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相干光纤通信系统

       我必须使研究具有真正的实验性。—法拉第(M.Faraday)

一、相干检测原理——信号光与本振光混频产生中频信号

       迄今为止,几乎所有实用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,无法像传统的无线电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。
       IM/DD方式是用电子数据脉冲流直接调制光载波的强度,在接收 端,光信号被光电二极管直接探测,从而恢复最初的数字信号。相干检测系统用调制光载波的频率或相位发送信息,在接收端,使用零差或外差检测技术恢复原始的数字信号。因为光载波相位在这种方式中扮演着重要的角色,所以称为相干通信,基于这种技术的光纤通信系统称为相干通信系统。
相干光纤通信系统(图1)
        研究相干通信技术的动机主要有两个:一是接收机灵敏度与IM/DD 系统相比可以改进20dB,从而在相同发射机功率下,允许传输距离增加100km;二是使用相干检测可以有效地利用光纤带宽。现在,相干检测系统所需的器件均已成熟和商品化,DWDM和相干检测系统已经广泛使用。

二、外差异步解调——不需恢复中频可简化接收机设计

       在原理上,激光外差检测与无线电外差接收机相似,是基于无线电波或激光光波的相干性和检测器的平方律特性的检测。
       图9.5.1为外差异步解调接收机方框图。它不要求恢复中频(微波载波),所以可简化接收机的设计。使用包络检波和低通滤波器,把带通滤波后的信号If(t)转变为基带信号,送到判决电路的信号为
相干光纤通信系统(图2)
式中,ic和is分别是同向和异向高斯随机噪声。外差异步解调与外差同步解调的差别在于接收机噪声的同相和异相正交成分均影响信号质量, 所以外差异步解调接收机的信噪比和接收机灵敏度均有所降低,不过, 灵敏度下降相当小(-0.5dB)。同时,异步解调对光发射机和本振光的线宽要求却是适中的,因此,外差异步接收机在相干光波系统的设计中扮演着主要的角色。
外差异步解调接收机
图9.5.1 外差异步解调接收机方框图

三、相位分集接收——产生与信号光和本振光相位差无关的输出信号

       在相干光波系统中,导致灵敏度下降的主要因素是发射激光器和本振激光器的相位噪声,其理由可从表示外差接收机光检测器产生的光生电流公式(9.5.1)中得到理解。因为光检测过程的相干特性,相位的不稳定导致电流的不稳定,从而使SNR下降。
       减少相位噪声除采用单纵模窄线宽半导体激光器外,另一种方法是设计一个相位分集接收机。这种接收机使用两个或多个光检测器,其输出合成后产生一个与相位差ϕIF=ϕs-ϕLO无关的信号。这种技术在QPSK调制方式下工作得很好。图9.5.2为一个两端口相位分集接收机的原理图,光混频器把信号光和本振光混频,在输出端口上提供适当相位差的输出,送到相应的接收支路。经信号处理和复合后提供一个与中频相位ϕIF无关的电流。例如,具有两个端口输出的零差接收机,其输出光信号相位差为90°,一个支路的电流是IPcosϕIF,另一个支路是IPsinϕIF。这两个不同相位的信号进入各自的光检测放大支路(“分”开接收),经各自的基带信号处理后,两个输出信号相加(“集”合为有用的解调信号)。这就是所谓的相位分集接收,不管相位ϕIF如何变化,最后输出总保持不变。举一个ϕIF是90°或0°的特例,不管ϕIF是90°还是0°,输出信号平方相加后 相干光纤通信系统(图3))总是。两个端口的相位分集接收的缺点是需使用两套接收机,另外,也需要高功率输出的本振激光器,以便能分配足够大的功率到每个支路。因 此,目前所有相位分集接收机均使用两个输出端口。光混频耦合器的结构见图10.3.3。
两端口输出相位分集接收机
图9.5.2 两端口输出相位分集接收机原理框图

四、 偏振分集接收——输出信号与偏振无关

       在直接检测接收机中,信号光的偏振态不起作用,这是因为这种接收机产生的光生电流只与入射光子数有关,而与它们的偏振态无关。但是,在相干接收机中,要求接收机信号光的偏振态要与本振光的偏振态匹配,并且还要保证匹配是持续保持的。否则,任何瞬时的失配都将导致数据的丢失。目前,普遍采用偏振分集接收。
       图9.5.3为偏振分集相干接收机的原理方框图。用一个偏振光束分配器(PS)获得两个正交偏振成分输出信号,然后分别送到完全相偏振无关。偏振分集接收所付出的代价取决于采用的调制和解调技术。同步解调时,功率代价为3dB;理想的异步解调接收机功率代价仅0.4~0.6dB。
偏振分集相干接收机
图9.5.3 偏振分集相干接收机
       图10.3.3表示DQPSK调制和异步相干检测光接收机,在这种接收机中,通常使用相位&偏振分集接收,提取同向分量I信号和正交分量Q信号。这样的接收机前端由90°光混频耦合器组成,其时钟提取、重取 样、色散补偿和时钟恢复采用DSP来完成,有的DSP功能也包含滤波和A-D转换。通常用极大似然(ML)算法进行相位估计。