第八章相干光通信系统

相干光通信系统则采用单一频率的相干光做光源（载波），沿 用无线电技术中早已实现的相干通信方式，再配合幅移键控 （ASK）, 频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等调制方式，实 现一种新型的光纤通信方式----这就是理论上具有先进性的外差光 纤通信系统。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
相干光通信系统原理如图8-1所示。与强度调制-直接检测系统 相比，其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的本级振 荡器（简称本振）和光混频器。
第八章 相干光纤通信系统
8.1 相干光通信技术的基本原理 8.1.1 基本概念 8.1.2 相干光通信基本原理
8.2 相干检测 8.2.1 本地振荡器 8.2.2 零差检测 8.2.3 外差检测 8.2.4 信噪比（SNR）
8.3 光接收机 8.3.2 调制的实现
8.4 光纤接收机 8.4.1 外差接收机 8.4.2零差接收
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
根据平面波的传播理论，可以写出接收光信号Es（t）和本振 光信号E（t）的复数电场分布表达式为
Es (t) Es exp[ j( S t S )]
EL (t) EL exp[ j(Lt L )]
（8.1.1） （8.1.2）
L
式中， Es-----接收光信号的电场幅度值； EL----本振光信号电场幅度值 Φs-----接收光信号的相位调制信息 ΦL----本振光的相位的调制信息
按上面的分析，相干光纤通信系统的基本框图如图8-2所示， 由图可以清楚地看出，该系统由光发射机、光纤和光接收机组成。
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8.2 相干检测
相干光通信系统与强度调制-直接检测系统相比， 其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的 本级振荡器（简称本振）和光混频器。
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8.2.1 本地振荡器
相干光波系统是信号光在接收端射到光电探测器之前用另 外一个光波与它相干地混频，如图8-3所示.。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
当Es（t）和EL（t）彼此相互平行，均匀地入射到光电监测器表面 上时，由于总入射光强I正比于 [Es（t）+ EL（t）]，即
I R(PS PL ) 2R PS PL cos( IF t S L )
(8.1.3)
式中，R为光电监测器的相应度，PS 、PL分别为接收光信号和本振
8.5 系统性能 8.5.1异步解调外差系统 8.5.2外差同步解调系统 8.5.3零差系统 8.5.4野外试验 8.5.5 影响灵敏度下降的因素
8.6 关键技术

引言
迄今为止，所有实用化的光纤系统都是采用非相干的强度 调制-直接检测（IM/DD）方式，这类系统成熟、简单，成本低， 性能优良，已经在电信网中获得广泛的应用，并仍将继续扮演 主要的角色。然而，这种IM/DD方式没有利用光载波的相位和 频率信息，无法像传统的无线通信那样实现外差检测，从而限 制了其性能的进一步改进和提高。
(8.1.5)
对零差检测，ωIF=0 输出信号电流为
iout (t) 2R Ps PL cos( S L )
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(8.1.6)
8.1 相干光通信技术的基 本原理
从式（8.1.5）和式（8.1.6）可以清楚地看到： （1）即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与 PL 成 正比， 仍能够通过增大PL而 获得足够大的输出电流，这样，本振光相 干检测中还起到了光放大的作用，从而提高了信号的接收灵敏度。
光信号。
一般情况下PL>>PS, ,这样式（8.1.3）可以简化成
I RPL 2R PS PL cos( IF t S L )
(8.1.4)
从上式中可以看出，其中第一项为与传输信息无关的直流项，
因而经外差检测后的输出信号电流为（8.1.4）中的第二项，很明
显其中含发射端传送信息：
iout (t) 2R PS PL cos( IF S L )
在相干光通信系统传输的信号可以是模拟信号，也可以是数 字信号。无论何种信号，其工作原理均可以用图8-1来加以说明。
图8-1相干光通信系统原理框图
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
图中的光载波经调制器受数字信号调制后形成已调信号光波。 调制方式有很多种，将光信号通过调幅、调频或调相的方式被调 制（设调制频率为ωs）到光载波上的，当该信号传输到接收端时， 首先与频率为ωL本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进 行检测，这样获得了中频频率为ωIF=ωs-ωL 的输出电信号，因为 ωIF≠0，故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率ωIF=0 （即ωs=ωL ）时，则称之为零差检测，此时在接收端可以直接产 生基带信号 。
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图8-3光相干检测原理图
8.2.1 本地振荡器
在接收端，借用无线电通信文献中的术语，把产生本地光波的 窄线宽激光器称作本地振荡器（LO，Local Oscillator），为了说 明接收到的光信号与本地光混合后如何提高接收机的性能，让我们 首先考虑接收光信号的光场
（2）由于在相干检测中，要求ωS-ωL 随时保持常数（ωIF或0）， 因而要求系统中所使用的光源具备非常高的频率稳定性、非常窄 的光谱宽度以及一定的频率调谐范围。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
图9-2 相干光通信系统结构图
（3）无论外差检测还是零差检测，其检测根据都来源于接收光信 号与本振光信号之间的干涉，因而在系统中，必须保持它们之间的 相位锁定，或者说具有一致的偏振方向。
随着光通信技术的发展，人们很自然地想到无线电技术中 的外差接受方式。因此，出现了采用外差接受方式的通信系统 即外差光通信系统，又称相干光通信系统。
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8.1 相干光通信技术的基 本原理
8.1.1 基本概念
强度调制-直接检波系统，虽然可以通过高码速来实现大容量 传输，而且具有调制、解调较容易的优点，但是，从理论上来讲， 这种调制系统所采用的光源不是理论上单一频率的相干光源，而有 相当的频宽、对这种由一个频带组成的光源进行强度调制（调整个 信号的光强），显然，已调信号就具有相当宽的带宽（当然，相对 于光纤本身的传输带宽来讲，仍然是个窄频带）。另外，在强度调 制中，仅仅利用了光的振幅参量，相当于早期无线电通信中采用火 花发射机那样，是一种噪声通信系统。它的传输容量和中断距离都 受到限制。