CN1004463B - 一种相干光通信系统 - Google Patents
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Abstract
一种相干光通信系统，该系统属于相干光纤通信领域。本发明采用ＤＦＢ半导体激光器作为发射和接收本地光源，发射端同时发送初相位相干的已调制主光信号和辅助光信号，接收端经本振混频检波后得中频信号，其中包含了频率搬移到中频段的主信号和辅助信号，然后再经一平方律检波器、带通滤波器，取出主、辅信号间的差频信号，即为恢复的已调制电信号，在该信号中消除了激光器相位噪声的影响，将这个恢复的已调制电信号进行解调得到所传输的信息。本发明实现起来简单、经济，便于集成化和实用化。
Description
本发明属于相干光纤通信领域。
在光通信中，采用外差相干检测可以大大提高接收机的灵敏度。在1.3μm到1.6μm光波段，理想的相干接收机只要求10-20光子/比特的输入光信号功率就能达到10-9的误码率，在相干光通信系统的实验中，光源采用半导体激光器，实测灵敏度总比理论估算值差得多，其原因是由于激光器相位噪声的影响（J.Salz“Ccherent Lightwave Communications”AT＆T Tech.J.Vol.64，No.10，Dec.1985;E.E.Basch，T.G.Brown”Introduction to Coherent Optical Fiber Transmission”IEEE Commuications Magazine Vol，23，No.5，May 1985）。已经知道，现有的各种外差相干光通信制式的性能受到相位噪声的限制，存在着一个误码率性能的极限。如对PSK和DPSK调制系统来说，当激光器谱线宽度与传输数据速率之比大于1.5%时，误码率就大于10-7，假如数据速率为140Mb/s时，则当激光器的谱线宽度大于1MHz，就不可能达到10-7的误码率指标，而一般光纤通信要求10-9的误码率。因而克服半导体激光器相位噪声的影响成为光通信中一个关键技术问题。国外都采用窄化激光器谱线宽度，研制相位噪声很小的激光器，目前分布反馈（DFB）半导体激光器已经实用，这种激光器谱线宽度为5-50MH2，比一般半导体激光器的谱线要窄得多，但对高性能的光通信来说仍然是太宽了。采用谱线窄化技术已可使谱宽达10KHz左右，但方法复杂，而且非常昂贵，其实用性还是一个问题。
本发明的目的是提出一种相干光通信系统，它能消除激光器相位噪声对外差相干光通信系统性能的影响，以达到高灵敏度接收信息。
本发明是在外差相干光通信系统中，采取相位噪声抵消的办法来克服激光器相位噪声对通信系统性能的影响。发送时，在载荷信息的已调主光信号上叠加一个不载荷信息但其初相位与主光信号相干的辅助信号，辅助信号频率与主光信号载频差一个固定频率，（可称为第二中频），然后加到单模光纤中传输;接收时，加上一个强的本地振荡光，通过外差光检波，经（第一）中频放大和带通滤波，在（第一）中频段得到一个主信号和辅助信号，再经过一个平方律电路和带通滤波器，得到一个主信号和辅助信号的差拍信号，这个差拍信号载荷有所传输的信息，其载频即为第二中频，而发射激光器和接收本地激光器的相位噪声均已被抵消。然后对这个差拍信号进行解调，恢复所传输的信息。
本发明的优点在于不需要用复杂、昂贵的谱线窄化技术，而能克服激光器相位噪声的影响，实现起来简单、经济、便于集成化。它可使外差相干光通信从实验室走向现场实际使用。
图1是本发明的一种实施原理图。
图2是各种调制方式的光通信系统误码率Pe随每比特光子数N的变化规律。
本发明的发射端激光器〔1〕和接收端本地激光器〔9〕采用有稳频措施的单纵模分布反馈（DFB）半导体激光器，要传输的信息通过微波调制器〔4〕对电的载波（第二中频）信号进行调制，这可直接采用已成熟的微波通信中的调制设备和电路。发射端激光器产生的光频为fs的未调制信号通过光隔离器〔2〕与载频为第二中频fm的已调制的微波信号加到一个移频设备（如声光调制器）〔3〕，它把信号载频从fm搬移到光频fs+fm，（或fs-fm），即作为本系统发射端主光信号载频。发射激光器输出的频率为fs的未调制信号即为辅助信号。声光调制器〔3〕输出已包含两路光信号;一路是频率为fs的非衍射光信号，即没有调制的辅助信号;另一路为布喇格（Bragg）衍射光信号，即载频为fs+fm，（或fs-fm）的已调主光信号。这两路信号相加在一起，送入单模光纤〔5〕传输。在接收端，由本地激光器〔9〕产生的光信号经过光隔离器〔10〕和极性控制器〔11〕在光纤耦合器〔6〕与输入的光信号合成相加，把合成的光信号加到PIN光电管〔7〕（在具体实施时可采用平衡双PIN检波器）进行外差检波，变成电信号，然后进入第一中频放大器〔8〕。该中频放大器具有带通的频率特性，通频带的选择必须有效地通过已搬移到中频段的主信号和辅助信号，又能有效地抑制其他不需要的频率分量的信号。由中频放大器〔8〕输出的两路（主、辅）信号一起加到平方律电路（如平方律检波器）〔14〕，再接到带通滤波器〔15〕。该滤波器的中心频率等于发射端的微波载频（即第二中频）fm，其带宽可根据所用调制方式、数据速率和噪声特性最佳选取。带通滤波器〔15〕输出的就是主信号和辅助信号间的差拍信号，它就是恢复的发送端的已调微波信号，然后再用微波通信中成熟技术进行解调，提取所传输的信息。
