相干光通信技术

相干光通信技术相干光通信技术 徐飞 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 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 得到与信号光的频率 相位和振幅按相同规律变化的中频信号 1 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 2 相干光通信的优点 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 2 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探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 所以接收机的灵敏度得 到很大提高 因此也大大增加了光信号的传输距离 2 2 选择性好 通信容量大 相干光通信还可以提高接收机的选择性 从而充分利用光纤的低损耗光谱 区 1 25 1 6 m 提高光纤通信系统的信息容量 充分利用光纤的传输带宽 可实现超高容量的信息传输 2 3 可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应 如将外差检测相干光通信中的中频滤波器的传输函数正好与光纤的传输函 数相反 就可以降低光纤色散对系统的影响 从而提高通信质量 2 4 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波进行调制 而在相干光 通信中 不仅可以对光波进行幅度调制外 还可以进行频率调制或相位调制 如 ASK FSK PSK DPSK CPFSK 等 3 3 相干光通信需要的主要技术 相干光通信需要的主要技术 3 1 外光调制技术 由于在半导体激光器光载波的某一参数直接调制时 会附带对其他参数的寄 生振荡 如直接调制 ASK 幅移键控 会使相位产生变化 而且调制深度也会 受到限制 还会遇到频率特性不平坦及张迟振荡等问题 因此 在相干光通信 系统中 除 FSK 频移键控 采用直接注入电流进行频率调制外 其他都是采 用外光调制方式 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 2 目前对外光调制器的研究非常广泛 如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 3 2 偏振保持技术 在相干光通信中 相干探测要求信号光束与本振光束的偏振方向相同 即 两者的电矢量方向必须相同才能获得相干接收所能提供的高灵敏度 否则会使 相干探测灵敏度下降 因为在这种情况下 只有信号光波电矢量在本振光波电 矢量方向上的投影 才真正对混频产生的中频信号电流有贡献 为了充分发挥 相干接收的优越性 在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施 目前主要有两 种方法 一是采用 保偏光纤 使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变 而普通的单模光纤会由于光纤的机械振动或温度变化等因素使光波的偏振态发 生变化 二是使用普通的单模光纤 在接收端采用偏振分集技术 从接收频率选择性改善来看 由于在相干光通信系统中 经混频输出的中 频含有光载波和本振光波之间的波前相位和频率变化及偏振的信息 信号对光 载波和本振光波之间的波前相位和频率的变化及偏振失匹都很敏感 于是要求 信号光源和本振光源发出的光波频率非常稳定 优于 1MHz 相干性非常好 这 就要采用能发出频率非常稳定的单频激光管 它可使邻近波长靠得很近 这样 便可在一根光纤上同时传送多路光信号 如果目前每根光纤为一个 1GHz 的通 道 那么采用外差检测之后 理论上每根光纤能容纳 104一 105个 GHz 的通道 亦 即每根光纤的通信容量可提高 4 5 个数量级 3 3 频率稳定技术 在相干光通信中 激光器的频率稳定性是非常重要的 比如对于零差检测相 干光通信系统来说 若激光器的频率随工作条件的不同而发生漂移 就很难保 证本振光与接收光信号之间的频率相对稳定性 外差相干光通信系统也是如此 一般外差中频选择在 0 2 一 2GHz 之间 当光载波的波长为 1 5 m 时 其频率 为 200THz 中频为载频的 10 6一 10 5 光载波与本振光的频率任何微小的变化 都会对中频产生很大的影响 因此 只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高 