相干光通信资料

相干光通信1.为什么要相干光通信？2.相干检测原理与特性3.相干光通信调制方式4.相干光通信解调方案5.相干接收系统的关键技术1.为什么要相干光通信1.1核心在于相干光检测----技术优势与传统的强度调制----直接检测(IM/DD)相比，因为通过检测本振和信号光的差来提高接收的灵敏度。IM/DD----尺子；相干光检测----游标卡尺；弱点：系统复杂，对器件要求高，使得较长时间未走向实用1.2光通信骨干网发展----未来市场需要网络需扩容，而WDM框架确定(0.8nm信道间距)；提高传输速率增加带宽，将受滤波器等器件带宽的限制采用四相位调制减小所占带宽降低接收灵敏度，采用相干接收提高灵敏度来补偿DQPSK2.相干检测原理与特性除了信号光（2-1）以外，还有本振光（2-2）混合后的输出光功率：（2-3）sssstjAEexpLLLLtjAEexp光发射机光混合器本振光光电检测放大相位(频率)控制检波(外差)判决信号输出LsIFLsLsLstPPPPEEKPcos22式（2-3）要求光混合器中信号光Es与本振光EL的偏振态一致，否则应改写为：当两偏振方向的夹角增加时，信号将明显减弱。强度检测的时候对偏振一致性要求更高，相位、频率检测信号在（s-L）中，不直接与成正比，因此对偏振的要求相对较低。同时LiNbO3为代表的外调制器容易实现相位调制，这也是相位调制的优势以及被采用的原因。LsIFLsLsLstPPPPEEKPcoscos2coscos22cosLsPP光混合器：为使信号光Es与本振光EL的偏振态一致，采用：1.偏振控制：控制本振光EL的偏振态，使之始终与信号光保持一致；2.偏振分集：将信号光和偏振光都分成x,y偏振方向的两部分（矢量投影）并有两不同的光路传输，解调后再将信号合成。光电检测的信号功率与光强度（电场的平房）成正比，而光混合器中是两电场的叠加。所以，多出了与相位相关的量（在中频或信号频率）。2.1零差相干光检测，光电流为（2-4），而信息处于中，滤掉几乎是直流成分的第一项可得出信号（2-5）直接检测的光通信系统：，零差相干检测电流提高了倍，电功率（电流的平方）提高了倍。优点：a.接收功率提高灵敏度提高b.可检测相位信息0LsIFLsLsLsPPRPPRIcos2sLPPsPLssPPRtI2ssRPtIsLPP4sLPP42.2外差相干光检测如果，光电流为（2-6）滤掉直流成分的第一项可得出信号（2-7）由于信号电流的交变特性，使在一个周期内的平均信号功率降低了一半SNR较零差检测低3dB。但外差检测的接收机相对简单（无须OPLL或相位分集），同时采用异步解调方案，对光源线宽的要求不是很苛刻，为早期相干光通信系统研究所普遍采用。0IFLsIFLsLstPPRPPRIcos2LsIFLsstPPRtIcos22tIs2.3信噪比（SNR）相干光接收机中的噪声也是由散粒噪声和热噪声组成（2-8）其中（2-9）Id暗电流，I为相干检测出的电流(2-6)，可近似为(因为)，信噪比（对零差，调幅）（2-10）外差接收机的噪声与零差相同，信号功率小一半，SNR也就小一半222TsfIIqds22fRkTLT42LRPsLPP222224TdLLssfIRPqPPRtISNR2.3信噪比（2）暗电流远小于信号电流，散粒噪声近似与本振功率成正比；热噪声与本振电流无关。提高可提高SNR如果，则忽略暗电流，由（2-10）可得散粒噪声情况的信噪比（2-11）用每比特接收的平均光子数Np表示信噪比SNR，，取，则（2-12）实际系统f要大一些，SNR还要小一些。fqRPTL22LP22TsfqPRSNRsBhNPps2Bf零差外差ppRNRNSNR422.4误码率（BER）误码率包含“1”判断为“0”和“0”判断为“1”的概率和（2-13）以I1和I0分别表示“1”和“0”码的电流；1、0表示“1”和“0”码的方差；ID为判决电流，则根据高斯的误差函数分布可知误码的概率可分别表示为(2-14a)（2-14b）其中误差函数011021010101PPPPPPBER1-212112212exp2110DIIIerfcdIIIPD00202002212exp2101IIerfcdIIIPDIDxxdttdttxerfxerfc202exp2exp21100112241IIerfcIIerfcBERDD误码率（2）由（2-13）误码率可进一步写成（2-15）工程实际中，当，即判决电流时，BER达到最小，可近似表示为（2-16）QIIIIDD0011010110IIID2exp212212QQQerfcBER3.