07.相干光通信系统解析
相干光技术
相干光技术相干光技术是一种基于光波的相对相位信息的特殊效应研究技术，它在光学领域中具有重要的应用价值和广泛的研究意义。
通过利用光的波动性质，相干光技术在成像、测量、通信等方面取得了许多重要的成就，因此受到了广泛的关注和研究。
本文将详细介绍相干光技术的基本原理、典型应用以及未来的发展趋势。
一、相干光技术的基本原理相干光是指波源发出的光波之间存在固定的相位差，从而形成一种特定的干涉效应。
其基本原理主要包括两个方面：一是光的波动性质，二是光波之间的相对相位信息。
1. 光的波动性质光作为一种电磁波，具有波动性质。
其振幅、频率和方向可以描述为波动在介质中传播的情况。
而光波的干涉和衍射效应正是建立在光的波动性质的基础上的。
2. 光波之间的相对相位信息相干光的特点之一是光波之间存在一定的相位差，即两个光波的振幅和相位之间具有一定的关系。
这种相对相位信息是相干光技术得以应用的重要基础，通过对光波相位的精确控制和测量，可以实现相干光技术在各种领域的应用。
二、相干光技术的典型应用相干光技术在许多领域中都有着重要的应用，下面我们将介绍其在成像、测量和通信等方面的典型应用。
1. 成像相干光技术在成像领域中具有独特的优势，可以实现高分辨率、高对比度、三维成像等功能。
例如在医学领域中，相干光成像技术可以实现对生物组织的高分辨率显微镜成像，有助于医生更好地观察和诊断病变组织。
在材料科学、天文学等领域中，也有着广泛的应用。
2. 测量相干光技术在测量领域中的应用也非常广泛。
例如在表面形貌测量中，通过光的干涉和衍射效应，可以实现对微小表面形貌的高精度测量。
在加工和制造领域中，相干光测量技术可以实现对零件尺寸、形状等参数的精密测量和控制。
3. 光通信相干光技术在光通信领域中也有着重要的应用价值。
其高速、大容量、低损耗的特点使得其成为光通信领域的重要技术手段。
相干光通信技术可以实现高速的数据传输、远距离的通信传输等功能，有着很大的市场前景。
相干光
相干光通信一、相干光通信的基本工作原理s在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。
所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不像自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。
激光就是一种相干光。
所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。
在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。
当信号光传输到达 s接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。
相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。
前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。
后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，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。
s相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信。
我们知道无线电技术中相干通信具有接收灵敏度高的优点，相干光通信技术同样具有这个特点，采用该技术的接收灵敏度可比直接检测技术高18dB。
早期，研究相干光通信时要求采用保偏光纤作传输介质，因为光信号在常规光纤线路中传输时其相位和偏振面会随机变化，要保持光信号的相位、偏振面不变就需要采用保偏光纤。
但是后来发现，光信号在常规光纤中传输时，其相位和偏振面的变化是慢变化，可以通过接收机内用偏振控制器来纠正，因此仍然可以用常规光纤进行相干通信，这个发现使相干光通信的前景呈现光明。
s相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源，该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下，进行光电混频。
混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与信号光波的差频信号。
相干光通信技术
信号处理单元
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作用
信号处理单元负责对接收到的电信号进行解调、 解码和纠错等处理，提取出传输的信息。
特点
信号处理单元通常采用数字信号处理技术实现， 具有处理精度高、稳定性好、易于实现高速传输 等优点。
算法
常用的信号处理算法包括相位恢复算法、载波恢 复算法、判决反馈均衡器等，用于改善系统的性 能和传输距离。
面发射激光器）。
作用
光源负责产生相干光信号，其性能 直接影响系统的传输质量和距离。
特点
单频激光器具有输出光谱窄、线宽 小、相干性好的优点，适合于高速 长距离的相干光通信。
光调制器
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类型
