（电磁场与微波技术专业论文）相干光通信系统中调制码型及自动偏振控制技术的研究.pdf

相干光通信系统中调制码型及自动偏振控制技术的研究 摘要 与使用强度调制直接检测的传统光通信系统相比，相干光通信系 统具有高灵敏度、出色的频率选择性、多种调制码型应用等特点。作 为相干光通信系统中的关键技术，调制码型技术和偏振控制技术与系 统的性能密切相关。本文主要对调幅信号的相位分集接收，正交幅度 调制( q a m ) 信号在相干光通信系统中的应用，以及相干光系统中的自 动偏振控制技术进行了研究。论文主要工作如下： 1 论文提出了一种可用于解调调幅信号的零差相位分集接收技术， 即零差异步解调技术。理论分析表明该技术可用于相位噪声消除，并 具有良好的接收灵敏度。基于该方案，成功实现了速率为2 5 g b i t s 的信号接收，测试结果表明误码率在1 0 。9 时的灵敏度为2 4 9 d b m 。 2 论文研究了方型q a m 调制信号的相干外差传输技术，实现了 1 0 g h z 中频，单路2 5 g b i t s 信号的传输，灵敏度在误码率1 0 培时为 2 1 4 d b m 。以此为基础，论文还提出了一种相干q a m 副载波系统， 对其频谱利用率和相位噪声容忍度进行了详细的理论分析，分析结果 表明该系统具有良好的频谱利用率，对于4 - q a m 信号，即q p s k 信 号可达到0 8 b i t s h z 以上。 3 论文实现了一种用于相干光通信系统的自动偏振控制技术。该技 术能在1 0 秒内将接收到的任意偏振态信号改变为固定的线偏光输 出，并保持稳定。对偏振算法进行优化后，可在4 秒内恢复。稳定后 偏振态将被持续进行跟踪，微小波动的恢复时间在毫秒量级。 关键词：相干光通信系统，调制码型，相位分集接收，正交幅度调制， 副载波复用，自动偏振控制 北京邮电人学硕j ：学位论文 r e s e a r c ho nm o d u l a t i o ns c h e m e sa n da u t o m a t i cp o l a r i z a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g yi nc o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h es y s t e mu s i n gi n t e n s i t ym o d u l a t i o nw i t hd i r e c t d e t e c t i o n ，c o h e r e n to p t i c a ls y s t e mp r e s e n t sm a n yr e m a r k a b l ef e a t u r e s s u c ha sh i g h e rs e n s i t i v i t y , b e r e rf r e q u e n c y s e l e c t i v i t y , a n dm u l t i 1 e v e l m o d u l a t i o nf o r m a t sa p p l i c a t i o n s t h em u l t i 1 e v e lm o d u l a t i o nf o r m a t sa n d p o l a r i z a t i o nc o n t r o l ，w h i c ha r ek e yt e c h n i q u e si nt h ec o h e r e n to p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，r e l a t ef i r m l yt ot h e s y s t e mp e r f o r m a n c e t h e p h a s ed i v e r s i t yr e c e p t i o no ft h ea m p l i t u d em o d u l a t i o ns i g n a l ，t h e a p p l i c a t i o no fq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( q a m ) s i g n a li nt h e c o h e r e n to p t i c a ls y s t e m ，a n dt h ea u t o m a t i cp o l a r i z a t i o nc o n t r o li nt h e c o h e r e n t o p t i c a ls y s t e ma r es t u d i e di n t h i st h e s i s t h ew o r k si nt h e d i s s e r t a t i o ni n c l t l d e 1 t h es c h e m eo fh o m o d y n ep h a s ed i v e r s i t y r e c