浅谈相干光通信

摘要：与传统的光通信系统相比，相干光通系统在带宽、传输距离、和接受灵敏度方面具有更大的优势，并且随着光器件的发展使得相干光通信系统商用化变为可能。

关键词：相干光通信 通信技术带宽 传输距离

1 相干光通信的发展背景

在光纤通信领域，搞科学研究的人所最终追求都是能够使传输的带宽更大，传输距离更长和接受灵敏度更高。近几年来，视频会议和互联网的普及等这些通信技术的应用以及他们所产生的信息增长速度呈爆炸式状态，这就对通信系统的传输性能的要求越来越高尤其是他的物理层，因为物理层是整个通信系统的基础。所以波分复用技术（WDM）已经不能满足光纤通信系统对系统带宽和传输距离的要求了，尽管掺铒放大器（EDFA）也被应用进来，但是这仍然满足不了光纤通信科研者的要求。所以这种传统的光纤通信技术已经不能满足通信的要求了，不可避免的被更有前途的，更先进的通信技术所替代。然而现在，光纤通信技术发展很快，新技术的出现势必会对新设备有要求，这是不可避免的。然而光器件的价格一直居高不下，所以如果大规模的更换通信设备，就需要很大的成本，这样运营商就不能能接受，所以，对制造设备的商家而言，研究开发新的光纤通信技术这种风险也是很大的，这就要求我们在现有的设备基础上研究如何提高光纤通信系统的性能，相干光通信系统就是在这样的背景下应运而生的。

2 相干光通信的发展历程

由于相干光通信系统具有灵敏度高的优势，所以在上个世纪80年代英美日等国相继对相干光通信的理论和实践进行了大量的研究工作，经过10年相干光通信才开始试用。1989年，公司AT&T在宾州的罗灵—克里克地面站进行相干传输实验波长是1.3μm的1.7Gbit/s的FSK无中继实验距离是35公里接受灵敏度是-41.5dBm。1990年，Bell公司在森伯里枢纽站间进行了1.55μm波长的同样的实验，传输距离和接受灵敏度都一样和之前AT&T公司的实验。同年NTT公司也在濑户内陆海的大分—尹予和吴站之间进行了相干传输实验是2.5Gbit/s CPFSK，传输距离的总长431公里。

3 相干光通信技术

相干光通信系统主要利用相干调制技术和外差检测技术进行信息传输。相干检测技术能够改变载波的强度，信号的频率和相位，这就要求相干光的相位和频率是确定的，区别与自然光，激光可以作为相干光，他有固定的相位和频率，一束激光和信号光经过光混频器，然后再通过外差检测可以得到与信号光的频率、相位、振幅、变化规律一样的中频信号，激光可以由本地振荡器生成。

相干光通信系统有信道可调、信道优先选择、混频增益等优点，是一种新型的通信方式，而且还抗滤波和可以放大等优点。相干光通信系统采用外差接受方式，属于无线电技术中的一种，它的发射光源可以使具有单一频率的相干光。相干光通信系统有多种调制方式：幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK等调制方式。

4 相干光通信系统原理

在相干光通信系统的发送端，以调幅、调频、调相的方式采用外光调制技术把发送信号调制到光载波上，然后再送入光匹配器，经过调制的信号称为调制信号，从光调制器输出的光波我们成为已调光波，为了使已调光波和单模光纤匹配会在相干光通信系统的发送端增加匹配器。该匹配器可以使光波的幅度和单模光纤的基模匹配，或者使已调光波和单模光纤的偏振态之间匹配。当发送信号到达接收端时，首先由光探测器对该已调信号进行相干解调，由一本振光信号完成。由相干解调解调出来的光信号经过接收端的匹配器，该匹配器可以匹配光波和光的复数振幅而且还可以使光混频器的效率达到最大，为了防止多综模工作、频谱展宽，在相干光通信系统中可以使用光隔离器。多综模工作、频谱展宽是由于反射光的存在，有反射光返回的光会使本振光源和信号光源，频谱展宽。

相干光通信系统的原理框图如下图所示。

由于相干光通信系统有选择信道的能力、混频增益、和信道灵活可调等优点，所以受到越来越多的关注，相干检测和直接检测相比有明显的优点，例如灵敏度高、容量大、多种调制方式，选择性好等优点，所以受到越来越多的国内外的科研者喜欢。

5 相干光通信系统的优点

5.1 灵敏度高、中继距离长

在相同的通信条件下，相干检测接受机比普通的接收机的灵敏度可提高大约20dB，性能很高，几乎可一和散粒噪声相比，由于接受机的灵敏度很高所以在传输系统中无中继的距离就会延长，这也是相干光通信系统最大的优点。

5.2 选择性好，通信容量大

在相干光通信系统中，相干接收机的选择性也很好，这也是相干光通信系统的另一个优点。而在相干检测系统中，由于探测到的光是混频光，是有信号光和混频光经过混频得到的，此时的光是中频光，所以只有进入系统的噪声只有中频频带内的，因为混频光要经过带宽比较窄的中频微波放大器，该放大器也会滤除其他的带外噪声。由此可见相干检测系统的滤波想能也很好。密集波分复用（DWDM）就是有相干检测很好的选择性而产生的，可以缩小频分复用系统的频率间隔，这样就可以取代传统的打频率间隔的光复用技术。

5.3 具有多种调制方式

相比较只有强度调制的传统的光通信系统相干光通信系统具有多种调制方式，例如PSK、DPSK、QAM，这虽然增加了通信系统的复杂性，但是应用却很灵活，传统的光接收机只有光功率变化时才有相应，但是相干光接收机对振幅、频率、位相、偏振态携带的所有信息均有相应。因此相干探测是一种全息探测技术，这是传统光通信技术不具备的。

总之，相干光通信技术还有很多方向需要更多的研究，大规模的应用也不会在短期内出现。但是需求决定市场，在不久的将来，传统光通信系统过于简单的结构必定无法满足高速增长的带宽需求，而相干光通信技术作为一个研究相对成熟，潜在优势明显的选择，必定会受到学术界和企业越来越多的关注。

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