相干光通信系统的设计与实现

武汉铁路职业技术学院 朱志红



相干光通信系统的设计与实现

武汉铁路职业技术学院 朱志红

【摘要】提出了相干光通信系统的基本原理、系统组成、系统设计（包括相干光发射端机、相干光接收端机的设计）、关键技术，通过搭建试验系统进行误码率测试并给出了测试结果，该系统稳定可靠，具有广阔的应用前景。

【关键词】相干光；相干探测；偏置点

1 概述

随着通信技术的发展，需要传输的数据量越来越大，对通信系统的传输带宽及速率也提出了更高的要求，业务需求的发展促使40GE/100GE端口广泛部署，需要更大传输带宽与之匹配。常规的40G通信采用直接调制-强度调制（IM-DD）和差分相移键控调制（如DPSK、DQPSK），受色散影响传输距离及接收灵敏度均受到限制。相干光通信系统选择性好，通信容量大，采用相干平衡探测技术的接收灵敏度比非相干光通信系统提高约10dB～20dB［1］，这大大延长了传输距离。

2 工作原理及系统设计

2.1 工作原理

两束满足相干条件的光称为相干光，相干条件是指这两束光在相遇区域振动方向相同、振动频率相同、相位相同或相位差保持恒定。相干光通信系统由相干光发射端机、相干光接收端机以及光传输链路组成。相干光通信系统工作过程如下：由窄线宽激光器光源产生相干性很好的信号光载波，送入外调制器进行调制，外调制器输出经信道编码后的已调光波，经光匹配及偏振控制后进入光传输链路，然后经光传输链路到达接收端，在接收端光信号经光匹配及偏置控制后，送入光混频器，与由窄线宽激光器本振光源产生的一个频率稳定性很高的本振光信号进行混频，二者混频的差值产生一个中频光信号，中频光信号经光电探测、放大滤波后得到中频电信号，经过解调后还原输出用户需要的信号。典型的相干光通信系统框图如图1所示。

图1 相干光通信系统原理框图

图2 外调制器理想偏置点及偏置点漂移后调制曲线对比图

2.2 系统设计

相干光通信系统的关键在于接收端机本振光选用与发射端机信号光相同中心波长的窄线宽激光器（同频），再通过同步电路处理，使接收端的相位保持与发射端同相，从而形成相干条件。为实现相干光通信系统的性能指标，需要对相关关键器件进行选型及重要电路进行设计。

表1 外调制器性能参数

2.2.1 相干光发射端机的设计

相干光发射端机包括信道编码、外调制器、外调制器自动偏置控制电路、窄线宽激光器光源、光分路器、偏振控制等。本系统设计的相干光发射端机采用低光插损、低驱动电压的铌酸锂相位外调制器来实现QPSK调制，该调制器为高强度笛卡尔光学调制器，基于砷化镓材料，用于DC-40GHz的光PSK系统，具有频率特性好、体积小、内置终端电阻和可选的偏振器等特点，广泛应用于高速数据通信、相干光通信、光传感以及全光频率交换等领域，其性能参数见表1。

对于外调制器来说，直流偏置电压引起电场强度变化，改变了工作物质的折射率从而控制光强的输出，光功率输出曲线只与直流偏置电压有关，为了让外调制器工作在线性区间，必须对外调制器预先加直流偏置电压，但在实际工作时，直流偏置点会因工作温度、铌酸锂晶体的热释电引起的表面电荷迁移以及存在缓冲层而发生漂移，若没有相应的控制机制，则系统的输出信号幅度会畸变［2］，图2描绘了这种畸变。

相干光发射端机针对外调制器设计了一个跟踪偏置点变化并能自动调整偏置电压大小，使外调制器在理想偏置点稳定工作的偏置控制电路，最大程度的抑制非线性失真。自动偏置控制电路有两个功能：一是可自动测出初始理想偏置点的位置，即测量出该点对应的偏置电压值大小；二是若调制器工作点产生偏移，能自动检测并调整偏置电压值，使调制器工作点回到理想偏置点，同时具有足够大的偏置电压调整范围，针对常见的外调制器半波电压范围大，要求偏置电压可调范围在-12V～+12V。在大多数应用场合中，外调制器选择图2所示四个点中的Quad+和Quad-作为理想偏置点，而图2中输出光功率最大值点Max和Min在一些特殊应用中作为理想偏置点。

