相干光通信技術(shù)是什么

由于半導(dǎo)體激光器光載波的某一參數(shù)直接調(diào)制時(shí)，總會(huì)附帶對(duì)其他參數(shù)的寄生振蕩，如ASK直接調(diào)制伴隨著相位的變化，而且調(diào)制深度也會(huì)受到限制。另外，還會(huì)遇到頻率特性不平坦及張遲振蕩等問(wèn)題。因此，在相干光通信系統(tǒng)中，除FSK 可以采用直接注入電流進(jìn)行頻率調(diào)制外，其他都是采用外光調(diào)制方式。

外光調(diào)制是根據(jù)某些電光或聲光晶體的光波傳輸特性隨電壓或聲壓等外界因素的變化而變化的物理現(xiàn)象而提出的。外光調(diào)制器主要包括三種：利用電光效應(yīng)制成的電光調(diào)制器、利用聲光效應(yīng)制成的聲光調(diào)制器和利用磁光效應(yīng)制成的磁光調(diào)制器。采用以上外調(diào)制器，可以完成對(duì)光載波的振幅、頻率和相位的調(diào)制。

對(duì)外光調(diào)制器的研究比較廣泛，如利用T1擴(kuò)散LiNbO3馬赫干涉儀或定向耦合式的調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)ASK 調(diào)制，利用量子阱半導(dǎo)體相位外調(diào)制器或LiNbO3相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)PSK調(diào)制等。 在相干光通信中，激光器的頻率穩(wěn)定性是相當(dāng)重要的。如，對(duì)于零差檢測(cè)相干光通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若激光器的頻率（或波長(zhǎng)）隨工作條件的不同而發(fā)生漂移，就很難保證本振光與接收光信號(hào)之間的頻率相對(duì)穩(wěn)定性。外差相干光通信系統(tǒng)也是如此。一般外差中頻選擇在0。2～2 GHz之間，當(dāng)光載波的波長(zhǎng)為1。5 μm時(shí)，其頻率為200 THz，中頻為載頻的 10-6～10-5。光載波與本振光的頻率只要產(chǎn)生微小的變化，都將對(duì)中頻產(chǎn)生很大的影響。因此，只有保證光載波振蕩器和光本振振蕩器的高頻率穩(wěn)定性，才能保證相干光通信系統(tǒng)的正常工作。

激光器的頻率穩(wěn)定技術(shù)主要有三種：

（1）將激光器的頻率穩(wěn)定在某種原子或分子的諧振頻率上。在1.5μm波長(zhǎng)上，已經(jīng)利用氨、氪等氣體分子實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體激光器的頻率穩(wěn)定；

（2） 利用光生伏特效應(yīng)、鎖相環(huán)技術(shù)、主激光器調(diào)頻邊帶的方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻；

（3）利用半導(dǎo)體激光器工作溫度的自動(dòng)控制、注入電流的自動(dòng)控制等方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。 在相干光通信中，光源的頻譜寬度也是非常重要的。只有保證光波的窄線寬，才能克服半導(dǎo)體激光器量子調(diào)幅和調(diào)頻噪聲對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響，而且，其線寬越窄，由相位漂移而產(chǎn)生的相位噪聲越小。

為了滿足相干光通信對(duì)光源譜寬的要求，通常采取譜寬壓縮技術(shù)。主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法：

（1） 注入鎖模法，即利用一個(gè)以單模工作的頻率穩(wěn)定、譜線很窄的主激光器的光功率，注入到需要寬度壓縮的從激光器，從而使從激光器保持和主激光器一致的譜線寬度、單模性及頻率穩(wěn)定度；

（2） 外腔反饋法。外腔反饋是將激光器的輸出通過(guò)一個(gè)外部反射鏡和光柵等色散元件反射回腔內(nèi)，并用外腔的選模特性獲得動(dòng)態(tài)單模運(yùn)用以及依靠外腔的高Q值壓縮譜線寬度。 由于在相干光通信中，常采用密集頻分復(fù)用技術(shù)。因此，光纖中的非線性效應(yīng)可能使相干光通信中的某一信道的信號(hào)強(qiáng)度和相位受到其他信道信號(hào)的影響，而形成非線性串?dāng)_。光纖中對(duì)相干光通信可能產(chǎn)生影響的非線性效應(yīng)包括受激拉曼散射（SRS）、受激布里淵散射（SBS）、非線性折射和四波混合。由于SRS的拉曼增益譜很寬（～10 THz），因此當(dāng)信道能量超過(guò)一定值時(shí)，多信道復(fù)用相干光通信系統(tǒng)中必然出現(xiàn)高低頻率信道之間的能量轉(zhuǎn)移，而形成信道間的串?dāng)_，從而使接收噪聲增大，接收機(jī)靈敏度下降。

