淺談相干光通信

摘要：與傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)相比，相干光通系統(tǒng)在帶寬、傳輸距離、和接受靈敏度方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，并且隨著光器件的發(fā)展使得相干光通信系統(tǒng)商用化變?yōu)榭赡堋?/p>

關(guān)鍵詞：相干光通信 通信技術(shù)帶寬 傳輸距離

1 相干光通信的發(fā)展背景

在光纖通信領(lǐng)域，搞科學(xué)研究的人所最終追求都是能夠使傳輸?shù)膸捀螅瑐鬏斁嚯x更長(zhǎng)和接受靈敏度更高。近幾年來，視頻會(huì)議和互聯(lián)網(wǎng)的普及等這些通信技術(shù)的應(yīng)用以及他們所產(chǎn)生的信息增長(zhǎng)速度呈爆炸式狀態(tài)，這就對(duì)通信系統(tǒng)的傳輸性能的要求越來越高尤其是他的物理層，因?yàn)槲锢韺邮钦麄€(gè)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以波分復(fù)用技術(shù)（WDM）已經(jīng)不能滿足光纖通信系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)帶寬和傳輸距離的要求了，盡管摻鉺放大器（EDFA）也被應(yīng)用進(jìn)來，但是這仍然滿足不了光纖通信科研者的要求。所以這種傳統(tǒng)的光纖通信技術(shù)已經(jīng)不能滿足通信的要求了，不可避免的被更有前途的，更先進(jìn)的通信技術(shù)所替代。然而現(xiàn)在，光纖通信技術(shù)發(fā)展很快，新技術(shù)的出現(xiàn)勢(shì)必會(huì)對(duì)新設(shè)備有要求，這是不可避免的。然而光器件的價(jià)格一直居高不下，所以如果大規(guī)模的更換通信設(shè)備，就需要很大的成本，這樣運(yùn)營(yíng)商就不能能接受，所以，對(duì)制造設(shè)備的商家而言，研究開發(fā)新的光纖通信技術(shù)這種風(fēng)險(xiǎn)也是很大的，這就要求我們?cè)诂F(xiàn)有的設(shè)備基礎(chǔ)上研究如何提高光纖通信系統(tǒng)的性能，相干光通信系統(tǒng)就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

2 相干光通信的發(fā)展歷程

由于相干光通信系統(tǒng)具有靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，所以在上個(gè)世紀(jì)80年代英美日等國(guó)相繼對(duì)相干光通信的理論和實(shí)踐進(jìn)行了大量的研究工作，經(jīng)過10年相干光通信才開始試用。1989年，公司ATT在賓州的羅靈—克里克地面站進(jìn)行相干傳輸實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)是1.3μm的1.7Gbit/s的FSK無中繼實(shí)驗(yàn)距離是35公里接受靈敏度是-41.5dBm。1990年，Bell公司在森伯里樞紐站間進(jìn)行了1.55μm波長(zhǎng)的同樣的實(shí)驗(yàn)，傳輸距離和接受靈敏度都一樣和之前ATT公司的實(shí)驗(yàn)。同年NTT公司也在瀨戶內(nèi)陸海的大分—尹予和吳站之間進(jìn)行了相干傳輸實(shí)驗(yàn)是2.5Gbit/s CPFSK，傳輸距離的總長(zhǎng)431公里。

3 相干光通信技術(shù)

相干光通信系統(tǒng)主要利用相干調(diào)制技術(shù)和外差檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行信息傳輸。相干檢測(cè)技術(shù)能夠改變載波的強(qiáng)度，信號(hào)的頻率和相位，這就要求相干光的相位和頻率是確定的，區(qū)別與自然光，激光可以作為相干光，他有固定的相位和頻率，一束激光和信號(hào)光經(jīng)過光混頻器，然后再通過外差檢測(cè)可以得到與信號(hào)光的頻率、相位、振幅、變化規(guī)律一樣的中頻信號(hào)，激光可以由本地振蕩器生成。

相干光通信系統(tǒng)有信道可調(diào)、信道優(yōu)先選擇、混頻增益等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的通信方式，而且還抗濾波和可以放大等優(yōu)點(diǎn)。相干光通信系統(tǒng)采用外差接受方式，屬于無線電技術(shù)中的一種，它的發(fā)射光源可以使具有單一頻率的相干光。相干光通信系統(tǒng)有多種調(diào)制方式：幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK等調(diào)制方式。