相干光通信调制方式3.1幅移键控(ASK)调制：信号光电场为（3-1）只调制幅度，频率、相位保持不变。由于直接调制的相同中通常包含频率或相位的变化，因此采用外调制器实现。LsIFssttAtEcossLPP4检测出的电信号功率提高了倍（零差）3.2频移键控(FSK)调制：信号电场为（3-2）只调制频率，幅度、相位保持不变。由两种不同的信号频率状态实现：“0”、“1”码的调制实现FSK调制的方式：（1）外调制器（LiNbO3电光、声光）：通过改变相位改变频率，相对较复杂；（2）直接调制：直接调制半导体激光器谐振腔的折射率实现频率调制，但伴随着调幅，信号处理复杂。LsssstAtEcos3.3相移键控(PSK)调制：信号光电场为（3-3）只调制相位，频率、幅度保持不变。实现PSK调制的方式：LiNbO3电光外调制器：通过改变电光晶体的折射率改变光的相位检测后的信号SNR，BER都是几种调制方式中最好的ttAtEsIFsscos4.相干光通信解调方案4.1外差同步解调：信号光（2-6）经带通滤波器(BPF)后（4-1）乘以中频后经低通滤波器可输出基带信号（4-2）其中，ic为同相高斯随机噪声tPPRtIIFLsfcos2光混合器本振光光电检测带通滤波器相位(频率)控制低通滤波器信号输出信号光载波恢复tIFcoscLsdiPPRtIcos外差同步接收灵敏度：ASK：，再由前面（2-12）,（2-16）（4-3）FSK:由于接收功率是ASK的两倍，噪声相同，SNR是ASK的两倍（4-4）PSK:，（4-5）221221pRNerfcQerfcBERSNRIIIQ212110101SNRIIIQ11010122pRNerfcBER21221221pRNerfcQerfcBER4.2外差异步解调：信号光经带通滤波器后经过带通滤波器(BPF)后，采用包络检波，再由低通滤波器(LPF)得到基带信号输出（4-6）其中，ic为同相高斯随机噪声；is为散粒噪声。接收机噪声的同相和异相正交分量都影响信号，使该解调方案灵敏度略低（约低0.5dB），但接收系统相对简单，对光源的线宽要求低。更容易实现。光混合器本振光光电检测带通滤波器相位(频率)控制低通滤波器信号输出信号光包络检波2122sin2cos2sLscLsdiPPRiPPRtI外差异步接收灵敏度：ASK：误码率为（4-7）略低于同步ASKFSK:（4-8）DPSK:（4-9）4exp218exp21pRNSNRBER2exp214exp21pRNSNRBERpRNBERexp214.3零差同步解调：让本振光始终跟踪信号光的相位通常采用PSK，接收机影响因素：接收机与本振光的相位误差；光电检测器的噪声；信号与锁相支路之间的串扰。采用光锁相环（OPLL）使接收机的光相位跟踪信号光。对PSK（4-10）光混合器本振光光电检测基带均衡信号输出信号光光电检测环路滤波相位检测锁相支路pRNerfcQerfcBER2212214.4零差异步解调：利用相位分集实现。两相接收机中的两路信号相位相差90度，在某一相位条件下，当一路信号最弱时，另一路最强。这种方式对调相的信号（PSK）的解调称为DPSK（4-11）光混合器本振光光电检测信号输出信号光光电检测鉴频器信号处理信号处理PDpRNBER2exp215.相干光接收系统的关键技术（1）频率稳定度频谱纯度对于外差解调：中频约10-5~10-4倍光载频，频率稳定度要求10-7频谱纯度通常要求在GHz以下。目前，带稳频的DFB-LD都可以达到对于零差解调：比外差解调要求更高，但现在信号速率较高，所占带宽与外差的中频类似甚至更高，该问题就不是最主要的了。（2）匹配技术包括：混频技术中的频率匹配（同步PSK中的OPPL，异步DPSK中的相位分集技术）；偏振方向匹配（偏振分集、偏振控制）；频率跟踪及后处理技术目前实用系统的开发采用四阶相位调制零差双路异步解调方式（DQPSK），针对40Gbit/s和100Gbit/s的速率。光孤子通信光脉冲展宽是光纤通信（时分复用）系统中影响传输距离的主要因素，它源于光纤的色散。自相位调制是，光纤中传输的光脉冲功率大到一定程度，使之电场强到作用于光纤后影响光纤的折射率（降低）。折射率降低使得脉冲宽度减小。当自相位调制现象和色散引起的脉冲展宽抵消时，就会出现稳定的脉冲形状-----光孤子。