光调制器通常采用电光效 应或声光效应材料制成， 如LiNbO3或SiO2等。
作用
光调制器负责将电信号转 换为光信号，实现信息的 加载。
抗干扰能力
相干光通信具有较强的抗干扰能 力，能够更好地抵御噪声和干扰 的影响，确保信号传输的稳定性。
与无线通信的比较
传输媒介
相干光通信依赖于光纤作为传输 媒介，具有较低的传输损耗和较 小的信号干扰。无线通信则通过 空气传输，容易受到环境因素的 影响。
传输速率
相干光通信支持更高的传输速率， 能够满足大数据和多媒体传输的 需求。无线通信的传输速率相对 较低。
抗干扰能力强
相干光通信技术能够有效地 抑制光噪声和干扰，提高通
信系统的抗干扰能力。
传输容量大
相干光通信技术可以实 现多载波调制，从而大
幅度提高传输容量。
相干光通信技术的发展历程
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20世纪60年代
相干光通信技术的概念被提出 。
相干光通信技术
相干光通信技术徐飞 20114487【摘要】:随着各种新型通信技术的发展以及互联网带来的信息爆炸式增长，科学研究工作者们提出了相干光通信这一解决办法。
本文简要介绍了相干光通信的基本原理、相干光通信相对其他通信方式的优点和它所涉及的主要技术，以及在超长波长光纤通信系统中的应用等问题。
【关键词】:相干调制、外差检波、稳频、超长波长光纤引言:在光纤通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接受灵敏度，是科学研究者们永远的追求。
虽然波分复用(WDM)技术和掺铒光纤放大器(,,,,)的应用已经使光纤通信系统的带宽和传输距离得到了极大地提升但随着视频会议等一系列新的通信技术的不断发展应用和互联网普及带来的信息爆炸式增长，相干光通信技术的研究与应用显得越发的重要。
1.相干光通信的基本原理:在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术,所谓相干调制,就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅,这就需要光信号有确定的频率和相位,即应是相干光。
激光就是一种相干光。
所谓外差检测,就是利用一束本机振荡产生的激光与输人的信号光在光混频器中进行混频,得到与信号光的频[1]率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。
在光发射端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，再经过光匹配器送入光纤中进行传输，当信号光传输到光接收端时，先用一束本振光信号与之进行相干混合，然后用探测器检测。
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。
外差检测相干光通信经光电检波器获得的是中频信号，还需要进行二次解调才能被转换成基带信号。
外差检测相干光通信又可根据中频信号的解调方式分为同步解调和包络解调。
零差检测相干光通信的光信号经光电检波器后被直接转换成系带信号，不需要进行二次解调，但本振光频率与信号光频率要求严格匹配，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:相干光通信技术充分利用了它的混频增益、信道选择性及可调性出色以及充分利用光纤通信的带宽等特点，逐步适应当前通信的巨大需求，与传统的通信系统相比，具有以下突出的优点。
相干光通信
相干光通信1引言卫星光通信的概念最早提出于20世纪60年代中期，但由于当时技术水平的限制．激光器件的研究刚刚起步，无法满足卫星光通信的要求。
直到80年代，随着光电技术与器件工艺的发展，卫星光通信的研究才开始逐渐受到重视。
卫通信按接收方式分为相干光通信系统和非相干通信系统。
早期的卫星光通信系统借鉴光纤通信技术采用了直接检测的系统方案，虽然能够实现中低速通信系统，但系统的发射功率和接收灵敏度都受到一定的限制。
随着信息时代的高速发展，卫星通信传输量剧增，宽带卫星通信技术成为卫星通信研究的热点。
建立卫星通信链路有两种选择：射频通信和光通信，目前通用的卫星射频通信系统受到传输容量、功耗、重量、体积等方面的严格限制，出现了1 Gbps以上通信的速率“瓶颈”，难以适应未来高速、宽带通信的需求；利用光频信号在空间传输实现通信被认为是解决该“瓶颈”的最佳方案。
2卫星相干光通信的原理及优势2.1卫星相干光通信的原理相干光通信中的“相干”是指光相干接收技术，根据本征激光器和信号光的频率不同，分为零差或外差接收。
图1为相干接收机的基本结构…，光信号经空间传输，由光学天线接收后，接收到的信号光同本征光混频，经光电检测器转换，输出电信号，解调处理，得到信号。
2.2相干光通信的优势相干光通信具有很多潜在优势，可以提高通信系统性能，接收机灵敏度高，而且能够在电域补偿光传输过程中的信号劣化；支持多种调制方式，多电平的调制方式可提高光通信链路的数据容量；波长的选择性好，频分复用方式实现更高速率传输，提升现有光通信的数据容量。
图1相干接收机原理图3国内外发展现状卫星相干光通信，由于技术和光电器件的原因，发展不是连续的。
1980年到1990年间，光相干检测技术是通信领域研究的热点，并有一系列相干通信理论文章发表及实验系统相继完成。
但因窄线宽高稳频激光器尚未成熟，不能实现工程上的应用。
