第五讲相干光通信技术课件.ppt
第五讲相干光通信技术第1页，此课件共32页哦 与与IMD方方式式相相比比，相相干干检检测测可可以以把把接接收收灵灵敏敏度度提提高高20 dB，相相当当于于在在相相同同发发射射功功率率下下，若若光光纤纤损损耗耗为为0.2 dB/km，则则传传输输距距离离增增加加100 km。同同时时，采采用用相相干干检检测测，可可以以更更充充分分利利用用光光纤纤带带宽宽。我我们们已已经经看看到到，在在光光频频分分复复用用(OFDM)中中，信信道道频频率率间间隔隔可可以以达达到到10 GHz以以下下，因而大幅度增加了传输容量。因而大幅度增加了传输容量。所所谓谓相相干干光光，就就是是两两个个激激光光器器产产生生的的光光场场具具有有空空间间叠叠加加、相相互互干涉性质的激光。干涉性质的激光。实实现现相相干干光光通通信信，关关键键是是要要有有频频率率稳稳定定、相相位位和和偏偏振振方方向向可可以以控控制的窄线谱激光器。制的窄线谱激光器。第2页，此课件共32页哦 7.5.1 相干检测原理相干检测原理 图图中中示示出出相相干干检检测测原原理理方方框框图图，光光接接收收机机接接收收的的信信号号光光和和本本地地振振荡荡器器产产生生的的本本振振光光经经混混频频器器作作用用后后，光光场场发发生生干干涉涉。由由光光检检测测器器输输出的光电流经处理后，以基带信号的形式输出。出的光电流经处理后，以基带信号的形式输出。图图7.38 相干检测原理方框图相干检测原理方框图光检测器光检测器电信号电信号处理处理基带信号基带信号本地光本地光振荡器振荡器混频器混频器w wL信号光信号光w wS第3页，此课件共32页哦图图7.38 相干检测原理方框图相干检测原理方框图光检测器光检测器电信号电信号处理处理基带信号基带信号本地光本地光振荡器振荡器混频器混频器w wL信号光信号光w wS 单单模模光光纤纤的的传传输输模模式式是是基基模模HE11模模，接接收收机机接接收收的的信信号号光光其其光场可以写成：光场可以写成：ES=ASexp-i(St+S)(7.26)式中式中,AS、S和和S分别为信号光的幅度、频率和相位。分别为信号光的幅度、频率和相位。第4页，此课件共32页哦同样，同样，本振光本振光的光场可以写成的光场可以写成 EL=ALexp-i(Lt+L)(7.27)式中式中,AL为本振光的幅度、为本振光的幅度、L为本振光的频率为本振光的频率L为本振光的相位。为本振光的相位。保保持持信信号号光光的的偏偏振振方方向向不不变变，控控制制本本振振光光的的偏偏振振方方向向，使使之之与信号光的偏振方向相同。与信号光的偏振方向相同。本振光的中心角频率本振光的中心角频率L应满足应满足 L=S-IF或或L=S+IF (7.28)式中，式中，IF是中频信号的频率。是中频信号的频率。这时的光功率这时的光功率P与光强与光强|ES+L|2成比例：成比例：P=K|ES+EL|2 (7.29)式中，式中，K为常数。为常数。第5页，此课件共32页哦式中式中,PS=KA2S,PL=KA2L,IF=S-L。显显然然，式式(7.30)右右边边最最后后一一项项是是中中频频信信号号功功率率分分量量，它它实实际际上上是是叠加在叠加在PS和和PL之上的一种缓慢起伏的变化，如图之上的一种缓慢起伏的变化，如图7.39 所示。所示。由由式式(7.26)式式(7.29)，根根据据模模式式理理论论和和电电磁磁理理论论计计算算的的结结果，输出光功率近似为：果，输出光功率近似为：P(t)PS+PL+2 cosIFt+(S-L)(7.30)图图7.39 干涉后的瞬时光功率变化干涉后的瞬时光功率变化 第6页，此课件共32页哦 由由此此可可见见，中中频频信信号号功功率率分分量量带带有有信信号号光光的的幅幅度度、频频率率或或相相位位信信息息。