接收端本地激光器〔9〕的频率可采用已有的稳频措施进行控制。例如，从中频放大器〔8〕输出的信号中分出一部分能量，经过中频鉴频器〔12〕，其输出，用来控制频率控制电路〔13〕，这样使本地激光器〔9〕的频率保持对发射端激光器〔1〕的跟踪，以稳定中频频率。
发射端激光器〔1〕输出的信号表示为
其中Po、ωx和φs（t）分别是光源输出信号的功率、光源角频率和随机相位。
微波调制器〔4〕输出的信号表示为
其中Pm、ωm和α（t）分别是微波信号功率、载波角频率和已调制的相位，α（t）为输入数据（信息）的函数。
声光调制器〔3〕输出的两个分量S1（t）和S2（t）分别为
其中Ps1和Ps2分别是S1（t）和S2（t）的信号功率。S2（t）在空间上与S1（t）偏移一角度，它等于两倍的布喇格（Bragg）角。
接收端本地激光器〔9〕输出光信号表示为
其中P1、ω1和φ1（t）分别是本振信号功率，本振光角频率和随机相位。
中频放大器〔8〕输出的信号表示为
其中ω1＝ω2-ω1和φ1（t）＝φs（t）-φ1（t）分别是发射光源和本振光源间频率差（第一中频）和相位差随机过程;R是PIN光电管的响应，R＝ηq/hν，式中η是量子效率，q是电子电荷，h是普朗克常数、ν是光频率;r是中频电路的负载电阻值;n（t）是起伏噪声过程，可用零均值的白高斯随机过程来近似。
带通滤波器〔15〕输出的就是已恢复的已调微波信号，表示为
其中ν1（t）、ν2（t）和u（t）分别是ν1′（t）、ν2′（t）和u′（t）经滤波后的分量，而
平方律检波器输出中的其它直流和高频分量都被带通滤波器滤除。
我们对本发明的性能作了分析，当中频带宽Ri远大于激光器谱线宽度R1（如Ri≥10Ri），中频带宽等于微波载频fm的两倍（Ri＝2fm），数据速率Rb小于微波载频fm的四分之一（Rb＜fm/4），并且取主信号功率与辅助信号功率相等，误码性能有：
对PSK系统
对DPSK系统
对PSK系统
（非相干解调）
对ASK系统
（非相干解调）
式中符号
exp表示指数函数，即exp（x）＝ex，
图2的虚线段为通常的外差光通信系统中各种制式的理想（即激光器为零谱线宽度）误码特性，实线段为采用本发明后的误码特性，计算时取fm/Rb等于5，结果表明，采用本发明后，允许激光器的谱线宽度可达几十MHz，而不存在误码率的极限，对于PSK和DPSK系统，误码率要求10-9时，性能仅比理想的差2dB，而通常要达到这样的性能，要求激光器的谱线宽度小于1MHz。对FSK和ASK系统，采用本发明后，性能比理想的差不到1dB。这就是说，用目前已经实用化的DFB半导体激光器（日本NEC公司已推出商品）作为光源，采用本发明的方案，能达到接近理想的误码率的性能。
Claims (4)
1、一种相干光通信系统，其发送端发送主光信号和辅助信号，辅助信号与主光信号差一个固定频率、初相位相同，用单模光纤传送到接收端，其特征在于由光纤〔5〕传送来的信号与激光器〔9〕的本地振荡光加在一起，经PIN光电管〔7〕、中频放大器〔8〕，进行外差光检波和带通滤波，再经过平方律电路〔14〕和带通滤波器〔15〕，得到主信号和辅助信号的差拍信号，对这个差拍信号进行解调，恢复所传送的信息，本系统消除了激光器相位噪声的影响，提高相干检测灵敏度。
2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于激光器〔9〕的本地光信号的频率与主光信号频率差一个第一中频，该中频频率应大于微波载频。
3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于带通滤波器〔15〕的中心频率等于第二中频，即微波载频，滤波器的特性根据调制方式，信息速率和噪声特性来最佳设计。
4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于发送端和接收端的光源采用单纵模的分布反馈（DFB）半导体激光器，而不需要带谱线窄化外腔设施。
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