e p t i o nf o ra m p li t u d e m o d u l m i o ns i g n a li s p r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n i nt h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，i ti sp r o v e dt h a tt h i st e c h n o l o g ye n a b l e st h ee l i m i n a t i o no fp h a s e n o i s ea n di t ss e n s i t i v i t yi sb e u e rt h a nt h a to fh e t e r o d y n ed e t e c t i o n b a s e d o nt h es c h e m e ，a2 5g b i t s p s e u d or a n d o mb i n a r ys e q u e n c e ( p r bs ) r e c e i v e ds u c c e s s f u l l y t h es e n s i t i v i t yi s 一2 4 9 d b mw h e nt h eb i t e r r o r - r a t e ( b e r ) i s1 0 一 2 an o v e lc o h e r e n th e t e r o d y n es y s t e mf o rs q u a r eq a mi sp r o p o s e d i n t h ee x p e r i m e n t ，a2 5 g b i t sp r b sw i t ht h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f l ) o f 1o g h zi st r a n s m i t t e d t h es e n s i t i v i t yi s 21 4 d b mw h e nt h eb i t e r r o r - r a t e ( b e r ) i s 10 一b a s e do nt h i s s c h e m e ac o h e r e n tq a ms u b c a r r i e r m u l t i p l e x i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d t h et h e o r e t i c a ld e m o n s t r a t i o na n d s i m u l a t i o na r eg i v e nf o rt h e a n a l y s i so ft h es p e c t r a le 所c i e n c ya n d t o l e r a n c eo fl i n e w i d t h t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w si t ss p e c t r a le m c i e n c y a c h i e v em o r et h a n0 8 b i t s h z 3 a na u t o m a t i cp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e rt e c h n o l o g yu s e di nt h ec o h e r e n t i i 北京邮电人学硕i ：学位论文 o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i s p r e s e n t e d i nt h ed i s s e r t a t i o n t h e r a n d o mp o l a r i z a t i o no fr e c e i v e do p t i c a ls i g n a lc a nb et r a n s f o r m e di n t oa s t e a d yf i x e dl i n e a rp o l a r i z a t i o ni n10s e c o n d s a f t e rt h eo p t i m i z a t i o no f t h ea l g o r i t h m ，t h et i m ec a nb ei i m i t e di n4s e c o n d s t h ec i r c u i ta n d a l g o r i t h md e s i g n sa r ed e t a i l e di n t r o d u c e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h et i n y f l u c t u a t i o