第五1讲相干光通信技术

第五讲相干光通信技术目前的光纤通信系统，都是采用光强调制-直接检测(IM-DD)方式。这种方式的优点是：调制和解调简单，容易实现，因而成本较低。但是这种方式没有利用光载波的频率和相位信息，限制了系统性能的进一步提高。相干光通信，像传统的无线电和微波通信一样，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，这种检测技术称为相干检测。与IMD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20dB，相当于在相同发射功率下，若光纤损耗为0.2dB/km，则传输距离增加100km。同时，采用相干检测，可以更充分利用光纤带宽。我们已经看到，在光频分复用(OFDM)中，信道频率间隔可以达到10GHz以下，因而大幅度增加了传输容量。所谓相干光，就是两个激光器产生的光场具有空间叠加、相互干涉性质的激光。实现相干光通信，关键是要有频率稳定、相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器。7.5.1相干检测原理图中示出相干检测原理方框图，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，以基带信号的形式输出。图7.38相干检测原理方框图光检测器电信号处理基带信号本地光振荡器混频器wL信号光wS图7.38相干检测原理方框图光检测器电信号处理基带信号本地光振荡器混频器wL信号光wS单模光纤的传输模式是基模HE11模，接收机接收的信号光其光场可以写成：ES=ASexp［-i(ωSt+φS)］(7.26)式中,AS、ωS和φS分别为信号光的幅度、频率和相位。同样，本振光的光场可以写成EL=ALexp［-i(ωLt+φL)］(7.27)式中,AL为本振光的幅度、ωL为本振光的频率φL为本振光的相位。保持信号光的偏振方向不变，控制本振光的偏振方向，使之与信号光的偏振方向相同。本振光的中心角频率ωL应满足ωL=ωS-ωIF或ωL=ωS+ωIF(7.28)式中，ωIF是中频信号的频率。这时的光功率P与光强|ES+ＥL|2成比例：P=K|ES+EL|2(7.29)式中，K为常数。式中,PS=KA2S,PL=KA2L,ωIF=ωS-ωL。显然，式(7.30)右边最后一项是中频信号功率分量，它实际上是叠加在PS和PL之上的一种缓慢起伏的变化，如图7.39所示。由式(7.26)～式(7.29)，根据模式理论和电磁理论计算的结果，输出光功率近似为：P(t)≈PS+PL+2cos[ωIFt+(φS-φL)](7.30)LsPP图7.39干涉后的瞬时光功率变化(wL－wS)PL＋PStP由此可见，中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或相位信息。在发射端，无论采取什么调制方式，都可以从接收端的中频功率分量反映出来。所以，相干光接收方式是适用于所有调制方式的通信体制。相干检测有零差检测和外差检测两种方式。图7.39干涉后的瞬时光功率变化(wL－wS)PL＋PStP1.零差检测选择ωL=ωS，即ωIF=0，这种情况称为零差检测。这时，滤去直流分量，中频信号产生的光电流为I(t)=cos(φS-φL)(7.31)LSPP2零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为：42PSPL/(2PS2)=4PL/PS。LSPP2通常PLPS，同时考虑到本振光相位锁定在信号光相位上，即φL=φS，这样便得到零差检测的信号光电流为：IP=(7.32)式中，为光检测器的响应度。由于PLPS，零差检测接收光功率可以放大几个数量级。虽然噪声也增加了，但是灵敏度仍然可以大幅度提高。零差检测技术非常复杂，因为相位变化非常灵敏，必须控制相位，使φS-φL保持不变，同时要求ωL和ωS相等。与零差检测相似，外差检测接收光功率细节丰富了，从而提高了灵敏度。