（电磁场与微波技术专业论文）相干光通信技术的研究.pdf

，f 博士后姓名 合作导师 李岩 林金桐教授 流动站( 一级学科) 名称电子科学技术 专业( 二级学科) 名称电磁场与微波技术 研究工作起始时间2 0 0 7 年1 0 月 研究工作期满时间2 0 0 9 年1 1 月 北京邮电大学人事部( 北京) 2 0 0 9 年1 1 月 r 卜 i 一 l 摘要 摘要 近年来，随着用户对高速数据、图像和宽带流媒体等业务需求的不 断增长，光纤通信的发展方向已成为在无信号再生基础上实现更高速率 和更长距离传输。随着半导体激光器和光电器件性能的高速发展，尤其 是高速信号处理技术的发展，具有高谱效率和高灵敏度优势的相干光通 信技术越来越引起人们关注。 本文主要研究相干光通信系统的原理、实现及其应用。完成了相干 光通信理论分析和性能仿真；研究了相干光通信系统的关键技术，实现 了高灵敏度和高谱效率的相干接收实验。主要研究内容如下： 介绍了相干光通信的研究背景及优势，总结了相干光通信的国内外研 究概况，对比了已报道的大部分相干通信系统及其实现方式。对比了 相干通信系统中的单元技术并对其优缺点进行分析。介绍了相干接收 的基本原理，从理论上分析了相干接收机的各种噪声，仿真分析了相 干光系统中多种二进制码型在不同接收方式下的性能特点。 完成相干光通信系统设计。研究了相干光通信系统中的关键单元技 术，包括：1 、高稳定性低噪声的相干光源技术。完成窄线宽相干光 源的选型及其驱动电路设计，实现了线宽为2 6 m h z ，频率漂移小于 5 0 m h z ，输出功率大于1 3 d b m 的相干光源输出；2 、码型调制技术。 研究了基于单个l i n b 0 3 调制器实现多种调制码型的产生技术；研制 出了调制速率1 0 g b s ，具有偏置和增益自动控制功能的光发射机。3 、 本振和信号光相位匹配技术。4 、本振与信号光偏振匹配技术。提出 并在d s p 中实现一种在线式自适应偏振控制算法，最慢响应速度 l s ， 灵敏度优于5 4 d b m ，插入损耗 o 5 d b 。 完成了n r z 码外差包络检波和零差相位分集接收和d p s k 码的外差 l b i t 延时接收实验。优化了相干接收机的参数，在不进行频率锁定和 相位控制的情况下，n r z 码异步外差接收方式在2 5 g b i t s 传输速率 下实现了3 9 9 d b m 的灵敏度。 研究了相干光通信系统中的两种提高谱效率的复用技术。提出了一种 相干外差w d m 传输技术，提高信道谱效率为原来的1 5 倍，提出一 种多进制调制( q p s k 4 q a m ) 的相干接收技术，仅用一个低带宽的平衡 机实现谱效率为2 b i t s h z 调制格式的接收。 关键词：相干光通信，光纤通信，零差，外差 摘要 j a b s t r a c t a b s t r a c t o u rr e q u i r e m e n tt oh i g h s p e e dd a t a ，i m a g ea n dw i d eb a n ds t r e a m i n g m e d i ai si n c r e a s i n gt h e s ey e a r s a ni m p o r t a n tg o a lo fo p t i c a lf i b e rs y s t e mi s t ot r a n s m i tt h eh i g h e rd a t at h r o u g h p u to v e rt h el o n g e rd i s t a n c ew i t h o u ts i g n a l r e g e n e r a t i o n w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n to f s e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n d o p t o e l e c t r i cd e v i c e s ，e s p i c a l l yh i g h s p e e ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ， p e o p l ea r ep a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt oc 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 t e c h n i q u et h a t h a sa d v a n t a g e so fh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n de x c e l l e n t p o w e rs e n s i t i v i t y i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，p r i n c i p a l ，r e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fc o h e r e n t o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw e r e r e s e a r c h e d ；t h e o r i c a l l ya n a l y s i s a n d p e r f o r m a t i o n e m u l a t i o nw e r e a c c o m p l i s h e d ；k e ym o d u l et e c h n i q u e s i n 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 mw e r ep r e s e n t e d ；e x p e r i m e n t a ls e t u p s w e r ee s t a b l i s h e dt or e a l i z ec o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e r f o l l o w i n g sa r et h em a i n c o n t e n t so ft h i st h e s i s ： t h eg e n e r a l s t u d y s t a t u so fc o h e r e n t o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nw a s s u m m a r i z e df r o md o m e s t i ca n da b r o a di nr e c e n ty e a r s t h