在在发发射射端端，无无论论采采取取什什么么调调制制方方式式，都都可可以以从从接接收收端端的的中中频频功功率率分分量量反反映映出出来来。所所以以，相相干干光光接接收收方方式式是是适适用用于于所所有有调调制制方式的通信体制。方式的通信体制。相干检测有相干检测有零差检测零差检测和和外差检测外差检测两种方式。两种方式。图图7.39 干涉后的瞬时光功率变化干涉后的瞬时光功率变化 第7页，此课件共32页哦1.零差检测零差检测 选选择择L=S，即即IF=0，这这种种情情况况称称为为零零差差检检测测。这这时时，滤去直流分量，中频信号产生的光电流为滤去直流分量，中频信号产生的光电流为 I(t)=cos(S-L)(7.31)零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为：零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为：4 2 PS PL/(2 PS 2)=4PL/PS。通通常常PLPS，同同时时考考虑虑到到本本振振光光相相位位锁锁定定在在信信号号光光相相位位上，即上，即L=S，这样便得到，这样便得到零差检测的信号光电流为：零差检测的信号光电流为：IP=(7.32)式中，式中，为光检测器的为光检测器的响应度。响应度。第8页，此课件共32页哦 由由于于PLPS，零零差差检检测测接接收收光光功功率率可可以以放放大大几几个个数数量量级级。虽虽然然噪噪声也增加了，但是灵敏度仍然可以大幅度提高。声也增加了，但是灵敏度仍然可以大幅度提高。零零差差检检测测技技术术非非常常复复杂杂，因因为为相相位位变变化化非非常常灵灵敏敏，必必须须控控制制相位，相位，使使S-L保持不变，同时要求保持不变，同时要求L和和S相等。相等。第9页，此课件共32页哦 与与零零差差检检测测相相似似，外外差差检检测测接接收收光光功功率率细细节节丰丰富富了了，从从而而提提高高了了灵灵敏度。敏度。外外差差检检测测信信噪噪比比的的改改善善比比零零差差检检测测低低3dB，但但是是接接收收机机设设计计相相对对简简单单，因为不需要相位锁定。因为不需要相位锁定。2.外差检测外差检测 选选择择LS，即即IF=S-L0，这这种种情情况况称称为为外外差差检检测测。通通常常选选择择fIF(=IF/2)在在微微波波范范围围(例例如如1GHz)。这这时时外外差差检检测测中中频频信信号号产产生生的的光光电流为：电流为：Iac(t)=cos IFt+(S-L)(7.33)第10页，此课件共32页哦 7.5.2 调制和解调调制和解调 如如前前所所述述，相相干干检检测测技技术术主主要要优优点点是是：可可以以对对光光载载波波实实施施幅幅度度、频率或相位调制。频率或相位调制。对对于于模模拟拟信信号号，有有三三种种调调制制方方式式，即即幅幅度度调调制制(AM)、频频率率调调制制(FM)和相位调制和相位调制(PM)。对对于于数数字字信信号号，也也有有三三种种调调制制方方式式，即即幅幅移移键键控控(ASK)、频频移移键键控控(FSK)和相移键控和相移键控(PSK)。图图7.40 示示出出ASK、PSK和和FSK调调制制方方式式的的比比较较，下下面面分分别别介介绍绍这三种调制方式。这三种调制方式。第11页，此课件共32页哦图图 7.40 ASK、PSK和和FSK调制方式比较。调制方式比较。第12页，此课件共32页哦1.幅移键控幅移键控(ASK)基基带带数数字字信信号号只只控控制制光光载载波波的的幅幅度度变变化化，称称为为幅幅移移键键控控(ASK)。