1990年到1995年，随光纤通信中光放大器技术的发展，尤其是掺铒光纤放大器的实用化，相干检测原理及应用的研究渐少，各国研究机构都转向了直接检测的光通信系统，并相继实现了低速的星地、卫星间的通信试验。
光通信中的相干光通信系统性能分析
光通信中的相干光通信系统性能分析随着信息技术的快速发展和对高速数据传输的需求不断增长，光通信作为一种高速、大容量、低损耗的传输方式，在通信领域发挥着重要的作用。
而相干光通信系统则是一种基于光的相位信息来实现数据传输的技术，它能够提供更高的传输速率和更强的抗干扰能力。
本文将对光通信中相干光通信系统的性能进行详细分析，从相干度、误码率和传输距离等方面进行评估。
首先，我们来看相干度对相干光通信系统性能的影响。
相干度是指光信号的波动性与时间的关系，它直接影响系统的可靠性和传输质量。
在相干光通信系统中，信号的相位和幅度信息需要被精确地判断和恢复，相干度较高可以保证相位信息的传输准确性。
而相干度较低，则会引入相位噪声和失真，影响信号的解调性能和传输质量。
因此，相干度的提高可以显著提升相干光通信系统的性能。
其次，误码率也是相干光通信系统性能评估的重要指标之一。
误码率是指在数据传输过程中出现的比特错误率，通常用误比特率（BER）来衡量。
对于高速的光通信系统来说，传输质量的好坏直接影响到数据传输的准确性和可靠性。
相干光通信系统因其对相位信息的敏感性，往往需要采用更复杂的调制技术和信号处理算法。
通过优化系统的设计和参数设置，降低误码率是提升相干光通信系统性能的关键。
例如，选择适当的编码方案、增加信道的信噪比，以及合理设计调制器和解调器等都可以有效地降低误码率。
此外，传输距离也是相干光通信系统性能评估的一个重要指标。
随着传输距离的增加，光信号容易受到损耗、色散和非线性效应的影响，从而导致信号的失真，使得相干光通信系统的传输质量下降。
为了提高传输距离，可以采用光纤放大器、光纤衰减器等光学器件来补偿光信号的损耗，同时还可以采用适当的调制技术和复用技术来提高光信号的抗干扰能力和传播距离。
除了上述几个方面，还有一些其他因素也会对相干光通信系统的性能产生影响。
例如，光路多径传播和多径干扰会引入时延扩展、码间串扰等问题，从而影响到相干光通信系统的传输质量。
相干光光纤通信系统
主要特点
①灵敏度高：相干解调得到的信号幅度和本振光幅度成正比。由于本振光源的功率可比信号功率大得多，所 以得到的信号幅度将比直接检测时大很多。光检测量子噪声也被成比例地放大，由于光检测器和接收机热噪声幅 度维持不变，就极大地提高了接收信噪比，随之也提高了接收灵敏度。另外，采用频移键控或相移键控这些优良 的调制方式还可使灵敏度进一步提高。一般相干接收系统的接收灵敏度可以比常规光纤通信系统的高10～20dB； ②选择性好：常规光纤通信系统进行多路传输，必须用光学方法进行滤波。和无线电通信系统类似，在相干光通 信系统中本振光与信号光作用得到中频，而在中频可以使用电滤波器。由于电滤波比光学滤波的选择性高很多， 因此相干接收系统有者极好的选择性。这就可以充分利用石英光纤低损耗窗口，实现频分复用和高密度波分复用 的多信道传输。
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相干光光纤通信系统
光纤通信领域名词
01 简介
03 主要特点 05 关键技术
目录
02
相干光纤通信的基本 原理
04 基本构成
相干光光纤通信系统是在接收端使用一个本振光源对接收信号进行相干解调的一种新型的光纤通信系统。
简介
相干光是指在时间或空间的任意点，特别是在垂直于传播方向的平面上的一个区域内，或在空间的一个特定 点的所有时间上，所有参量皆可预测并相关的光。该系统的工作原理较常规光纤通信系统更加接近现代的无线电 通信系统。在相干光光纤通信系统中数字信号采用幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等调 制方式。
基本构成
相干光光纤通信系统的构成如图所示。发送端光波振荡器发出频率f0的光波，此光波在调制器中被电端机 （发送）的信号所调制，然后送入光纤。传输至接收端后，与接收端光波振荡器输出的频率为f0+△f的光波同时 送入混频器进行混频，得到频率为△f的中频输出。此中频经过中频放大与解调，即送入接收电端机，得到所需的 信号。
07.相干光通信系统解析
7.1 相干检测基本原理
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。
7.4 相干光通信的关键技术
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。
上式中有三项的频率在2S左右，通常超 出光电二极管的响应范围，因此没有检波 输出。这样，上式简化为
7.1 相干检测基本原理
注意到，该式第一项为信号光强度，其余 两项都是本振光出现后的强度。第三项表 示信号光与本振光之间的差拍效应，其振 幅与信号光场成正比，差拍的相位与信号 的相位变化成线性关系。因此，接收信号 中的振幅和相位都存在在差拍场的强度中。 通常，本振光比信号光强得多，上式可简 化为
7.2 相干光通信系统的组成
经过理论计算，在完全匹配的情况下，所 输出的中频信号电流幅度可用下式表达：
式中，A为常系数；R为光电检测器的响 应度；Ps为接收光信号的平均光功率；P1 为本振光信号的平均光功率。