no f p o l a r i z a t i o nc a nb ee l i m i n a t e di ns e v e r a lm i l l i s e c o n d s k e yw o r d s ： c o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，m o d u l a t i o n s c h e m e s ，p h a s ed i v e r s i t yr e c e p t i o n ，q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ， s u b c a r r i e rm u l t i p l e x i n g ，a u t o m a t i cp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：釜逸 一日期竺二卫j l q l 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：拙 日期：型! 1 2 ：f 拿一一 导师签名：i ( 7 y v 、v 日期堡之：兰：望 | 北京邮i u 人学硕，i j 学位论文 1 1 相干光通信系统 1 1 1 相干光通信系统 第一章绪论帚一早三百v 匕 波分复用( w d m ) 技术和掺铒光纤放大器( e d f a ) 的应用已经极大的提高了光 通信系统的带宽和传输距离，但是近十年来伴随着视频会议等通信技术的应用和 互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了 更高的传输性能要求。目前商用光通信系统普遍采用基于w d m 的强度调制直 接检钡i j ( i m d d ) 模式，即发送端调制光载波强度，使用w d m 模块对光信号在光 波长域上进行复用，接收端先对w d m 信号进行解复用，解复用后对光载波进行 包络检测。尽管这种结构具有简单、成本低、容易集成等优点，但是由于只能采 用a s k 调制格式，其单路信道带宽很有限。因此这种传统光通信技术具有很大 的弊端。然而在通信泡沫破灭的今天，新的光通信技术的应用不可避免的会带来 对新型通信设备的需求，面对居高不下的光器件价格，大规模通信设备更换所需 要的高额成本，是运营商所不能接受的，因此对设备制造商而言，光纤通信新技 术的研发也面临着很大的风险。如何在现有的设备基础上提高光通信系统的性能 成为了切实的问题。在这样的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技 术受到了广泛的关注。 相干光通信的理论和实验始于8 0 年代。由于相干光通信系统被公认为具有 灵敏度高的优判1 1 ，各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。经过十年的研 究，相干光通信进入实用阶段。英美日等国相继进行了一系列相干光通信实验。 a t & t 及b e l l 公司于1 9 8 9 和1 9 9 0 年在宾州的罗灵一克里克地面站与森伯里枢纽 站问先后进行了1 3 9 m 和1 5 5 1 x m 波长的1 7 g b i t sf s k 现场无中继相干传输实 验，相距3 5 公里，接收灵敏度达到4 1 5 d b m t 2 1 。n t t 公司于1 9 9 0 年在濑户内陆 海的大分一尹予和吴站之间进行了2 5 g b i t sc p f s k 相干传输实验，总长4 3 l 公 里【3 】o 直到1 9 世纪8 0 年代末，e d f a 和w d m 技术的发剧4 1 ，使得相干光通信 技术的发展缓慢下来。在这段时期，灵敏度和每个通道的信息容量已经不再备受 关注。然而，直接检测的w d m 系统经过二十年的发展和广泛应用后，新的征兆 北京邮i 【1 人学硕i ：学位论义 开始出现，标志着相干光传输技术的应用将再次受到重视。在数字通信方面，扩 大c 波段放大器的容量，克服光纤色散效应的恶化，以及增加自由空间传输的 容量和范围已成为重要的考虑因素【5 】。在模拟通信方面，灵敏度和动态范围成为 系统的关键参数，而他们都能通过相关光通信技术得到很大改善。 在数字传输系统中，d p s k 和d q p s k 的使用已经非常普遍，这就标志着采 用相位敏感的编码和传输技术将成为一种趋势。而检测灵敏度和频谱效率是这种 趋势的关键所在。其他影响选择检测方案的因素还包括物理层的安全可靠性和网 络的自适应性，两者都可得益于采用相干光技术的幅度，频率和偏振编码。相干 模拟传输与非相干传输相比，也同样具有很大的优势，其中在动态范围方面最为 显著。虽然模拟通信不及数字通信应用广泛，但是模拟传输在很多特殊环境应用 上有很重要的作用。 同时，在这短短的二十年中，在光器件方面取得了很大的进步，其中激光器 的输出功率，线宽，稳定性和噪声，以及光电探测器的带宽，功率容量和共模抑 制比都得到了很大的改善，微波电子器件的性能也大幅提高【6 】。这些进步使得相 干光通信系统商用化变为可能。 