光纤通信结课论文

《光纤通信》结课论文——相干光通信技术简介摘要：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，为此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、它所涉及的主要技术和运用状况。关键词：相干调制外光调制偏振保持频率稳定频谱压缩超长波长光纤通信一、相关背景在光纤通信领域，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（ＥＤＦＡ）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。相干光通信的理论和实验始于80年代，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。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。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。二、相干光通信系统的组成及基本原理相干光通信系统的基本结构如下图所示。图中的光载波经调制器受数字信号调制后形成已调信号光波。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。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。三、相干光通信中的关键技术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：a)利用电光效应制成的电光调制器；b)利用声光效应制成的声光调制器；c)利用磁光效应制成的磁光调制器。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：a)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；b)使用普通的单模光纤，在接收端采用偏振分集技术。3.频率稳定技术在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。如，对于零差检测相干光通信系统来说，若激光器的频率(或波长)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0.2～2GHz之间，当光载波的波长为1.5μm时，其频率为200THz，中频为载频的10-6～10-5倍。光载波与本振光的频率只要产生微小的变化，都将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：a)将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上；b)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；c)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。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：a)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，注入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；b)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Q值压缩谱线宽度。5.平衡接收技术在FSK制式中，由于半导体激光器在调制过程中，难免带有额外的幅度调制噪声，利用平衡接收方法可以减少调幅噪声。平衡法的主要思想是当光信号从光纤进入后，本振光经偏振控制以保证与信号的偏振状态相适应，本振光和信号光同时经过方向精合器分两路，分别输入两个相同的PIN光电检测器，使得两个光电检测器输出的是等幅度而反相的包络信号，再将这两个信号合成后，使得调频信号增加一倍，而寄生的调幅噪声相互抵消，直流成分也抵消，达到消除调幅噪声影响的要求。6.相位分集接收法除了调幅噪声外，如果本振光相位和信号光相位有相对起伏，就将产生相位噪声，严重影响接收效果。针对这种影响，可以采用相位分集法克服相位噪声。三相相位分集法主要是将信号和本振光分成三路，本振光的三路信号相位分别为0、120°、240°，因此，尽管信号与本振光之间有相对相位的随机起伏，将三路信号合成后，仍能保持恒定，可以减免相位噪声的影响，同时这种技术可以用于零差接收系统而不采用光锁相。四、相干光通信的优点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.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(1.25~1.6μm)，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。3.降低光纤色散对系统的影响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。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。五、相干光通信的运用相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，这使它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。六、总结相干光通信以其独特的优点，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更高速更长距离的方向发展，特别是在海底通信上有着巨大的市场潜力。除了新型高效激光器，新型相干检测技术也是系统发展的关键，采用新型检测技术降低光源对系统整体性能的影响，自适应光学、偏振分集等新型接收方法的引入，提高了系统响应速度，更进一步完善其应用。【参考文献】：[1]穆道生．现代光纤通信系统．科学出版社．[2]于洋．相干光通信及其应用．科学技术社会．[3]雷肇棣.光纤通信基础.电子科技大学出版社.[4]郑大鹏．光纤通信原理．人民邮电出版社．[5]杨同友．光纤通信技术．人民邮电出版社.