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2ASK信号解调原理
2ASK信号解调波形
2. FSK频移键控 若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和 f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键 控信号（2FSK）。 二进制移频键控信号可以看成是两个不同 载波的二进制振幅键控信号的叠加。 2FSK信号能够采用非相干解调(包络检波法) 和相干解调(同步检测法)。
7.1 相干检测基本原理
同时注意到式中的相位角，本振相位和信 号相位是直接相加的，因此，本振相位的 任何变化都将干扰信号相位中包含的信息， 这就是说，本振光的相位稳定是很重要的。
7.2 相干光通信系统的组成
相干光通信系统由光发射机、光纤和光接 收机组成
7.2 相干光通信系统的组成
1．光发射机 由光频振荡器发出相干性很好的光载波通 过调制器调制后，变成受数字信号控制的 已调光波，并经光匹配器后输出，这里的 光匹配器有两个作用：一是使从调制器输 出已调光波的空间复数振幅分布和单模光 纤的基模之间有最好的匹配；二是保证已 调光波的偏振态和单模光纤的本征偏振态 相匹配。
2FSKK解调原理
2FSK解调波形
3. PSK相移键控 正弦载波的相位随二进制数字基带信号离 散变化，则产生二进制移相键控(2PSK)信 号。 2PSK信号的解调通常都是采用相干解调。
2PSK时间波形
2PSK调制原理
2PSK解调原理
2PSK解调波形
上式中有三项的频率在2S左右，通常超 出光电二极管的响应范围，因此没有检波 输出。这样，上式简化为
7.1 相干检测基本原理
注意到，该式第一项为信号光强度，其余 两项都是本振光出现后的强度。第三项表 示信号光与本振光之间的差拍效应，其振 幅与信号光场成正比，差拍的相位与信号 的相位变化成线性关系。因此，接收信号 中的振幅和相位都存在在差拍场的强度中。 通常，本振光比信号光强得多，上式可简 化为
7.1 相干检测基本原理
由于入射光功率正比于光电场的平方，因 此光检测器输出的电流为
式中，R0为检测器的响应度，PS 和PL分别为信号及本振光功率。 上式的第一项构成不随时间变化 的直流项
7.1 相干检测基本原理
对于外差检测，信号电流为
对于零差检测，信号电流为
7.1 相干检测基本原理
在接收机中，只有信号电流被放大。从以 上两式可以看出，采用相干检测时，信号 光电流正比于sqrt{PL}，因此尽管信号光功 率可能很小，但只要本振光功率，仍能获 得足够大的光信号电流，从而提高检测灵 敏度。所以，本振起着信号放大器的作用， 可使接收机达到散弹噪声极限的工作状态。 但也不是无限增加本振功率就可以无限提 高接收灵敏度。考虑到本振的强度噪声， 有一个最佳光功率。
7.1 相干检测基本原理
下面简单分析相干检测的过程。设信号光载波 角频率为S，本振光角频率为L，则信号光与 本振光光场分别表示为
式中，下标S和L分别表示与信号和本振有关的 量。S(t)包含频率调制或相位调制信号。
7.1 相干检测基本原理
对正弦调制，S(t)=sinmt，为调制指数。 对ASK调制信号，S(t)为常数，信号幅度取 0 或 1； 对于FSK调制，S(t)取2t
7.1 相干检测基本原理
相干光通信的基本工作原理如下：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，以及己调光波 的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态相匹配。
7.1 相干检测基本原理
在外差检测中，L=S+IF，IF为中频频 率(一般为几十到几千MHz)； 在零差检测中，IF=0，即L=S。
7.1 相干检测基本原理
设ES(t)和EL(t)方向互相平行，且均在探测 器表面内，则检测的光电流正比于入射光 强(总电场平方)。入射光强为
7.1 相干检测基本原理
补充： 1. ASK 幅移键控 幅移键控是正弦载波的幅度随数字基带信 号而变化的数字调制。 当数字基带信号为二进制时，则为二进制 振幅键控(2ASK)，又称通断键控信号(OOK 信号) 2ASK信号能够采用非相干解调(包络检波法) 和相干解调(同步检测法)。
2ASK时间波形
2ASK信号调制原理
7.1 相干检测基本原理
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。
7.1 相干检测基本原理
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。 外差同步解调的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。
第七章 相干光通信 系统
自从光纤通信系统问世至今，几乎所有的系统都 采用强度调制—直接检波(IM-DD)的方式。这种 系统的主要优点是调制、解调容易，成本低。但 由于没有利用光的相干性，所以从本质上讲，这 还是一种噪声载波通信系统。为了进一步扩大通 信距离，提高传输容量，人们开始考虑无线电通 信中使用的外差接收方式是否可以用于光纤通信， 因为光波也是一种电磁波，所以从理论上说，答 案是肯定的，即利用先进的调制方式(幅移键控 ASK，频移键控FSK，相移键控PSK)和外差接收 构成一种新型系统—相干光通信系统。