SBS的閾值為幾 mW，增益譜很窄，若信道功率小于一定值時(shí)，并且對(duì)信號(hào)載頻設(shè)計(jì)的好，可以很容易地避免 SBS引起的串?dāng)_。但SBS 對(duì)信道功率卻構(gòu)成了限制。光纖中的非線性折射通過(guò)自相位調(diào)制效應(yīng)而引起相位噪聲，在信號(hào)功率大于10 mW 或采用光放大器進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸?shù)南喔晒馔ㄐ畔到y(tǒng)中要考慮這種效應(yīng)。當(dāng)信道間隔和光纖的色散足夠小時(shí)，四波混頻的相位條件可能得到滿足，F(xiàn)WM成為系統(tǒng)非線性串?dāng)_的一個(gè)重要因素。FWM 是通過(guò)信道能量的減小和使信道受到干擾而構(gòu)成對(duì)系統(tǒng)性能的限制。當(dāng)信道功率低到一定值時(shí)，可避免FWM 引起對(duì)系統(tǒng)的影響。由于受到上述這些非線性因素的限制，采用密集頻分復(fù)用的相干光通信系統(tǒng)的信道發(fā)射功率通常只有零點(diǎn)幾毫瓦。

除了以上關(guān)鍵技術(shù)外，對(duì)于本振光和信號(hào)光之間產(chǎn)生的相位漂移，在接收端還可采用相位分集接收技術(shù)以消除相位噪聲；為了減小本振光的相對(duì)強(qiáng)度噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，可以采用雙路平衡接收技術(shù)；零差檢測(cè)中為保證本振光與信號(hào)光同步而采用的光鎖相環(huán)技術(shù)，以及用于本振頻率穩(wěn)定的AFC等。

相干光通信主要優(yōu)點(diǎn)

靈敏度高，中繼距離長(zhǎng)相干光通信的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是相干檢測(cè)能改善接收機(jī)的靈敏度。在相同的條件下，相干接收機(jī)比普通接收機(jī)提高靈敏度約20dB，可以達(dá)到接近散粒噪聲極限的高性能，因此也增加了光信號(hào)的無(wú)中繼傳輸距離。

選擇性好，通信容量大

相干光通信的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高接收機(jī)的選擇性。在直接探測(cè)中， 接收波段較大，為抑制噪聲的干擾，探測(cè)器前通常需要放置窄帶濾光片， 但其頻帶仍然很寬。在相干外差探測(cè)中，探測(cè)的是信號(hào)光和本振光的混頻光，因此只有在中頻頻帶內(nèi)的噪聲才可以進(jìn)入系統(tǒng)，而其它噪聲均被帶寬較窄的微波中頻放大器濾除?？梢?jiàn)，外差探測(cè)有良好的濾波性能，這在星間光通信的應(yīng)用中會(huì)發(fā)揮重大作用。此外，由于相干探測(cè)優(yōu)良的波長(zhǎng)選擇性，相干接收機(jī)可以使頻分復(fù)用系統(tǒng)的頻率間隔大大縮小，即密集波分復(fù)用（DWDM），取代傳統(tǒng)光復(fù)用技術(shù)的大頻率間隔，具有以頻分復(fù)用實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率的潛在優(yōu)勢(shì)。

具有多種調(diào)制方式

在傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)中，只能使用強(qiáng)度調(diào)制方式對(duì)光進(jìn)行調(diào)制。而在相干光通信中，除了可以對(duì)光進(jìn)行幅度調(diào)制外，還可以使用PSK、DPSK、QAM等多種調(diào)制格式，利于靈活的工程應(yīng)用，雖然這樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是相對(duì)于傳統(tǒng)光接收機(jī)只響應(yīng)光功率的變化，相干探測(cè)可探測(cè)出光的振幅、頻率、位相、偏振態(tài)攜帶的所有信息，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。