CN1030855A - 一种外差相干光通信方案 - Google Patents

Abstract

一种外差相干光通信方案，属相干光纤通信领 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， 在该信号中已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。

Description

本发明属相干光纤通信领域。

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“Coherent 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 Commuica tions 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140M^b/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5-50MHz，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，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外差相干光通信方案，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迭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P_e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f_s的未调制信号通过光隔离器〔2〕与载频为第二中频f_m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f_m搬移一个频率f_s，搬移到光频f_s+f_m，（或f_s-f_m），即为主光信号载频。发射激光器输出的频率为f_s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f_s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f_s+f_m（或f_s-f_m）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）f_m，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

S₈（t）＝ $\sqrt{{\mathrm{2\; P}}_o}$ cos（ω₈t+φ₈（t））

其中P_O、ω₈和φ₈（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

S_m（t）＝ $\sqrt{{\mathrm{2\; P}}_m}$ cos（ω_mt+α（t））

其中P_m、ω_m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

S₁（t）＝ $\sqrt{{\mathrm{2\; P}}_{\mathrm{s\; 1}}}$ cos（ω₈t+φ₈（t））

S₂（t）＝ $\sqrt{{\mathrm{2\; P}}_{\mathrm{s\; 2}}}$ cos（（ω₈+ω_m）t+α（t）+φ₈（t））

其中P_s1和P_s2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

S_l（t）＝ $\sqrt{{\mathrm{2\; P}}_l}$ cos（ω_lt+φ_l（t））

其中P_l、ω_l和φ_l（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

S_i（t）＝2Rr〔 $\sqrt{P_{\mathrm{s\; 1}}P{}_l}$ cos（ω_it+φ_i（t））+ $\sqrt{P_{\mathrm{s\; 2}}P{}_l}$ cos（（ω_i+ω_m）t+α（t）+φ_i（t）〕+n（t）

其中ω_i＝ω_s-ω_l和φ_i（t）＝φ₈（t）-φ_l（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/hυ，式中η是量子效率，q是电子电荷，h是普朗克常数、υ是光频率;γ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

S_d（t）＝4R²γ²P_l $\sqrt{P_{\mathrm{s\; 1}}P{}_{\mathrm{s\; 2}}}$ cos（ω_mt+α（t））+υ₁（t）+υ₂（t）+u（t）

其中υ₁（t）、υ₂（t）和u（t）分别是υ₁′（t）、υ₂′（t）和u′（t）经滤波后的分量，而

υ₁′（t）＝2n（t）·2Rr $\sqrt{P_{\mathrm{s\; 1}}P{}_l}$ cos（ω_it+φ_i（t））

υ₂′（t）＝2n（t）·2Rr $\sqrt{P_{\mathrm{s\; 2}}P{}_l}$ cos（（ω_i+ω_m）t+α（t）+φ_i（t））

u′（t）＝（n（t））²

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R_i远大于激光器谱线宽度R_l（如R_i≥10R_l），中频带宽等于微波载频f_m的两倍（R_i＝2f_m），数据速率R_b小于微波载频f_m的四分之一（R_b＜f_m/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 $P_e\mathrm{＜\; Q\; (}\frac{\mathrm{2\; N}}{\sqrt{{\mathrm{2\; N\; +\; 8\; f}}_m{\mathrm{/\; R}}_b}})$

对DPSK系统P_e≈ 1/2 exp ( (-N²)/(N+4f_m/R_b) )

对FSK系统P_e≈ 1/2 exp ( (-N²)/(4(N+4f_m/R_b)) )

（非相干解调）

对ASK系统P_e≈ 1/2 exp ( (-N²)/(8(N+4f_m/R_b)) )

（非相干解调）

式中符号

exp表示指数函数，即exp（x）＝e^x，

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f_m/R_b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 (7)

1、一种外差相干光通信方案，它能消除激光器相位噪声的影响，提高接收灵敏度，其特征在于：发送时，在载荷信息的已调主光信号上迭加一个不载荷信息、其初相位与主光信号初相位相同的辅助信号，辅助信号的频率与主光信号差一个固定频率(第二中频)，然后用单模光纤一起传送到接收端；接收时，加上一个强的本地振荡光，经外差光检波、第一中频放大和带通滤波，在第一中频段得到主信号和辅助信号，再经过平方律检波器和带通滤波器，得到一个主信号与辅助信号的差拍(第二中频)信号，这个差拍信号包含所传输信息而消除了激光器的相位噪声，对这个差拍信号进行解调，就可恢复所传输的信息。

2、根据权利要求1所述的方案，其特征在于要传输的信息，先用电的方法（微波调制技术）调制到微波载频（即第二中频）上，这个微波载频频率等于辅助信号和主信号的差频，微波已调信号通过频率搬移设备（如声光调制器）偏移一个等于辅助信号频率的频率，形成主光信号，辅助信号的频率等于发射激光器的频率。

3、根据权利要求1所述的方案，其特征在于主信号和辅助信号合成后送入单模光纤传送，主信号和辅助信号具有相同功率时，性能最好。

4、根据权利要求1所述的方案，其特征在于发送端和接收端本地光源采用单纵模、不带谱线窄化外腔的分布反馈（DFB）半导体激光器。

5、根据权利要求1所述的方案，其特征在于外差光检波采用PIN光电管或平衡双PIN检波器，本地光信号的频率与输入的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，可取两倍的微波载频频率。

6、根据权利要求1所述的方案，其特征在于第一中频放大器具有带通频率特性，它应能保证频率搬移到第一中频段的主信号与辅助信号的通过，而有效抑制其它不需要的频率分量。

7、根据权利要求1所述的方案，其特征在于第一中放输出信号加到一个进行平方运算的电路（如平方律检波器），其输出再经过一个中心频率等于第二中频（即微波载频）的带通滤波器，滤波器特性应根据调制方式、信息速率和噪声特性来最佳设计。

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