4 相干光通信系統(tǒng)原理

在相干光通信系統(tǒng)的發(fā)送端，以調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相的方式采用外光調(diào)制技術(shù)把發(fā)送信號(hào)調(diào)制到光載波上，然后再送入光匹配器，經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，從光調(diào)制器輸出的光波我們成為已調(diào)光波，為了使已調(diào)光波和單模光纖匹配會(huì)在相干光通信系統(tǒng)的發(fā)送端增加匹配器。該匹配器可以使光波的幅度和單模光纖的基模匹配，或者使已調(diào)光波和單模光纖的偏振態(tài)之間匹配。當(dāng)發(fā)送信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)，首先由光探測(cè)器對(duì)該已調(diào)信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，由一本振光信號(hào)完成。由相干解調(diào)解調(diào)出來的光信號(hào)經(jīng)過接收端的匹配器，該匹配器可以匹配光波和光的復(fù)數(shù)振幅而且還可以使光混頻器的效率達(dá)到最大，為了防止多綜模工作、頻譜展寬，在相干光通信系統(tǒng)中可以使用光隔離器。多綜模工作、頻譜展寬是由于反射光的存在，有反射光返回的光會(huì)使本振光源和信號(hào)光源，頻譜展寬。

相干光通信系統(tǒng)的原理框圖如下圖所示。

由于相干光通信系統(tǒng)有選擇信道的能力、混頻增益、和信道靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，所以受到越來越多的關(guān)注，相干檢測(cè)和直接檢測(cè)相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如靈敏度高、容量大、多種調(diào)制方式，選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，所以受到越來越多的國(guó)內(nèi)外的科研者喜歡。

5 相干光通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

5.1 靈敏度高、中繼距離長(zhǎng)

在相同的通信條件下，相干檢測(cè)接受機(jī)比普通的接收機(jī)的靈敏度可提高大約20dB，性能很高，幾乎可一和散粒噪聲相比，由于接受機(jī)的靈敏度很高所以在傳輸系統(tǒng)中無中繼的距離就會(huì)延長(zhǎng)，這也是相干光通信系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)。

5.2 選擇性好，通信容量大

在相干光通信系統(tǒng)中，相干接收機(jī)的選擇性也很好，這也是相干光通信系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。而在相干檢測(cè)系統(tǒng)中，由于探測(cè)到的光是混頻光，是有信號(hào)光和混頻光經(jīng)過混頻得到的，此時(shí)的光是中頻光，所以只有進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲只有中頻頻帶內(nèi)的，因?yàn)榛祛l光要經(jīng)過帶寬比較窄的中頻微波放大器，該放大器也會(huì)濾除其他的帶外噪聲。由此可見相干檢測(cè)系統(tǒng)的濾波想能也很好。密集波分復(fù)用（DWDM）就是有相干檢測(cè)很好的選擇性而產(chǎn)生的，可以縮小頻分復(fù)用系統(tǒng)的頻率間隔，這樣就可以取代傳統(tǒng)的打頻率間隔的光復(fù)用技術(shù)。

5.3 具有多種調(diào)制方式

相比較只有強(qiáng)度調(diào)制的傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)相干光通信系統(tǒng)具有多種調(diào)制方式，例如PSK、DPSK、QAM，這雖然增加了通信系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是應(yīng)用卻很靈活，傳統(tǒng)的光接收機(jī)只有光功率變化時(shí)才有相應(yīng)，但是相干光接收機(jī)對(duì)振幅、頻率、位相、偏振態(tài)攜帶的所有信息均有相應(yīng)。因此相干探測(cè)是一種全息探測(cè)技術(shù)，這是傳統(tǒng)光通信技術(shù)不具備的。

總之，相干光通信技術(shù)還有很多方向需要更多的研究，大規(guī)模的應(yīng)用也不會(huì)在短期內(nèi)出現(xiàn)。但是需求決定市場(chǎng)，在不久的將來，傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)過于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)必定無法滿足高速增長(zhǎng)的帶寬需求，而相干光通信技術(shù)作為一個(gè)研究相對(duì)成熟，潛在優(yōu)勢(shì)明顯的選擇，必定會(huì)受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)越來越多的關(guān)注。

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