相干光通信系統的設計與實現

武漢鐵路職業技術學院 朱志紅

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相干光通信系統的設計與實現

武漢鐵路職業技術學院 朱志紅

【摘要】提出了相干光通信系統的基本原理、系統組成、系統設計（包括相干光發射端機、相干光接收端機的設計）、關鍵技術，通過搭建試驗系統進行誤碼率測試并給出了測試結果，該系統穩定可靠，具有廣闊的應用前景。

【關鍵詞】相干光；相干探測；偏置點

1 概述

隨著通信技術的發展，需要傳輸的數據量越來越大，對通信系統的傳輸帶寬及速率也提出了更高的要求，業務需求的發展促使40GE/100GE端口廣泛部署，需要更大傳輸帶寬與之匹配。常規的40G通信采用直接調制-強度調制（IM-DD）和差分相移鍵控調制（如DPSK、DQPSK），受色散影響傳輸距離及接收靈敏度均受到限制。相干光通信系統選擇性好，通信容量大，采用相干平衡探測技術的接收靈敏度比非相干光通信系統提高約10dB～20dB［1］，這大大延長了傳輸距離。

2 工作原理及系統設計

2.1 工作原理

兩束滿足相干條件的光稱為相干光，相干條件是指這兩束光在相遇區域振動方向相同、振動頻率相同、相位相同或相位差保持恒定。相干光通信系統由相干光發射端機、相干光接收端機以及光傳輸鏈路組成。相干光通信系統工作過程如下：由窄線寬激光器光源產生相干性很好的信號光載波，送入外調制器進行調制，外調制器輸出經信道編碼后的已調光波，經光匹配及偏振控制后進入光傳輸鏈路，然后經光傳輸鏈路到達接收端，在接收端光信號經光匹配及偏置控制后，送入光混頻器，與由窄線寬激光器本振光源產生的一個頻率穩定性很高的本振光信號進行混頻，二者混頻的差值產生一個中頻光信號，中頻光信號經光電探測、放大濾波后得到中頻電信號，經過解調后還原輸出用戶需要的信號。典型的相干光通信系統框圖如圖1所示。

圖1 相干光通信系統原理框圖

圖2 外調制器理想偏置點及偏置點漂移后調制曲線對比圖

2.2 系統設計

相干光通信系統的關鍵在于接收端機本振光選用與發射端機信號光相同中心波長的窄線寬激光器（同頻），再通過同步電路處理，使接收端的相位保持與發射端同相，從而形成相干條件。為實現相干光通信系統的性能指標，需要對相關關鍵器件進行選型及重要電路進行設計。

表1 外調制器性能參數

2.2.1 相干光發射端機的設計

相干光發射端機包括信道編碼、外調制器、外調制器自動偏置控制電路、窄線寬激光器光源、光分路器、偏振控制等。本系統設計的相干光發射端機采用低光插損、低驅動電壓的鈮酸鋰相位外調制器來實現QPSK調制，該調制器為高強度笛卡爾光學調制器，基于砷化鎵材料，用于DC-40GHz的光PSK系統，具有頻率特性好、體積小、內置終端電阻和可選的偏振器等特點，廣泛應用于高速數據通信、相干光通信、光傳感以及全光頻率交換等領域，其性能參數見表1。

對于外調制器來說，直流偏置電壓引起電場強度變化，改變了工作物質的折射率從而控制光強的輸出，光功率輸出曲線只與直流偏置電壓有關，為了讓外調制器工作在線性區間，必須對外調制器預先加直流偏置電壓，但在實際工作時，直流偏置點會因工作溫度、鈮酸鋰晶體的熱釋電引起的表面電荷遷移以及存在緩沖層而發生漂移，若沒有相應的控制機制，則系統的輸出信號幅度會畸變［2］，圖2描繪了這種畸變。

相干光發射端機針對外調制器設計了一個跟蹤偏置點變化并能自動調整偏置電壓大小，使外調制器在理想偏置點穩定工作的偏置控制電路，最大程度的抑制非線性失真。自動偏置控制電路有兩個功能：一是可自動測出初始理想偏置點的位置，即測量出該點對應的偏置電壓值大小；二是若調制器工作點產生偏移，能自動檢測并調整偏置電壓值，使調制器工作點回到理想偏置點，同時具有足夠大的偏置電壓調整范圍，針對常見的外調制器半波電壓范圍大，要求偏置電壓可調范圍在-12V～+12V。在大多數應用場合中，外調制器選擇圖2所示四個點中的Quad+和Quad-作為理想偏置點，而圖2中輸出光功率最大值點Max和Min在一些特殊應用中作為理想偏置點。