ASK的光场表达式：的光场表达式：ES(t)=AS(t)cosSt+S (7.34)式式中中,AS为为光光场场的的幅幅度度、S为为光光场场的的中中心心角角频频率率和和S为为光光场场的的相相位位。在在ASK中，中，S保持不变，只对幅度进行调制。保持不变，只对幅度进行调制。对对于于二二进进制制数数字字信信号号调调制制，在在大大多多数数情情况况下下，“0”码码传传输输时时，使使AS=0，“1”码传输时，使码传输时，使AS=1。第13页，此课件共32页哦 ASK相相干干通通信信系系统统必必须须采采用用外外调调制制器器来来实实现现，这这样样只只有有输输出出光光信号的幅度随基带信号而变化，而相位保持不变。信号的幅度随基带信号而变化，而相位保持不变。如如果果采采用用直直接接光光强强调调制制，幅幅度度变变化化将将引引起起相相位位变变化化。外外调调制制器器通通常常用用钛钛扩扩散散的的铌铌酸酸锂锂(Ti:LiNbO3)波波导导制制成成的的马马赫赫-曾曾德德尔尔(MZ)干干涉涉型型调调制制器器，如图如图3.37所示。所示。当消光比大于当消光比大于20时，该调制器的调制带宽可达时，该调制器的调制带宽可达20 GHz。图图 3.37 马赫马赫-曾德尔干涉仪型调制器曾德尔干涉仪型调制器第14页，此课件共32页哦2.相移键控相移键控(PSK)基基带带信信号号只只控控制制光光载载波波的的相相位位变变化化，称称为为相相移移键键控控(PSK)。PSK的的光场表达式为：光场表达式为：ES(t)=AScosSt+(t)(7.35)在在PSK中中，AS保保持持不不变变，只只对对相相位位进进行行调调制制。传传输输“0”码码和和传传输输“1”码码时时，分分别别用用两两个个不不同同相相位位(通通常常相相差差180)表表示示。如如果果传传输输“0”时时，光光载载波波相相位位不不变变，传传输输“1”码码时时，相相位位改改变变180，这这种种情情况况称称为为差差分相移键控分相移键控(DPSK)。与与ASK使使用用的的MZ干干涉涉型型调调制制器器相相比比，设设计计PSK使使用用的的相相位位调调制制器器要要简简单单得得多多。这这种种调调制制器器只只要要选选择择适适当当的的脉脉冲冲电电压压，就就可可以以使使相相位位改改变变=。但但是是在在接接收收端端光光波波相相位位必必须须非非常常稳稳定定，因因此此对对发发射射和和本本振激光器的谱宽要求非常苛刻。振激光器的谱宽要求非常苛刻。第15页，此课件共32页哦3.频移键控频移键控(FSK)基基带带数数字字信信号号只只控控制制光光载载波波的的频频率率，称称为为频频移移键键控控(FSK)。FSK的光场表达式为：的光场表达式为：ES(t)=AScos(S )t+S (7.36）在在FSK中中，AS保保持持不不变变，只只对对频频率率进进行行调调制制。传传输输“0”码码和和传传输输“1”码码时时，分分别用频率别用频率f0(=0/2)和和f1(=1/2)表示。表示。对对于于二二进进制制数数字字信信号号，用用(S-)和和(S+)分分别别表表示示“0”码码和和“1”码。码。2 f(=2 /2)称为称为码频间距。码频间距。在在式式(7.36)中中，(S)t+S和和St+(S t)是是等等效效的的，因因此此FSK可以认为一种可以认为一种PSK，只是技术上有所不同。只是技术上有所不同。第16页，此课件共32页哦 相干检测的解调方式有两种：相干检测的解调方式有两种：同步解调同步解调、异步解调。异步解调。零零差差检检测测时时，光光信信号号直直接接被被解解调调为为基基带带信信号号，要要求求本本振振光光的的频频率率和和信信号号光光的的频频率率完完全全相相同同，本本振振光光的的相相位位要要锁锁定定在在信信号号光光的的相相位位上上，因因而而要要采采用用同同步步解解调调。