相干光通信原理

在相干光通信中主要利用了相干調制和外差檢測技術。所謂相干調制，就是利用要傳輸的信號來改變光載波的頻率、相位和振幅（而不象強度檢測那樣只是改變光的強度），這就需要光信號有確定的頻率和相位（而不象自然光那樣沒有確定的頻率和相位），即應是相干光。激光就是一種相干光。所謂外差檢測，就是利用一束本機振蕩產生的激光與輸入的信號光在光混頻器中進行混頻，得到與信號光的頻率、位相和振幅按相同規律變化的中頻信號。

工作原理

在發送端，采用外調制方式將信號調制到光載波上進行傳輸。當信號光傳輸到達接收端時，首先與一本振光信號進行相干耦合，然后由平衡接收機進行探測。相干光通信根據本振光頻率與信號光頻率不等或相等，可分為外差檢測和零差檢測。前者光信號經光電轉換后獲得的是中頻信號，還需二次解調才能被轉換成基帶信號。后者光信號經光電轉換后被直接轉換成基帶信號，不用二次解調，但它要求本振光頻率與信號光頻率嚴格匹配，并且要求本振光與信號光的相位鎖定。

相干光通信原理

隨著高速數字信號處理技術（DSP）和模數轉換技術（ADC）的進步，相干光通信成為研究的熱點。相干檢測與DSP技術相結合，可以在電域進行載波相位同步和偏振跟蹤，清除了傳統相干接收的兩大障礙?；贒SP的相干接收機結構簡單，具有硬件透明性；可在電域補償各種傳輸損傷，簡化傳輸鏈路，降低傳輸成本；支持多進制調制格式和偏振復用，實現高頻譜效率的傳輸。通過業界一兩年來對于100Gb/s模塊的研究和開發，100G/s的偏振復用四相相移鍵控相干模塊（Coherent PM-QPSK）正在變成業界的主要選擇。

相干光通信的基本原理

相干光通信系統可以把光頻段劃分為許多頻道，從而使光頻段得到充分利用，即多信道光纖通信。相干光通信技術具有接收靈敏度高的優點，采用相干檢測技術的接收靈敏度可比直接檢測技術高18dB。

圖1為發射機采用偏振復用，作為載體的激光信號通過PBS（偏振分光器）分為X/Y兩路，每路信號在通過2個MZ調制器組成的I/Q調制器（I路和Q路相位差90°）分別將10.7/27.5Gb/s的信號調制到載波，然后再通過偏振復用器把X軸和Y軸光信號按偏振復用合并在一起通過光纖發送出去，從而實現了40/100Gb/s 在單光纖上的傳輸。

在接收端，與強度調制一一直接檢測系統不同，相干光纖通信系統在光接收機中增加了外差或零差接收所需的本地振蕩光源（LO），該光源輸出的光波與接收到的已調光波在滿足波前匹配和偏振匹配的條件下，進行光電混頻。稍微改變本振激光器的光頻，就可改變所選擇的信道，因此對本振激光器的線寬要求很高?；祛l后輸出的信號光波場強和本振光波場強之和的平方成正比，從中可選出本振光波與信號光波的差頻信號。由于該差頻信號的變化規律與信號光波的變化規律相同，而不像直檢波通信方式那樣，檢測電流只反映光波的強度，因而，可以實現幅度、頻率、相位和偏振等各種調制方式。

圖2中的接收機相干檢測方式，由于要探測偏振復用的信號，接受信號通過一個極化束分離器PBS（PolarizationBeamSplitter） 分解成兩個正交信號，每個正交信號都與一個本地光源LO混頻，該本地光源的載波頻率控制精度為數百KHz?；祛l后得到4個偏振和相位正交的光信號，分別用PIN檢測，經電放大和濾波后由A/D電路轉化為4路數字電信號。數字電信號通過數字信號處理（DSP）芯片數字均衡的方式實現：定時恢復、信號恢復、極化和PMD跟蹤，以及色散補償。

相干光通信的主要優點

相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調性等特點。相干光通信系統與IM/DD系統相比，相干光通信系統具有以下獨特的優點：

（1）靈敏度高，中繼距離長

相干光通信的一個最主要的優點是能進行相干探測，從而改善接收機的靈敏度。在相干光通信系統中，經相干混合后輸出光電流的大小與信號光功率和本振光功率的乘積成正比。在相同的條件下，相干接收機比普通接收機提高靈敏度約18dB，可以達到接近散粒噪聲極限的高性能，因此也增加了光信號的無中繼傳輸距離。