ep r o sa n dc o n s w e r ei n t r o d u c e d s e v e r a lr e p o r t e dc o h e r e n to p t i c a lr e c e i v es y s t e m sa n d t h e i rk e ym o d u l et e c h n i q u e sw e r ec o m p a r e d v a r i o u sn o i s ea n dt h e i r i n f l u e n c et oc o h e r e n tr e c e i v e rw e r ea n a l y s i z e db ys t u d i n gb a s i cp r i n c i p a l o fc o h e r e n tr e c e i v e r p e r f o r m a n c eo fs e v e r a lb i n a r ym o d u l a t i o nf o r m a t s r e c e i v e db yd i f f e r e n tv a r i o u sc o h e r e n td e t e c t i o ns t r u c t u r ew e r es i m u l a t e d ac o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e rs y s t e mw a sd e s i g n e da n di t s k e ym o d u l e t e c h n i q u e sw e r ep r e s e n ti n c l u d i n g ：1 h i g hs t a b i l i t y a n dl o wn o i s e c o h e r e n tl i g h ts o u r c et e c h n i q u e w ed e s i g n e dad r i v e rc i r c u i tt od r i v ea d f bl a s e r , r e a l i z e dc w o p t i c a lw i t hl i n e w i d t ho f2 6 m h za n dp o w e ro f 1 3 d b m ；2 f o r m a tm o d u l a t i o nt e c h n i q u e w er e s e a r c h e dam u l t i f o r m a t e m o d u l a t i o nm e t h o dw i t ho n el i n b 0 3m zm o d u l a t o r , r e a l i z e da n r z d p s kt r a n s m i t t e rw i t ha u t oc o n t r o lo fm o d u l a t o rb i a sa n dg a i n 3 l oa n ds i g n a lo p t i c a lp h a s em a t c h i n gt e c h n i q u e w ep r o p o s e das i m p l e a f cm e t h o dt os t a b i l i z et h ei f f r e q u e n c y 4 l oa n ds i g n a lo p t i c a l p o l a r i z a t i o nm a t c h i n gt e c h n i q u e w ep r o p o s ea n i n - l i n es e l fa d a p t e d p o l a r i z a t i o n c o n t r o l a l g o r i t h m b a s e do nd s et h er e a l i z e da u t o i i i r 卜 卜i l r a b s t r a c t p o l a r i z a t i o nc o n t r o lm o d u l eh a st h er e s p o n s i n gt i m eo f 1s e c o n d ，t h e p o w e rs e n s i t i v i t yo fo u t g o - 5 4 d b m ，a n dt h ei n s e r tl o s so f 盯；，接收机很难达到这 个散粒噪声量子极限，其信噪比公式为热噪声极限： s n r 。土墨蔓 ( 2 - 6 ) 4 k b i ? f ，n 研究证明实现相同信噪比的热噪声极限灵敏度要比散粒噪声极限灵 敏度低约2 0 d b 。通常需要在接收机前使用光放大器提高信号功率，当放 大器增益足够大时，实现盯； 口；，忽略热噪声和暗电流，使接收机工作 在接近散粒噪声极限的状态下。采用光放大器的散粒噪声极限信噪比公 式为 s n r ；南( 2 - 7 ) 4 ( g 一1 ) ，l 。j i l 必， 第二章相干光通信理论分析 式中g 为光放大器增益，n ，。是自发辐射因子，且有玎，。1 ，对于理想 放大器以。；1 。因此，对于非相干的直接接收方式，采用噪声最低的理想 放大器所能够实现的最大信噪比为： s n r = 志( 2 - 8 )娥v 利用公式2 3 和公式2 4 可得相干零差接收的信噪比公式为 s n r 一一一兰堡生 ( 2 9 ) 2 q ( g p , o + ld ) a f + 4 ( k b l | r l 、f n 鹭 、。 相干外差接收的s n r 比零差接收低3 d b 。 当昱o 足够大时，可实现散粒噪声量子极限，忽略热噪声和暗电流的 信噪比公式为： s n r ；婴。监 ( 2 1 0 ) 口掣h v a f 、。 对比式2 8 和式2 1 0 可得，相对于采用光放大器的非相干接收方式， 相干零差接收能够提高接收信噪比9 d b ，相干外差接收能够提高接收信 噪比6 d b 。在数字通信中，信噪比是影响通信系统的误码率和灵敏度的 一个重要因素。除此之外，解调方式、滤波电路的设计等很多因素也会 影响系统的误码率。 2 2 相干码型对比 相干检测技术具有检测振幅、相位和频率变化的能力，这个特点使 相干光通信系统支持多种调制格式，即幅度调制( a s k ) 、频率调制( f s k ) 、 相位调制( p s k ) 和偏振调制( p o l s k ) ，鉴于f s k 调制方式需要通过对 调制电信号进行预处理，或使用昂贵复杂的双平衡调制器实现，不适应 于实际使用，而偏振调制的稳定性差，不适于长距离传输，我们着重研 究a s k 和( d ) p s k 调制方式。常用的二进制幅度和相位调制码型包括 n r z 、r z 、c s r z 、p s k 、r z p s k 、d p s k 、r z d p s k 、c s r z