频率稳定性 才能保证相干光通信系统的正常工作 激光器的频率稳定技术主要有三种 l 将激光器的频率稳定在某种原子或 分子的谐振频率上 在 1 5 m 波长上 已经利用氨 氢等气体分子实现了对半 导体激光器的频率稳定 2 利用光生伏特效应 锁相环技术 主激光器调频边 带的方法实现稳频 3 利用半导体激光器工作温度的自动控制 注入电流的自 动控制等方法实现稳频 3 3 4 频谱压缩技术 在相干光通信中 光源的频谱宽度也是非常重要的 只有保证光波的窄线宽 才 能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响 而且 其线宽 越窄 由相位漂移而产生的相位噪声越小 为了满足相干光通信对光源谱宽的要求 通常采取谱宽压缩技术 主要有两 种实现方法 1 注入锁模法 即利用一个以单模工作的频率稳定 谱线很窄的主 激光器的光功率 注人到需要宽度压缩的从激光器 从而使从激光器保持和主激 光器一致的谱线宽度 单模性及频率稳定度 2 外腔反馈法 外腔反馈是将激 光器的输出通过一个外部反射镜和光栅等色散元件反射回腔内 并用外腔的选 模特性获得动态单模运用以及依靠外腔的高口值压缩谱线宽度 4 3 5 非线性串扰控制技术 由于在相干光通信中 常采用密集频分复用技术 所以光纤中的非线性效应 会使相干光通信中的某一信道的信号强度和相位受到其他信道信号的影响 而形 成非线性串扰 光纤中对相干光通信可能产生影响的非线性效应包括受激拉曼 散射 SRS 受激布里渊散射 SBS 和四波混合等 由于 SRS 的拉曼增益谱很宽 所以信道能量过大时 多信道复用相干光通 信系统中必然出现高低频率信道之间的能量转移 而形成信道间的串扰使接收 噪声增大 接收机灵敏度下降 SBS 的阂值为几 mW 增益谱很窄 若信道功率 小于一定值时 并且对信号载频设计的好 可以很容易地避免 SBS 引起的串扰 但 SBS 却在很大程度上限制了信道功率 当信道间隔和光纤的色散足够小时 四波混频的相位条件可能得到满足 JWM 成为系统非线性串扰的一个重要因素 FWM 是通过信道能量的减小和使信道受到干扰而构成对系统性能的限制 当信 道功率低到一定值时 可避免 FWM 引起对系统的影响 由于受到上述这些非线性 因素的限制 采用密集频分复用的相干光通信系统的信道发射功率通常只有零 点几毫瓦 5 除了以上关键技术外 还可以在接收端还可采用相位分集接收技术以消除 相位噪声 为了减小本振光的相对强度噪声对系统的影响 可以采用双路平衡 接收技术 零差检测中为保证本振光与信号光同步而采用的光锁相环技术 以 及用于本振频率稳定的 AFC 等 4 4 相干光通信技术的发展及应用相干光通信技术的发展及应用 相干光通信的理论和实验研究始于八十年代初期 经过众多研究学者的艰 苦的努力 相干光通信已经进入了实用阶段 英 美 日等国相继进行了一系 列的相干光纤通信实验 AT T 及 Bell 公司于 1989 和 1990 年在宾州的罗灵一 克里克地面站与森伯里枢纽站间先后进行了 1 3 m 和 1 55 m 波长的 1 7Gb s FSK 现场无中继相干传输实验 相距 35 公里 光发射机组件采用二电级 DFBLD 并装有 60dB 光隔离器 驱动器加以均衡 使调制带宽达 8GHz 光接收机采用 偏振分集接收 PIN HEMT 前放为调谐式 2 一 8GH 多内平坦响应 接收灵敏度 达 41 5dB m 相干光通信技术在超长波长光纤通信系统中的应用最为广泛 因为在超长 波段 由瑞利散射决定的光纤固有损耗将进一步大幅度降低 故从理论上讲 在超 长波段可实现光纤跨洋无中继通信 而在超长波段 直接探测接收机的性能很 差 于是相干探测方式自然而然地成为唯一的选择了 超长波长光纤通信系统 是以超长波长光纤作为传输介质 利用相干光通信技术实现超长距离通信 在 该系统中超长波长光纤是至关重要的 它是一种更为理想的传输媒介 其主要 特性是损耗特低 只有石英材料的千万分之一 因此 超长波长光纤可以实现 数万公里传输 而不要中继站 它可以大幅度降低通信成本 提高系统的稳定 性和可靠性 对海底通信和沙漠地区更具有特别重要的意义 除以上应用外 由于相干光通信的出色的信道选择性和灵敏度 在频分复 用 CATV 分配网中也得到了广泛的应用 结束语结束语 相干光通信以在通信方面出色的表现 在光纤通信中得到了广泛的应用 不仅在点对点系统中继续向着高速度长距离的方向发展 特别是在海底通信市 场上有着巨大的优势和潜力 而且 利用相干检测的调谐选择性 将提供光纤网 络更多的的功能和灵活性 并大大提高了光纤带宽的利用率 降低通信成本 在局域网和广域网中都有着