中的中频滤波器的传输函数正好与光纤的传输函数相反，即可降低光纤色散对系统的影响。

2.4 具有多种调制方式。

在直接检测系统中，只能使用强度调制方式对光波进行调制。而在相干光通信中，除了可以对光波进行幅度调制外，还可以进行频率调制或相位调制，如ASK、FSK、PSK、DPSK、CPFSK等，具有多种调制方式。

3、相干光通信的关键技术

为了实现准确、有效、可靠的相干光通信，应采用以下关键技术。

3.1 外光调制技术

由于半导体激光器光载波的某一参数直接调制时，总会附带对其他参数的寄生振荡，如ASK 直接调制伴随着相位的变化，而且调制深度也会受到限制。另外，还会遇到频率特性不平坦及张迟振荡等问题。因此，在相干光通信系统中，除FSK 可以采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用外光调制方式。

外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。外光调制器主要包括三种：利用电光效应制成的电光调制器、利用声光效应制成的声光调制器和利用磁光效应制成的磁光调制器。采用以上外调制器，可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。目前，对外光调制器的研究比较广泛，如利用T1扩散LiNbO3马赫干涉仪或定向耦合式的调制器可实现ASK 调制，利用量子阱半导体相位外调制器或LiNbO3相位调制器实现PSK调制等。

3.2 偏振保持技术

在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须有相同的偏振方向，也就是说，两者的电矢量方向必须相同，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。否则，会使相干探测灵敏度下降。因为在这种情况下，只有信号光波电矢量在本振光波电矢量方向上的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。若失配角度超过60°，则接收机的灵敏度几乎得不到任何改善，从而失去相干接收的优越性。因此，为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施。目前，主要有两种方法：一是采用“保偏光纤”使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。而普通的单模光纤会由于光纤的机械振动或温度变化等因素使光波的偏振态发生变化。“保偏光纤”与单模光纤相比，其损耗比较大，价格比较昂贵。二是使用普通的单模光纤，在接收端采用偏振分集技术。信号光与本振光混合后首先分成两路作为平衡接收，对每一路信号又采用偏振分束镜分成正交偏振的两路信号分别检测，然后进行平方求和，最后对两路平衡接收信号进行判决，选择较好的一路作为输出信号。此时的输出信号已与接收信号的偏振态无关，从而消除了信号在传输过程中偏振态的随机变化。

3.3 频率稳定技术

在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。如，对于零差检测相干光通信系统来说，若激光器的频率(或波长)随工作条件的不同而发生漂移，就很难保证本振光与接收光信号之间的频率相对稳定性。外差相干光通信系统也是如此。一般外差中频选择在0。2～2 GHz之间，当光载波的波长为1。5 μm时，其频率为200 THz，中频为载频的 10-6～10-5。光载波与本振光的频率只要产生微小的变化，都将对中频产生很大的影响。因此，只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性，才能保证相干光通信系统的正常工作。

激光器的频率稳定技术主要有三种：(1)将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上。在1.5μm波长上，已经利用氨、氪等气体分子实现了对半导体激光器的频率稳定；(2) 利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边带的方法实现稳频；(3)利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电流的自动控制等方法实现稳频。

3.4 频谱压缩技术

在相干光通信中，光源的频谱宽度也是非常重要的。只有保证光波的窄线宽，才能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响，而且，其线宽越窄，由相位漂移而产生的相位噪声越小。

为了满足相干光通信对光源谱宽的要求，通常采取谱宽压缩技术。主要有两种实现方法：(1) 注入锁模法，即利用一个以单模工作的频率稳定、谱线很窄的主激光器的光功率，注入到需要宽度压缩的从激光器，从而使从激光器保持和主激光器一致的谱线宽度、单模性及频率稳定度；(2) 外腔反馈法。外腔反馈是将激光器的输出通过一个外部反射镜和光栅等色散元件反射回腔内，并用外腔的选模特性获得动态单模运用以及依靠外腔的高Q 值压缩谱线宽度。