同同步步解解调调虽虽然然在在概概念念上上很很简简单单，但但是是技技术术上上却却很复杂。很复杂。外外差差检检测测时时，不不要要求求本本振振光光和和信信号号光光的的频频率率相相同同，也也不不要要求求相相位位匹匹配配，可可以以采采用用同同步步解解调调，也也可可以以采采用用异异步步解解调调。同同步步解解调调要要求求恢恢复复中中频频IF(微微波波频频率率)，因因而而要要求求一一种种电电锁锁相相环环路路。异异步步解解调调简简化化了了接接收机设计，收机设计，技术上容易实现。技术上容易实现。第17页，此课件共32页哦图图7.41 外差外差同步解调同步解调接收机方框图接收机方框图 光检光检测器测器带通带通本振光本振光w wL信号光信号光w wS低通低通基带信号基带信号载波载波恢复恢复 图图7.41和和图图7.42分分别别示示出出外外差差同同步步解解调调和和外外差差异异步步解解调调的的接接收收机机方方框框图。图。两两种种解解调调方方式式的的差差别别在在于于接接收收机机的的噪噪声声对对信信号号质质量量的的影影响响。异异步步解解调调要要求求的的信信噪噪比比(SNR)比比同同步步解解调调高高，但但异异步步解解调调接接收收机机设设计计简简单单，对对信信号号光光源源和和本本振振光光源源的的谱谱线线要要求求适适中中，因因而而在在相相干干通通信信系系统统设设计计中起着主要作用。中起着主要作用。图图7.42 外差外差异步解调异步解调接收机方框图接收机方框图 光检光检测器测器带通带通本振光本振光w wL信号光信号光w wS低通低通基带信号基带信号包络包络检波检波第18页，此课件共32页哦 7.5.3 误码率和接收灵敏度误码率和接收灵敏度 相相干干光光通通信信系系统统光光接接收收机机的的性性能能可可以以用用信信噪噪比比(SNR)定定量量描描述述。系统总平均噪声功率系统总平均噪声功率(均方噪声电流均方噪声电流)为：为：式式中中,和和 分分别别为为散散粒粒噪噪声声功功率率和和热热噪噪声声功功率率，e为为电电子子电电荷荷，Id为为光光检检测测器器暗暗电电流流，B为为等等效效噪噪声声带带宽宽，kT为为热热能能量量，RL为为光光检检测测器器负负载载电电阻阻，I为为光光电电流流，由由式式(7.31)或或式式(7.32)确定。确定。（7.37）第19页，此课件共32页哦 大大多多数数相相干干光光接接收收机机的的噪噪声声由由本本振振光光功功率率PL引引入入的的散散粒粒噪噪声声所所支支配配，与与信信号号光光功功率率的的大大小小无无关关。因因此此，式式(7.38)中中Id和和i2T项项可可以以略略去，由此得到去，由此得到外差检测的信噪比：外差检测的信噪比：（7.38）SNR=(7.39)第20页，此课件共32页哦 零零差差检检测测的的平平均均信信号号光光功功率率是是外外差差检检测测的的2倍倍，所所以以零零差差检检测测的信噪比为：的信噪比为：SNR=4NP (7.42)光光检检测测器器的的响响应应度度=e/hf,为为光光检检测测器器量量子子效效率率，e和和hf分分别别为为电电子子电电荷荷和和光光子子能能量量；等等效效噪噪声声带带宽宽B=fb/2，fb为为传传输输速速率率；平平均均信信号号光功率光功率PS可以用每比特时间内的光子数可以用每比特时间内的光子数NP表示为：表示为：Ps=NPhffb (7.40)把上述关系代入式把上述关系代入式(7.39)得到得到外差检测的信噪比：外差检测的信噪比：SNR=2NP (7.41)第21页，此课件共32页哦 Ia=(Ip+ic)(7.43)(7.44)式式中中,Ip=2(PsPL)1/2为为信信号号光光电电流流，ic为为高高斯斯随随机机噪噪声声电电流流。