相干光通信技术经过近二十年的蛰伏期，在最近几年越来越受到国际学术界 的关注。从0 5 年至今，每年都有大量关于相干光通信技术的文章在国际高水平 会议和期刊上发表，内容包括各种新型调制码型，如正交频分复用( o f d m ) 、偏 振差分四相移相键控( p o l m u x d q p s k ) 等，相干光通信关键技术的研究，相干 光通信中的高速数字信号处理，以及相干光接收机集成化的研究等。此类研究多 集中于美国、日本、德国、荷兰、英国等发达国家，中国也有相关研究文章发表。 相干光通信方面的理论研究正在逐年升温，商品化研发也在缓慢进行。0 6 年美 国d i s c o v e r y 公司推出了带宽2 5 g b i t s 及1 0 g b i t s 的外差检测相干光接收机， 在带宽为1 0 g b i t s 误码率为l o 习时灵敏度可达3 0 d b m ，集成的相干接收机体积 比普通电脑机箱小，便于运输和野外工作。此外，日本的富士通公司，加拿大的 北电网络等公司对相干光通信系统都有深入的研究，并且研发了稳定的商用系 统。相干光通信的一些关键器件及技术也在近几年得到了很大的发展，如 d i s c o v e r y 、德国u 2 t 等公司可提供高速高输入功率的平衡接收机，美国通用 光电子公司可提供响应时间在微秒量级的高速偏振控制器。 虽然相干光通信系统的潜在优势使它具备取代传统光通信系统的可能，但是 目前其实用化研究多集中在特殊环境的应用，如跨洋通信、沙漠通信、星间通信 等。传统光通信系统需要使用大量e d f a 、s o a 等中继设备，但是在海底和沙漠 等条件非常恶劣的环境中，这些精密设备容易损坏，且修理和更换费用昂贵。相 2 北京邮i 【1 人学硕i ：学位论文 干光通信由于其无中继距离远大于传统光通信系统，可以大量减少中继设备，降 低维护和修理费用。此外，相干光通信一大热点在于星间光链路通信【7 】。理论上， 与r f 载波相比，光载波在卫星通信中具有极强的优势，包括传送带宽大、质量 体积功耗小等，通信光极窄的波束宽度也带来了很好的抗干扰和抗截获性能，可 以极大地提高通信系统的信息安全。因此，相干光通信技术是星间激光通信链路 技术发展极具潜力的选择【8 】。在1 9 8 0 1 9 9 5 年间，相干光通信是国际光通信领域 的研究热点。1 9 9 5 年前后，随着e d f a 和w d m 的成熟，在光纤通信的商用领 域，传统光通信系统已足以保证通信性能，而在无法使用e d f a 做中继的星间光 通信领域，相干光技术则一直被视为满足功率受限的卫星光通信系统的高灵敏度 高带宽要求的必然选择，国外对此进行了大量的研究。1 9 9 7 年开始，e s a 与德 国航天中心合作进行o g s 研究项目，研究星地激光通信中光学地面站的1 0 6 9 m 光外差探测技术。日本国家宇宙开发事业团自1 9 9 8 年以来进行了大量星间相干 光通信的研究，对各种相干通信方案进行了星间通信的对比研究。从1 9 9 9 年左 右，加州理工j p l 实验室重点研究通过相干光通信技术扩展星间光通信链路的信 道容量。与此同时，麻省理工林肯实验室研究了各种相干通信方案在l e o 星问 平台振动条件下的信噪比、误码率等通信性能，并提出了发射功率自适应技术方 案，其实验装置通信距离3 0 0 0 k m ，误码率1 e 曲码速率2 g b i t s 。 1 1 2 相干检测的基本原理 光接收机作为光纤通信系统的关键器件之一，其性能直接影响系统的传输距 离和误码率等传输指标。光接收机的任务是把发送端通过光纤传来的微弱光信号 检测出来，然后放大再生成原来的电信号。对光接收机的基本要求是：应具有较 高的灵敏度，以适应长距离通信的要求；应具有较大的动态范围，以适应各种通 信距离的要求。 根据调制方式和检测方式的不同，光通信系统大致分为两类：强度调n 直 接检测( i m d d ) 通信系统和相干光通信系统。对应于这两种通信系统的接收方式 分别为直接接收和相干接收。目前使用最为普遍的是直接检测光接收机，通常简 称光接收机。 直接检测光接收机主要由光检测器，放大器和电信号处理电路组成，如图1 1 所示。接收机对经过强度调制的光载波进行包络检测和放大、整形等处理，恢复 发送端的信号。直调接收机由于结构简单，容易集成，价格便宜，能采用多种材 料等优点得到广泛使用f 引。 北京邮i 乜人学硕：l ：学位论文 光检测器 图卜1 直接检测光接收机框图。 目前直接检测光接收机j 下朝着集成化、小型化、高传输速率的方向发展。 1 集成化 光接收机由于商业化的推广都做成模块。因为使用模块化产品进行系统设 计，能够得到更高的集成度，有效得减少分布电容和电感不良影响，外壳的屏蔽 使模块内部的电路所受电磁干扰要小得多，有利于提高整体性能。l u c e n t 公司作 为世界上主要的s o n e t s d h 光器件和光模块产品的供应商，为了提高产品的性 能和集成，它的光接收模块都集成了时钟和数据恢复电路单元【1 0 1 。 2 小型化 新型的商业光接收机模块向着小封装方向发展，传统的大尺寸、双列直插封 装形式目前被同轴封装所取代【l l 】。