3.5 非线性串扰控制技术

由于在相干光通信中，常采用密集频分复用技术。因此，光纤中的非线性效应可能使相干光通信中的某一信道的信号强度和相位受到其他信道信号的影响，而形成非线性串扰。光纤中对相干光通信可能产生影响的非线性效应包括受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、 非线性折射和四波混合。由于SRS 的拉曼增益谱很宽(～10 THz)，因此当信道能量超过一定值时，多信道复用相干光通信系统中必然出现高低频率信道之间的能量转移，而形成信道间的串扰，从而使接收噪声增大，接收机灵敏度下降。SBS的阈值为几 mW，增益谱很窄，若信道功率小于一定值时，并且对信号载频设计的好，可以很容易地避免 SBS引起的串扰。但SBS 对信道功率却构成了限制。光纤中的非线性折射通过自相位调制效应而引起相位噪声，在信号功率大于10 mW 或采用光放大器进行长距离传输的相干光通信系统中要考虑这种效应。当信道间隔和光纤的色散足够小时，四波混频的相位条件可能得到满足，FWM 成为系统非线性串扰的一个重要因素。FWM 是通过信道能量的减小和使信道受到干扰而构成对系统性能的限制。当信道功率低到一定值时，可避免FWM 引起对系统的影响。由于受到上述这些非线性因素的限制，采用密集频分复用的相干光通信系统的信道发射功率通常只有零点几毫瓦。

除了以上关键技术外，对于本振光和信号光之间产生的相位漂移，在接收端还可采用相位分集接收技术以消除相位噪声；为了减小本振光的相对强度噪声对系统的影响，可以采用双路平衡接收技术；零差检测中为保证本振光与信号光同步而采用的光锁相环技术，以及用于本振频率稳定的AFC等。

4、相干光通信在超长波长光纤通信系统中的应用

相干光通信近年来得到迅速的发展，特别是对于超长波长(2～10 μm)光纤通信来说，相干光通信最具吸引力。因为在超长波段，由瑞利散射决定的光纤固有损耗将进一步大幅度降低(瑞利散射损耗与1/λ4成正比)，故从理论上讲，在超长波段可实现光纤跨洋无中继通信。而在超长波段，直接探测接收机的性能很差，于是相干探测方式自然而然地成为唯一的选择了。 超长波长光纤通信系统是以超长波长光纤作为传输介质，利用相干光通信技术实现超长距离通信。在该系统中超长波长光纤是至关重要的。它是一种更为理想的传输媒介，其主要特性是损耗特低，只有石英材料的千万分之一。因此，超长波长光纤可以实现数万公里传输，而不要中继站。它可以大幅度降低通信成本，提高系统的稳定性和可靠性，对海底通信和沙漠地区更具有特别重要的意义。

目前研究的超长波长光纤主要是氟化物玻璃光纤，其理论损耗值非常低，如Ba-F2-Gd-ZrF4-ALF3光纤在3μm左右的理论最低损耗为10-3dB/km，GaF2-BaF2-YF2-ALF3光纤的透明范围为27μm，在3μm左右的最低理论损耗为10-2dB/km。

从光纤的色散特性来看，氟化玻璃材料光纤也可以实现零色散。例如，由镐、铝和镧组成的氟化物光纤，在1.7μm可实现零色散，在4μm波长的色散也很小，只有45ps/nm km。而且，氟化物玻璃光纤在较宽的波长范内，比石英光纤的色散要低。这样，可在大范围内实现波份复用。

随着光纤通信技术的发展，利用超长波长光纤实现超长距离通信是今后光纤通信发展的重要方向之一。但是，超长波长光纤通信系统还存在许多需要进一步解决的技术问题，如超长波长光纤的材料提纯与拉制，采用相干光通信技术所要求的超长波长光源及超长波长相干光电检波器等。

除以上应用外，由于相干光通信的出色的信道选择性和灵敏度，在频分复用CATV分配网中也得到了广泛的应用。