设设“0”码码和和“1”码时，码时，IP分别取分别取I0和和I1，在理想情况下，误码率为：，在理想情况下，误码率为：2.误码率误码率 误误码码率率(BER)可可以以由由信信噪噪比比(SNR)确确定定。以以ASK零零差差检检测测为为例例，设判决信号为设判决信号为 式式中中,Q=(I1-I0)/(),N0和和N1分分别别为为“0”码码和和“1”码码的等效噪声功率。设的等效噪声功率。设N0=N1，I0=0，则得到：，则得到：(7.45)第22页，此课件共32页哦把式把式(7.45)和式和式(7.42)代入式代入式(7.44)，得到：得到：用用类类似似方方法法可可以以得得到到各各种种调调制制和和解解调调方方式式的的相相干干接接收收机机BER和极限灵敏度。和极限灵敏度。(7.46)在在“0”码码和和“1”码码概概率率相相等等条条件件下下，对对于于ASK，NP=,为长比特流情况下，为长比特流情况下，每比特平均光子数。每比特平均光子数。NP：每比特时间内的光子数。：每比特时间内的光子数。第23页，此课件共32页哦3.灵敏度灵敏度 为确定接收灵敏度，为确定接收灵敏度，利用式利用式(7.40)和式和式(7.45)得到得到 式中利用了式中利用了=e/hf。最小平均接收光功率：最小平均接收光功率：(4.47)(7.48)第24页，此课件共32页哦 例例如如光光波波长长为为1.55 m的的ASK外外差差检检测测，设设=1，B=1GHz。hf=hc/,h为为普普朗朗克克常常数数，c为为光光速速，为为光光波波长长。当当BER=10-9时时，Q6，由式由式(7.48)计算得到计算得到Psmin=10nW，或或Pr=-50 dBm。在在相相干干检检测测中中，通通常常用用每每比比特特光光子子数数NP表表示示灵灵敏敏度度。在在相相同同假假设设条条件下，由式件下，由式(7.48)得到：得到：Psmin=72 hf 表表7.2和和图图7.43示示出出不不同同调调制制方方式式相相干干检检测测接接收收机机误误码码率率和和量量子子极极限限灵敏度。灵敏度。由此得到每比特光子数由此得到每比特光子数NP=72或或 =36。第25页，此课件共32页哦1020DDIM3636外差外差FSK99零差零差PSK1818外差外差PSK1836零差零差ASK3672外差外差ASKNP比特误码率比特误码率(BER)解调方式解调方式调制方式调制方式表表7.2 同步相干接收机量子极限灵敏度同步相干接收机量子极限灵敏度第26页，此课件共32页哦图图7.43 不同调制方式外差接收机量子极限误码率不同调制方式外差接收机量子极限误码率 第27页，此课件共32页哦 由由表表7.2和和图图7.43知知，理理想想直直接接检检测测光光接接收收机机在在BER=10-9时时，要要求求每每比比特特10个个光光子子(=10)，该该值值几几乎乎接接近近最最好好的的相相干干接接收收机机PSK 零零差差检检测测接接收收机机的的 P,而而比比所所有有的的其其他他相相干干接接收收机机都都好。好。然然而而，实实际际上上因因为为热热噪噪声声、暗暗电电流流和和其其他他许许多多因因素素的的影影响，绝不会达到这个数值，通常只能达到响，绝不会达到这个数值，通常只能达到 1000。然然而而在在相相干干接接收收的的情情况况下下，表表中中的的数数值值很很容容易易实实现现，这这是是因因为为借借助增加本振光功率，使散粒噪声占支配地位的结果。助增加本振光功率，使散粒噪声占支配地位的结果。第28页，此课件共32页哦图图7.44 4 Gb/s外差光波系统实验原理图外差光波系统实验原理图 图图 7.44 是是4 Gb/s外差光波系统实验原理图。