外差检测信噪比的改善比零差检测低3dB，但是接收机设计相对简单，因为不需要相位锁定。2.外差检测选择ωL≠ωS，即ωIF=ωS-ωL0，这种情况称为外差检测。通常选择fIF(=ωIF/2π)在微波范围(例如1GHz)。这时外差检测中频信号产生的光电流为：Iac(t)=cos[ωIFt+(φS-φL)]LSPtP)(2(7.33)7.5.2调制和解调如前所述，相干检测技术主要优点是：可以对光载波实施幅度、频率或相位调制。对于模拟信号，有三种调制方式，即幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。对于数字信号，也有三种调制方式，即幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。图7.40示出ASK、PSK和FSK调制方式的比较，下面分别介绍这三种调制方式。图7.40ASK、PSK和FSK调制方式比较。100110(a)(b)(c)(d)电二进制信号ASKPSKFSK1.幅移键控(ASK)基带数字信号只控制光载波的幅度变化，称为幅移键控(ASK)。ASK的光场表达式：ES(t)=AS(t)cos［ωSt+φS］(7.34)式中,AS为光场的幅度、ωS为光场的中心角频率和φS为光场的相位。在ASK中，φS保持不变，只对幅度进行调制。对于二进制数字信号调制，在大多数情况下，“0”码传输时，使AS=0，“1”码传输时，使AS=1。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。外调制器通常用钛扩散的铌酸锂(Ti:LiNbO3)波导制成的马赫-曾德尔(MZ)干涉型调制器，如图3.37所示。当消光比大于20时，该调制器的调制带宽可达20GHz。图3.37马赫-曾德尔干涉仪型调制器信号电压电极输出光电光晶体光波导输入光2.相移键控(PSK)基带信号只控制光载波的相位变化，称为相移键控(PSK)。PSK的光场表达式为：ES(t)=AScos［ωSt+φ(t)］(7.35)在PSK中，AS保持不变，只对相位进行调制。传输“0”码和传输“1”码时，分别用两个不同相位(通常相差180)表示。如果传输“0”时，光载波相位不变，传输“1”码时，相位改变180，这种情况称为差分相移键控(DPSK)。与ASK使用的MZ干涉型调制器相比，设计PSK使用的相位调制器要简单得多。这种调制器只要选择适当的脉冲电压，就可以使相位改变δφ=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。3.频移键控(FSK)基带数字信号只控制光载波的频率，称为频移键控(FSK)。FSK的光场表达式为：ES(t)=AScos［(ωS±ω)t+φS］(7.36）在FSK中，AS保持不变，只对频率进行调制。传输“0”码和传输“1”码时，分别用频率f0(=ω0/2π)和f1(=ω1/2π)表示。对于二进制数字信号，用(ωS-ω)和(ωS+ω)分别表示“0”码和“1”码。2f(=2ω/2π)称为码频间距。在式(7.36)中，[(ωS±ω)t+φS]和[ωSt+(φS±ωt)]是等效的，因此FSK可以认为一种PSK，只是技术上有所不同。相干检测的解调方式有两种：同步解调、异步解调。零差检测时，光信号直接被解调为基带信号，要求本振光的频率和信号光的频率完全相同，本振光的相位要锁定在信号光的相位上，因而要采用同步解调。同步解调虽然在概念上很简单，但是技术上却很复杂。外差检测时，不要求本振光和信号光的频率相同，也不要求相位匹配，可以采用同步解调，也可以采用异步解调。同步解调要求恢复中频ωIF(微波频率)，因而要求一种电锁相环路。异步解调简化了接收机设计，技术上容易实现。图7.41外差同步解调接收机方框图光检测器带通本振光wL信号光wS低通基带信号载波恢复图7.41和图7.42分别示出外差同步解调和外差异步解调的接收机方框图。两种解调方式的差别在于接收机的噪声对信号质量的影响。