a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 是世界主要的光电收发模 块的主要产商之一，它推出的小封装s f f ( s m a l lf o r mf a c t o r ) 光收发模块采用了 先进的精密光学以电路集成工艺，尺寸仅为传统产品的s c 一半大小，并且快速 在以太网和a t m 市场上得到广泛的应用。l u c e n tt e c h n o l o g i e s 公司推出的 n e t l i g h t 系列光收发模块也具有体积小巧的优点，能减少p c b 占用面积，增加 线路端口密度。n e t l i g h t 系列光收发模块的宽度仅为1 3 6 m m ，具有很低的插入 损耗，适用于应用在单模光纤中。 3 高速率 光纤具有理想的带宽特性，但是目前的光电技术发展水平还远未能充分利用 光纤的高带宽，因此光电器件的研究开发将向着高传输速率的发展方向，光接收 机也不例外。光接收机的传输速率先后经历了1 5 5 m b p s 向6 2 2 m b p s 、2 5 g b p s 发 展的历程。目前美国d i s c o v e r y 公司研制成功通信用超高速光电转换元件光二极 管，这种二极管具有很高的光电转换效率，每秒钟可以接收4 0 g b p s 速率的信号 1 2 1 。 虽然直接检测光接收机被广泛采用， 性，存在频带利用率低、接收灵敏度差、 但是它不能充分发挥光纤通信的优越 无中继传输距离短等缺点。 相干光通信系统与i m d d 系统相比，最主要差别是在光接收机中增加了本 4 北京邮i 乜人学颀l - q ：位论文 地振荡光源。相干接收机的结构框图如图1 2 所示。当本振光波长与信号光波长 相同时，系统为零差相干接收。当本振光波长与信号光波长不同时，系统为外差 相干接收，且波长差对应的频率称为中频【1 3 】。 光信号 、厂 _ |【 匡h 电信号处理l 电信号输l 弩 九 - 一、。一 【 低通滤波器 本振光源平衡接收机 ( b ) 本振光源 平衡接收机 图1 - 2 相干接收框图。( a ) 零差相干接收原理图。( b ) 外差相干接收原理图。 与i m d d 系统相比，相干光系统主要有以下优点。 1 灵敏度高，中继距离长 相干光通信的一个最主要的优点是相干检测能改善接收机的灵敏度。在相干 光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小与信号光功率和本振光功率的 乘积成正比。由于本振光功率远大于信号光功率，从而使接收机的灵敏度提高约 1 0 2 0 d b 。以1 3 1 6 岬波段为例，强度调制直接探测接收机需要约为1 0 0 0 p h o t o n s b i t 以达到l o 母的误码率，而相干接收机要达到相同的误码率仅需 1 0 2 0 p h o t o n s f o i t 甚至更少，可以达到接近散粒噪声极限的高性能，并因此也增加 了光信号的传输距离。可见，相干探测的高灵敏度使相干接收机更适合于弱光信 号的探测，而直接探测仅适宜于较强光信号的探测。接收机的高灵敏度也增加了 光信号的无中继传输距离。 2 选择性好，通信容量大 相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。在直接探测中， 接收波段较大( 1 0 0 n m ) ，为抑制杂散背景光的干扰，探测器前通常需要放置窄带 滤光片，但其频带仍然很宽，通常使用的可调光滤波器的带宽为1 0 n m 左右。在 相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的 杂散光才可以进入系统，而其它杂散光所形成的噪声均被中频放大器滤除。可见， 外差探测对背景光有着良好的滤波性能。此外，由于相干探测优良的波长选择性， 北京邮i u 人学硕：i ：学位论文 相干接收机可以使频分复用系统的频率l 司隔达到1 0 0 m h z ，取代传统光复用技术 的大频率间隔( 2 0 0 g h z ) ，具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。 3 具有多种调制方式 在直接检测系统中，只能使用强度调制方式对光进行调制。而在相干光通信 中，除了可以对光波进行幅度调制外，还可以进行频移键控或相移键控，如二进 制相移键控、差分相移键控、连续相频键控等，具有多种调制方式，利于灵活的 工程应用，虽然这样增加了系统的复杂性和光损耗，但是相对于强度调制直接 探测只响应光功率的变化，相干探测可探测出光场的振幅、频率、相位携带的所 有信息，因此相干探测是一种全息探测技术，这是强度调n 直接探测不具备的。 1 2 相干光通信系统的关键技术 1 2 1 平衡接收机 平衡接收机的功能是消除强度噪声1 4 】。强度噪声是由于随机的自发光发射 导致的激光器强度波动。在相干光通信系统中，强度噪声是主要噪声。平衡接收 机原理图如图1 3 所示。两个性能参数完全一样的光电二极管的正负极分别相连， 且都处于反向偏压工作模式。 光输 光输 电输出 图1 3 平衡接收机原理图。 