2.2.2 相干光接收端機的設計

相干光接收端機包括光混頻、本振光、光電探測、放大濾波、信號處理、解調等。本系統設計的相干光接收端機采用平衡探測接收，平衡探測光電探測器是由集成在一個芯片上的兩個波導集成探測器組成，這種結構確保了這一對探測器的均勻性非常好，波導技術確保了探測器頻率響應和相位響應，甚至在高輸入功率下的線性特性，探測器通過集成的電壓偏置網絡進行供電，需要一個正電壓和一個負電壓，集成的50Ω阻抗為電輸出信號提供了優異的阻抗匹配特性，其性能參數見表2。光混頻器的作用是將兩束頻率相近、相位差恒定且偏振方向相同的信號光與本振光進行相干混頻，單偏振光混頻器可以從單偏振信號中提取相位和幅度信息，其性能參數見表3。

表2 光電探測器性能參數

表3 光混頻器性能參數

3 關鍵技術及測試數據

3.1 窄線寬光源技術

相干光通信系統光源包括光發射端機的信號光、光接收端機的本振光二者所用的激光器，它要求單縱模窄光譜線、頻率穩定度高，信號激光器在動態調制下仍能保持動態的單頻特性，調制帶寬能滿足相應的碼速率要求，同時需要設計優良的控制電路使激光器在不同溫度條件時穩定輸出極窄譜線光。窄的穩定的譜線寬度是相干光通信系統實用化的必要條件，光源譜線越寬則相位噪聲就越大，靈敏度就越差，光源本身的譜線寬度將決定系統所能達到的最低誤碼率以及最高接收靈敏度，譜線寬度越小越好，理想情況為單頻。

3.2 接收技術

相干光通信的接收技術包括兩部分，一部分是光的接收技術，另一部分是中頻之后的各種制式的解調技術。解調技術實際上是電子的ASK、FSK和PSK等的解調技術。光的接收技術包括：

a）平衡接收法。平衡法的主要思想是當光信號從光纖進入后，本振光經偏振控制以保證與信號的偏振狀態相適應，本振光和信號光同時經過精合器分兩路，分別輸入兩個相同的光電檢測器，使得兩個光電檢測器輸出的是等幅而反相的包絡信號，再將這兩個信號合成后，使得調頻信號增加一倍，而寄生的調幅噪聲相互抵消，直流成分也抵消，達到消除調幅噪聲影響的要求。

b）偏振控制技術。相干光通信系統接收端必須要求信號光和本振光的相干，才能取得良好的混頻效果，提高接收質量。信號光經過單模光纖長距離傳輸后，偏振態是隨機起伏的，為了克服這個問題，可采用保偏光纖、偏振控制器和偏振分集接收等方法。光在普通光纖中傳輸時，相位和偏振面會隨機變化，保偏光纖就是通過工藝和材料的選擇使得光相位和偏振保持不變的特種光纖，但是這種光纖損耗大，價格也非常昂貴；偏振控制器主要是使信號光和本振光同偏，這種方法響應速度比較慢，環路控制的要求也比較高；偏振分集接收主要是利用信號光和本振光混頻后，由偏振分束元件將混合光分成兩個相互垂直的偏振分量，本振光兩個垂直偏振分量由偏振控制器控制，使兩個分量功率相等，這樣當信號光中偏振隨機起伏也許造成其中一個分支中頻信號衰落，但另一個分支的中頻信號仍然存在，所以該系統最后得到的解調信號幾乎和信號光的偏振無關，該技術響應速度比較快，比較實用，但實現比較復雜。

3.3 測試數據

采用數據碼型發生器（Alnair Labs的PPG-250C）以及誤碼儀（Alnair Labs的EDR-250C）對相干光通信系統試驗平臺進行光接收靈敏度及誤碼率測試，通過測試發現：光源激光器的線寬越窄，相干光傳輸系統的光接收靈敏度越高；本振光功率越大，相干光傳輸系統的光接收靈敏度越高，但接收靈敏度不會隨著本振光功率的增大而無限增大，不能使平衡探測器接收到的信號光超幅；調制速率越高，相干光傳輸系統的光接收靈敏度越小。圖3所示為本振光功率為11.5dBm時系統誤碼率與平均接收光功率之間的關系。將有效誤碼率設置為1×10-9，可見調制速率分別為10Gbps、25Gbps、28Gbps、32Gbps時相干光傳輸系統接收靈敏度分別為-40dBm、-28dBm、-25dBm、-24dBm，能較好的滿足實際使用要求。

圖3 誤碼率與平均接收光功率關系

4 結束語

相干光通信技術已經成為光通信領域的研究熱點，新型光器件及外調制技術、窄線寬光源技術、平衡光探測技術等的發展與突破，為相干光通信系統奠定了技術基礎。在不久的將來，傳統光通信系統將無法滿足高速增長的帶寬要求，而相干光通信技術作為一個可提高系統傳輸容量的有效手段，必會得到越來越多的關注。

參考文獻

［1］鐘曉春.星間激光通信相干與非相干技術與性能分析［J］.云南大學學報，2005，27（5A）﹕197-199.

［2］席虹標，朱少林，岑少忠，熊平戩.超寬帶微波信號光纖傳輸系統［J］.光通信技術，2013，37（5）﹕15-16.

［3］祖繼鋒，劉立人，欒竹.星間激光通信技術進展與趨勢［J］.激光與光電子學進展，2003，40（3）﹕7-10.