（2）選擇性好，通信容量大

（3）可以使用電子學的均衡技術來補償光纖中光脈沖的色散效應相干光通信的另一個主要優點是可以提高接收機的選擇性。在直接探測中， 接收波段較大，為抑制噪聲的干擾，探測器前通常需要放置窄帶濾光片， 但其頻帶仍然很寬。在相干外差探測中，探測的是信號光和本振光的混頻光，因此只有在中頻頻帶內的噪聲才可以進入系統，而其它噪聲均被帶寬較窄的微波中頻放大器濾除?？梢?，外差探測有良好的濾波性能，這在相干光通信的應用中會發揮重大作用。此外，由于相干探測優良的波長選擇性，相干接收機可以使頻分復用系統的頻率間隔大大縮小，即密集波分復用（DWDM），取代傳統光復用技術的大頻率間隔，具有以頻分復用實現更高傳輸速率的潛在優勢。

如果外差檢測相干光通信中的中頻濾波器的傳輸函數正好與光纖的傳輸函數相反，即可降低光纖色散對系統的影響。

相干光通信的關鍵技術

為了實現準確、有效、可靠的相干光通信，應采用以下關鍵技術：

（1）光源技術

相干光纖通信系統中對信號光源和本振光源的要求比較高，它要求光譜線窄、頻率穩定度高。光源本身的諾線寬度將決定系統所能達到的最低誤碼率，應盡量減小，同時半導體激光器的頻率對工作溫度與注入電流的變化非常敏感，其變化量一般在幾十GHz/℃和幾十GHz/mA左右，因此，為使頻率穩定，除注入電流和溫度穩定外，還應采取其他穩頻措施，使光頻保持穩定。

（2）接收技術

相干光通信的接收技術包括兩部分，一部分是光的接收技術，另一部分是中頻之后的各種制式的解調技術。

平衡接收法：在FSK制式中，由于半導體激光器在調制過程中，難免帶有額外的幅度調制噪聲，利用平衡接收方法可以減少調幅噪聲。平衡法的主要思想是當光信號從光纖進入后，本振光經偏振控制以保證與信號的偏振狀態相適應，本振光和信號光同時經過方向精合器分兩路，分別輸入兩個相同的PIN光電檢測器，使得兩個光電檢測器輸出的是等幅度而反相的包絡信號，再將這兩個信號合成后，使得調頻信號增加一倍，而寄生的調幅噪聲相互抵消，直流成分也抵消，達到消除調幅噪聲影響的要求。

偏振控制技術：相干光通信系統接收端必須要求信號光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混頻效果，提高接收質量。信號光經過單模光纖長距離傳輸后，偏振態是隨機起伏的，為了解決這個問題，提出了很多方法，如采用保偏光纖、偏振控制器和偏振分集接收等方法。光在普通光纖中傳輸時，相位和偏振面會隨機變化，保偏光纖就是通過工藝和材料的選擇使得光相位和偏振保持不變的特種光纖，但是這種光纖損耗大，價格也非常昂貴；偏振控制器主要是使信號光和本振光同偏，這種方法響應速度比較慢，環路控制的要求也比較高；偏振分集接收主要是利用信號光和本振光混頻后，由偏振分束元件將混合光分成兩個相互垂直的偏振分量，本振光兩個垂直偏振分量由偏振控制器控制，使兩個分量功率相等，這樣當信號光中偏振隨機起伏也許造成其中一個分支中頻信號衰落，但另一個分支的中頻信號仍然存在，所以該系統最后得到的解調信號幾乎和信號光的偏振無關，該技術響應速度比較快，比較實用，但實現比較復雜。

（3）外光調制技術

由于半導體激光器光載波的某一參數直接調制時，總會附帶對其他參數的寄生振蕩，如ASK直接調制伴隨著相位的變化，而且調制深度也會受到限制。另外，還會遇到頻率特性不平坦及張遲振蕩等問題。因此，在相干光通信系統中，除FSK可以采用直接注入電流進行頻率調制外，其他都是采用外光調制方式。

（4）非線性串擾控制技術

由于在相干光通信中，常采用密集頻分復用技術。因此，光纖中的非線性效應［14］可能使相干光通信中的某一信道的信號強度和相位受到其他信道信號的影響，而形成非線性串擾。

結束語

由于近幾年來，在光器件方面取得了很大的進步，其中激光器的輸出功率，線寬，穩定性和噪聲，以及光電探測器的帶寬，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波電子器件的性能也大幅提高。這些進步使得相干光通信系統商用化變為可能。