在相干光通信系统中，耦合器输出的两束幅度频率相同，相位差为9 0 。的信 号光分别输入平衡接收机的两个光电二极管中，两个光电二极管输出的光电流可 表示为 - ：r ( e s + ) + 尺厄c 。s ( f + 加) ( 1 - 1 ) t ：丢r ( b + 最。) 一rp s x 瓦o 。c 。s ( f + 缸) ( 1 - 2 ) 6 北京邮i 【1 人学硕? i ：学位论文 其中r 为光电二极管的响应度，p s 为接收到的信号光的功率，p r o 为本振光的功 率，c o i f 为中频，i f 为相位。这两路信号相减后即为平衡接收机的输出 i = 2 尺厄c o s ( h 缸) ( 1 - 3 ) 由公式( 1 3 ) 可见原两路信号中的直流成分被消除，同时与直流相关的强度噪声被 消除，但是与交流成分相关的强度噪声却依然存在，但是由于电流中的直流成分 远大于交流成分，因此接收机中的强度噪声被大大减弱，接近消除。同时使用平 衡接收机需要使用耦合器的两路输出，这样与不使用平衡接收机只用耦合器的一 路输出相比，大大提高了光功率的利用效率。 1 2 2 高性能激光器的窄谱线技术 在相干光通信系统中，半导体激光器的相位噪声是一个关键问题。相位噪声 使半导体激光器的谱线展宽。相位噪声可以简单地用激光器的谱线宽度来量度， 谱线宽度越大，相位噪声就越大。因此，相干光通信系统要求激光器的谱线宽度 越窄越好，谱线宽度越小，接收机的灵敏度越高，理想情况为单频。 如表1 1 所示，不同调制方式对相干光通信系统要求的光源谱线宽度不同 1 5 1 1 6 】。p s k 零检波系统，相位噪声对系统性能影响很大，对光谱线要求最严。 f s k 和a s k 外差中频异步检波系统，相位噪声对系统性能的影响小，因而对光 源要求最低。应该指出，相干光通信系统要求光源谱线宽度的可变范围是以一定 的接收机灵敏度为代价的。当光源的谱线宽度较大时，其代价也就越大，但当大 到一定程度时，无论用多大的功率代价也无法使系统正常工作，这就是相位噪声 限制的工作状态。因此，对于相干光纤通信系统。窄的稳定的谱线宽度是相干光 通信实用化的必要条件。 表1 1 相于光通信光源谱线要求 接收方式 调制方式2 g b s 谱线( m h z ) 非相干检测a s k1 8 0 f s k 3 6 _ 一1 8 0 d p s k1 5 - 。 外差相干检测p s k15 零差相干检测p s k1 6 7 北京邮i 【1 人学顾l ：学位论文 相干光通信系统的光源包括信号发射激光器和接收本振激光器，它们的基本 要求是单纵模窄谱线。对于信号激光器在动态调制下仍应能保持动态的单频特 性，而且调制带宽应能满足相应的码率要求。 满足上述要求的实用半导体激光器光源主要有小型外腔半导体激光器、集 成外腔半导体激光器以及新型结构d f b 和d b r 激光器。目前采用d f b 激光器 实现f s k 制式的相干光纤通信已经完全达到实用化水平。为满足高速调制和宽 范围调谐的要求相应地出现了一些新型器件，其中最典型的是多电极( - - n 三 个分开电极) d f b l d 和三段式d b r l d 。多电极d f b l d 的不同段按偏置在阈 值之下，分别作增益段( 并加调制信号) 及波长调谐段。恰当地控制加到各电极的 电流比值，可在宽范围调谐并使输出功率保持相对恒定。这种激光器总腔长 5 0 0 1 2 0 0 u m ，线宽2 3 m h z ，调制宽度最高可达8 1 0 g h z 。由此可见这种多电 极d f b l d 性能优良，是发射端较理想的调制光源。 1 2 3 稳频技术 从相干光通信的基本原理可以知道，如果信号光的频率或本振光的频率的相 对变化超过了放大器的通带宽度，则相干光通信系统就无法正常工作。因此希望 l d 有很高的频率稳定性。一般要求频率漂移在1 0 m h z 以内，这很不容易达到， 因此必须对l d 采取相应的稳频措施。在严格控制激光器组件的温度( 0 1 0 内) 及l d 芯片的偏流( 0 1 m a 内) 的基础上，用光电反馈环路进行稳频，当前采 用的稳频方案主要有： ( 1 ) 相对稳频：用f p 标准具、环形谐振腔、锁模气体或固体激光器为参考， 利用它们的梳状谐振滤波或鉴频特性或梳状振荡谱，与被稳定的半导体激光器输 出谱作比较来达到稳频目的，一般可获得1 0 8 数量级的频率稳定度将激光器频率 控制到约2 0 0 m h z 以内。 ( 2 ) 绝对稳频：利用某些稳频气体或固定激光器的发射谱线，某些分子或原 子的吸收或辐射跃迁，达到频率稳定度为1 0 8 1 0 1 0 ，可将半导体激光器的频控制 在几个m h z 以内。 相干光接收机中的自动频率控制模块( a f c ) 用以保证本振光与信号光的跟 踪，这种a f c 环应能具有“冷启动”的能力，即设备一通电就能很快地完成光频 的搜索、捕捉和锁定的过程，并在传输巾断后一旦恢复即能自动重新启动。因此， 实用的a f c 环内有伺服系统，能将l d 芯片的温度从1 5 0 - 3 5 0 范围内调谐( 2 n m 范围) 进行搜索。一旦捕捉到所需信道就转入a f c 模式进行跟踪锁定。 