外差光波系统实验原理图。本地载波本地载波第29页，此课件共32页哦实际到大致实际到大致 量子极限量子极限 1000 101.55IM/DD外腔调制器外腔调制器 261 20 270 20 45 201.55160km200km260km4Gb/s1Gb/s400Gb/s1.55 DBF DBR窄线谱窄线谱窄线谱窄线谱DPSK码频间距码频间距=比特率比特率17ps/(nmkm)218 40 1500 40 350 401.55160km100km243km4Gb/s1Gb/s140Gb/s1.55 DFB DBR普通单频普通单频普通单频普通单频FSK外腔调制器外腔调制器 210 40 1.55160km4Gb/s 1.55ASK注注接收机灵敏度接收机灵敏度光纤类型光纤类型传输距离传输距离传输速率传输速率光源光源调制方式调制方式表表7.3 外差异步解调光波系统结果与量子极限比较外差异步解调光波系统结果与量子极限比较第30页，此课件共32页哦 7.5.4 相干光系统的优点和关键技术相干光系统的优点和关键技术 相干光系统主要优点是：相干光系统主要优点是：灵灵敏敏度度提提高高了了1020 dB，线线路路功功率率损损耗耗可可以以增增加加到到50 dB。如如果果使用损耗为使用损耗为0.2 dB/km光纤，无中继传输距离可达光纤，无中继传输距离可达250 km。由由于于相相干干光光系系统统通通常常受受光光纤纤损损耗耗限限制制，周周期期地地使使用用光光纤纤放放大大器器，可可以以增增加加传传输输距距离离。实实验验表表明明，当当每每隔隔80 km加加入入一一个个掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器，25 个个EDFA可可以以使使 2.5 Gb/s系系统统的的传传输输距距离离增增加加到到2200 km以以上上，非非常适合干线网使用。常适合干线网使用。因因为为相相干干光光系系统统出出色色的的信信道道选选择择性性和和灵灵敏敏度度，与与光光频频分分复复用用相相结结合合，可以实现大容量传输，非常适合于可以实现大容量传输，非常适合于CATV分配网使用。分配网使用。第31页，此课件共32页哦相干光系统的关键技术是：相干光系统的关键技术是：必必须须使使用用频频率率稳稳定定度度和和频频谱谱纯纯度度都都很很高高的的激激光光器器作作为为信信号号光光源源和和本本振振光源。光源。在在相相干干光光系系统统中中，中中频频一一般般选选择择为为21082109 Hz，1550 nm的的光光载载频频约约为为21014Hz，中中频频是是光光载载频频的的10-610-5倍倍，因因此此要要求求光光源源频频率稳定度优于率稳定度优于10-8。一一般般激激光光器器达达不不到到要要求求，必必须须研研究究稳稳频频技技术术，如如以以分分子子标标准准频率作基准，稳定度可达频率作基准，稳定度可达10-12。信信号号光光源源和和本本振振光光源源频频谱谱纯纯度度必必须须很很高高，例例如如中中频频选选择择100 MHz，频频谱谱纯纯度度应应为为几几kHz，一一般般激激光光器器满满足足不不了了这这个个要要求求。必必须须采采用用频频谱谱压压缩措施，提高频谱纯度，目前优质缩措施，提高频谱纯度，目前优质DFB-LD频谱宽度可达几频谱宽度可达几kHz。匹匹配配技技术术。相相干干光光系系统统要要求求信信号号光光和和本本振振光光混混频频时时满满足足严严格格的的匹匹配配条条件件，才才能能获获得得高高混混频频效效率率，这这种种匹匹配配包包括括空空间间匹匹配配、波波前前匹匹配配和和偏振方向匹配。偏振方向匹配。第32页，此课件共32页哦