异步解调要求的信噪比(SNR)比同步解调高，但异步解调接收机设计简单，对信号光源和本振光源的谱线要求适中，因而在相干通信系统设计中起着主要作用。图7.42外差异步解调接收机方框图光检测器带通本振光wL信号光wS低通基带信号包络检波7.5.3误码率和接收灵敏度相干光通信系统光接收机的性能可以用信噪比(SNR)定量描述。系统总平均噪声功率(均方噪声电流)为：式中,和分别为散粒噪声功率和热噪声功率，e为电子电荷，Id为光检测器暗电流，B为等效噪声带宽，kT为热能量，RL为光检测器负载电阻，I为光电流，由式(7.31)或式(7.32)确定。2Ti2niBRkTBIIeiiiLdTsn4)(2222（7.37）大多数相干光接收机的噪声由本振光功率PL引入的散粒噪声所支配，与信号光功率的大小无关。因此，式(7.38)中Id和〈i2T〉项可以略去，由此得到外差检测的信噪比：2222)(22TdLLsnaciBIPePPIISNR（7.38）eBPSSNR=(7.39)零差检测的平均信号光功率是外差检测的2倍，所以零差检测的信噪比为：SNR=4ηNP(7.42)光检测器的响应度ρ=ηe/hf,η为光检测器量子效率，e和hf分别为电子电荷和光子能量；等效噪声带宽B=fb/2，fb为传输速率；平均信号光功率〈PS〉可以用每比特时间内的光子数NP表示为：〈Ps〉=NPhffb(7.40)把上述关系代入式(7.39)得到外差检测的信噪比：SNR=2ηNP(7.41)Ia=(Ip+ic)(7.43)21)2(21QerfcBER(7.44)式中,Ip=2(PsPL)1/2为信号光电流，ic为高斯随机噪声电流。设“0”码和“1”码时，IP分别取I0和I1，在理想情况下，误码率为：2.误码率误码率(BER)可以由信噪比(SNR)确定。以ASK零差检测为例，设判决信号为式中,Q=(I1-I0)/(),N0和N1分别为“0”码和“1”码的等效噪声功率。设N0=N1，I0=0，则得到：01NN2111)(212SNRNIQ(7.45)把式(7.45)和式(7.42)代入式(7.44)，得到：用类似方法可以得到各种调制和解调方式的相干接收机BER和极限灵敏度。21)2(21PNerfcBER(7.46)在“0”码和“1”码概率相等条件下，对于ASK，NP=,为长比特流情况下，每比特平均光子数。PN2PNNP：每比特时间内的光子数。3.灵敏度为确定接收灵敏度，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：hfBQPS2min4(4.47)hfBQPPSS2min22(7.48)例如光波长为1.55μm的ASK外差检测，设η=1，B=1GHz。hf=hc/λ,h为普朗克常数，c为光速，λ为光波长。当BER=10-9时，Q≈6，由式(7.48)计算得到〈Ps〉min=10nW，或Pr=-50dBm。在相干检测中，通常用每比特光子数NP表示灵敏度。在相同假设条件下，由式(7.48)得到：〈Ps〉min=72hf表7.2和图7.43示出不同调制方式相干检测接收机误码率和量子极限灵敏度。PN由此得到每比特光子数NP=72或=36。1020DDIM3636外差FSK99零差PSK1818外差PSK1836零差ASK3672外差ASKNP比特误码率(BER)解调方式调制方式PN)4(21PNerfc)2(21PNerfc)(21PNerfc)2(21PNerfc)2(21PNerfc)exp(21PN表7.2同步相干接收机量子极限灵敏度图7.43不同调制方式外差接收机量子极限误码率10－1210－910－610－3100151050100FSKPSKDPSKASK零差PSK光子数/比特误码率由表7.2和图7.43知，理想直接检测光接收机在BER=10-9时，要求每比特10个光子(=10)，该值几乎接近最好的相干接收机——PSK零差检测接收机的P,而比所有的其他相干接收机都好。PNPN然而，实际上因为热噪声、暗电流和其他许多因素的影响，绝不会达到这个数值，通常只能达到≈1000。然而在相干接收的情况下，表中的数值很容易实现，这是因为借助增