北京邮l 乜人学硕i ：学位论文 1 2 4 高性能的无源光器件 相干光通信系统除有源器件之外，还需要一系列高性能的无源光器件，如光 纤耦合器、光隔离器等。耦合器的作用是将信号光源和本振光源混合在一起。如 果有即使很小部分的光波反馈回到信号光源或本振光源中，将会引起光源谱宽发 生展宽，甚至引起多纵模工作，这在相干光通信中是必须避免的，因此在信号光 源和本振光源后都应该使用光隔离器。 1 2 5 调制码型技术 与传统i m d d 光通信系统相比，相干光通信系统的一大优势就是可以解调 调制在光载波幅度、相位、波长和偏振态上的信号。因此，在相干光系统中，先 进的调制码型可以提高频谱利用率，增加系统容量，降低误码率。目前，先进的 调制码型包如分相位调带i j ( d p s k ) 和正交幅度调锖i j ( q a m ) 等，是相干接收领域的 一大研究热点。 1 2 6 偏振分集接收及偏振控制技术 在相干光通信中，为了使信号光与本振光发生相干耦合，它们应该具有相同 的偏振状态。本振光的偏振态由光源决定并可以通过使用保偏光纤保持恒定，但 是通过普通单模光纤传输的信号光容易受到各种因素影响，例如非均匀压力、温 度变化等因素，导致光偏振态随机变化。偏振态随机变化的信号光与偏振态保持 恒定的本振光混合时，就形成随机变化的偏振噪声。偏振噪声严重时可以使得信 号消失。因此，在相关光通信系统中，必须设法减小偏振噪声。使用偏振分集接 收和偏振控制技术可以实现这种功能。 图1 - 4 偏振分集接收技术原理图。 偏振分集接收的基本原理图如图1 4 所示。偏振分集接收的基本工作原理为： 9 北京邮i 乜人学硕l ：学位论义 使用两个偏振分束器把信号光和本振光分别分解为偏振态币交的两组光束，两组 相同偏振态的光分别进行耦合及相干检测，平衡接收机输出的光电流进行相加。 相加后的电信号可使用同步或异步解调以及数字信号处理等方式进行解调。通常 平衡接收机和偏振分集接收机和集成使用。 虽然偏振分集接收技术稳定而且实现比较容易，但是由于需要使用两个平衡 接收机以及其他器件，会提高系统成本，还会增加信号光的损耗并引入更多的噪 声。因此，在相干光通信系统中，主要使用偏振控制的方法消除偏振噪声。图 1 5 为其原理图。通过反馈控制算法实时跟踪控制信号光的偏振态与本振光的偏 振态相同。 1 3 论文主要工作 本振光源平衡接收机 图1 - 5 偏振控制技术原理图。 论文主要针对相干光通信系统中的关键技术，调制码型技术和自动偏振控制 技术进行研究。本论文主要工作如下： 第一章为绪论，对相干光通信系统的特点、发展历史、现状和趋势进行了介 绍。此外还对相干光通信系统中的关键技术进行了综述性介绍。 第二章在传统的相干光通信系统中调幅信号调制解调方案的基础上，利用混 频器、功分器、滤波器等微波器件实现了一种调幅信号的零差相位分集接收方案， 并进行了详尽的数学理论推导、仿真和实验验证。此外，以调幅信号的其他解调 方案为基础，对零差相位分集接收方案进行了比较和分析。 第三章提出了一种外差相干q a m 传输系统，对其进行了理论推导及实验验 证。在此基础上提出一种相干副载波q a m 传输系统，并详细分析了其频带效率 等性能。 l o 北京邮i u 人学硕i ：学位论文 第四章提出了一种相干光通信系统中使用的自动反馈偏振控制方案，对其中 光接收电路的设计和偏振控制算法的设计进行了详细的介绍，并对实验结果进行 了分析。 第五章对论文工作进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 北京邮i u 人学坝l j 学位论义 第二章幅度调制零差相位分集接收技术的研究 在相干光通信系统中，幅度调链i l ( a s k ) 信号是使用最广泛，研究最深入的调 制码型。调幅信号具有调制解调简单的优点，但是其频谱利用率比较低。尽管调 幅信号的性能不尽如人意，但是目前其在商用相干光通信系统中仍然是使用最多 的调制码型。调幅信号可以分为不归零码( n r z ) 和归零码( i 国。由于n r z 码具 有谱结构紧凑，调制和解调结构简单的优点，在光通信系统中获得了广泛应用。 但相比其它调制格式，n r z 码信号的平均发射功率较高，而高功率光信号会在 光纤传输时引起非线性效应导致n r z 码光信号的严重失真1 1 7 j 。r z 码由于占空 比和平均发射功率的减小而具有较好的光纤非线性容忍度【i8 】- 【2 。r z 码带宽较 宽，所以相比n r z 码而言，r z 码的脉冲峰值功率较低，减少了s p m 的影响； 同时由于r z 码信道间相互作用时间短，也减小了x p m 的影响。但由于r z 码 的频带宽，其色散容忍度较差，在长距离传输时需要更多的色散补偿，因此应用 范围并不大。 在相干解调中，零差解调的灵敏度比外差解调高3 d b ，但是其对信号光源和 本振光源的线宽都有比较高的要求，还需要使用特殊的光锁相技术( o p l l ) 2 2 】。 本章将介绍一种零差相位分集接收技术，它具有较高的线宽容忍度。 2 1 零差相位分集接收原理 相位分集接收技术是指，在接收端使用光器件或者微波器件把接收信号相位 的同相分量和正交分量同时接收，再进行电处理，从而消除相位对信号幅度的影 响。把这种技术应用在相干光通信系统中就是相干光相位分集接收技术。因为它 采用异步解调方案【2 3 】【2 4 1 ，因此也可以称为零差异步解调技术。 1 2 北京邮也人学硕f ：学位论文 图2 - 1 零差相位分集接收原理图 图2 1 所示为零差相位分集接收原理图。信号光和本振光分别功分为功率相 等的两路，其中本振光两路中的一路发生9 0 0 相移，两组光分别耦合后经过平衡 接收和放大，再使用功分器和混频器进行平方、相加，经过低通滤波器后就可以 输出数据。若调制格式是多进制调幅，还需在低通滤波器后增加一个多进制解调 模块。平方的功能可以通过使用微波功分器将原信号分为两路，再输入宽带混频 器进行混频实现。相加的功能可以通过使用微波功分器实现。使用这种零差相位 分集接收结构，可以把本振光和信号光之间频率波动及相位波动消除，即可以不 使用光或电锁相环就可以稳定的解调出信号。同时，这种结构也可以容忍更宽的 激光器线宽。 假设相干接收机接收到的光信号为 e s = 厄se x p j ( a i s t + # s ) 其中p s 为接收到的信号光的光功率，s 为信号光的频率， 假设本振光为 = ie x p j ( 缈l 。h 丸。) 】 ( 2 1 ) s 为信号光的相位。 ( 2 2 ) 其中p l o 为本振光的光功率，0 3 i _ 0 为本振光的频率，m 为本振光的相位。信号 光分为两路后可表示为 乓。= b ：= 虿2 e x p j ( a t s t + s ) ( 2 3 ) 同理，本振光分为两路，第一路引入9 0 0 相移，可以表示为 。= 瓦2 e x p ( q 。h 吮。+ 万2 ) 】( 2 4 ) 1 3 北京i i i i i i l 2 , 人学顾l 学位论文 臣。2 = 2 x 瓦w 2e x p j ( c o l 。f + 丸。) 】 ( 2 - 5 ) 接收机的上下两路信号光和本振光分别进入耦合器进行耦合，可以得到 鼢1 j k e o = 1 ) t , e l 0 2 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 经过计算可得 巨l = 2 x 愿s1 2 e x p j ( c o s t + # s ) 一2 x 瓦w 2 e x p j ( c o l 。f + ) 】 ( 2 - 8 ) 置：= _ ，属2 e x p ( f + 热) 】+ j 柝瓦2 e x p ( 吼+ 丸d ) 】 ( 2 - 9 ) 易。= 酉2 e x p ( 略f + 丸) 】+ _ ，厄2 e x p 【_ ，( 吮+ 丸。) 】 e ：= 酉2 e x p ( 略f + 九) 】+ 厄2 e x p 【( 吮+ 唬。) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 其中e l l 和e 1 2 为上路耦合器的输出，e 2 l 和e 2 2 为下路耦合器的输出。两个耦合器的 输出分别输入两个平衡接收机。平衡接收机的输出为 = ( 1 巨。1 2 一i 巨2 1 2 ) = - 2 xpsxpx瓦oc o s ( c o s t + 乎t s ) 一( q 。t + b l 。) 】 ( 2 1 2 ) 厶= ( i 岛。1 2 一i 岛：1 2 ) = 2 i x 厩s i n ( c o s t + i b s ) 一( 吼d f + 唬。) 】 ( 2 1 3 ) 其中肛为平衡接收机的响应度。上下两路信号经过放大平方后，可得到 墨= 砰 ( 2 1 4 ) 是= 趔 ( 2 1 5 ) 最后经过功分器相加和低通滤波后可得到输出信号 s o = s i + 足= 8 k , t t 2 b 置d ( 2 1 6 ) 从式( 2 1 6 ) f f f 以看到，频率波动和相位波动可以被消除掉，p s 包含有调幅信 1 4 北京邮l 乜人学硕i j 学位论义 号的数据。可见在相位分集接收技术可以在消除掉相位噪声的前提下解调出调幅 信号。 2 2 仿真结果 9 0 2 04 0 t i m e s ( n $ ) 宅 善 星 五 量 】 j i - l4肿 2 0 t i m e “n s ) u _ k | 图2 2 输出电信号( a ) 上路混频器输出信号。( b ) 下路混频器输出信号( c ) 低通滤波 器输出信号。 图2 2 所示为零差相位分集接收的仿真输出信号。从图2 2 ( a ) 和2 2 ( b ) 可以看 出，单路信号由于相位噪声的影响，数据的幅度波动非常大，一些严重情况下信 号完全消失，不能解调。图2 2 ( c ) 表示经过两路信号的相加，噪声被抵消掉，信 号得以恢复，并且保持稳定。仿真结果验证了式( 2 1 6 ) 。 | | j | | | | | | | | | | | | | | | ； 0 一c一可星lde 北京邮1 1 1 人学硕i ：学位论义 卜一h o m o d y n es y n c h r o n o u sd e t e c t i o n - h o m o d y n ea s y n c h