2.2.2 相干光接收端机的设计

相干光接收端机包括光混频、本振光、光电探测、放大滤波、信号处理、解调等。本系统设计的相干光接收端机采用平衡探测接收，平衡探测光电探测器是由集成在一个芯片上的两个波导集成探测器组成，这种结构确保了这一对探测器的均匀性非常好，波导技术确保了探测器频率响应和相位响应，甚至在高输入功率下的线性特性，探测器通过集成的电压偏置网络进行供电，需要一个正电压和一个负电压，集成的50Ω阻抗为电输出信号提供了优异的阻抗匹配特性，其性能参数见表2。光混频器的作用是将两束频率相近、相位差恒定且偏振方向相同的信号光与本振光进行相干混频，单偏振光混频器可以从单偏振信号中提取相位和幅度信息，其性能参数见表3。

表2 光电探测器性能参数

表3 光混频器性能参数

3 关键技术及测试数据

3.1 窄线宽光源技术

相干光通信系统光源包括光发射端机的信号光、光接收端机的本振光二者所用的激光器，它要求单纵模窄光谱线、频率稳定度高，信号激光器在动态调制下仍能保持动态的单频特性，调制带宽能满足相应的码速率要求，同时需要设计优良的控制电路使激光器在不同温度条件时稳定输出极窄谱线光。窄的稳定的谱线宽度是相干光通信系统实用化的必要条件，光源谱线越宽则相位噪声就越大，灵敏度就越差，光源本身的谱线宽度将决定系统所能达到的最低误码率以及最高接收灵敏度，谱线宽度越小越好，理想情况为单频。

3.2 接收技术

相干光通信的接收技术包括两部分，一部分是光的接收技术，另一部分是中频之后的各种制式的解调技术。解调技术实际上是电子的ASK、FSK和PSK等的解调技术。光的接收技术包括：

a）平衡接收法。平衡法的主要思想是当光信号从光纤进入后，本振光经偏振控制以保证与信号的偏振状态相适应，本振光和信号光同时经过精合器分两路，分别输入两个相同的光电检测器，使得两个光电检测器输出的是等幅而反相的包络信号，再将这两个信号合成后，使得调频信号增加一倍，而寄生的调幅噪声相互抵消，直流成分也抵消，达到消除调幅噪声影响的要求。

b）偏振控制技术。相干光通信系统接收端必须要求信号光和本振光的相干，才能取得良好的混频效果，提高接收质量。信号光经过单模光纤长距离传输后，偏振态是随机起伏的，为了克服这个问题，可采用保偏光纤、偏振控制器和偏振分集接收等方法。光在普通光纤中传输时，相位和偏振面会随机变化，保偏光纤就是通过工艺和材料的选择使得光相位和偏振保持不变的特种光纤，但是这种光纤损耗大，价格也非常昂贵；偏振控制器主要是使信号光和本振光同偏，这种方法响应速度比较慢，环路控制的要求也比较高；偏振分集接收主要是利用信号光和本振光混频后，由偏振分束元件将混合光分成两个相互垂直的偏振分量，本振光两个垂直偏振分量由偏振控制器控制，使两个分量功率相等，这样当信号光中偏振随机起伏也许造成其中一个分支中频信号衰落，但另一个分支的中频信号仍然存在，所以该系统最后得到的解调信号几乎和信号光的偏振无关，该技术响应速度比较快，比较实用，但实现比较复杂。

3.3 测试数据

采用数据码型发生器（Alnair Labs的PPG-250C）以及误码仪（Alnair Labs的EDR-250C）对相干光通信系统试验平台进行光接收灵敏度及误码率测试，通过测试发现：光源激光器的线宽越窄，相干光传输系统的光接收灵敏度越高；本振光功率越大，相干光传输系统的光接收灵敏度越高，但接收灵敏度不会随着本振光功率的增大而无限增大，不能使平衡探测器接收到的信号光超幅；调制速率越高，相干光传输系统的光接收灵敏度越小。图3所示为本振光功率为11.5dBm时系统误码率与平均接收光功率之间的关系。将有效误码率设置为1×10-9，可见调制速率分别为10Gbps、25Gbps、28Gbps、32Gbps时相干光传输系统接收灵敏度分别为-40dBm、-28dBm、-25dBm、-24dBm，能较好的满足实际使用要求。

图3 误码率与平均接收光功率关系

4 结束语

相干光通信技术已经成为光通信领域的研究热点，新型光器件及外调制技术、窄线宽光源技术、平衡光探测技术等的发展与突破，为相干光通信系统奠定了技术基础。在不久的将来，传统光通信系统将无法满足高速增长的带宽要求，而相干光通信技术作为一个可提高系统传输容量的有效手段，必会得到越来越多的关注。

参考文献

［1］钟晓春.星间激光通信相干与非相干技术与性能分析［J］.云南大学学报，2005，27（5A）﹕197-199.

［2］席虹标，朱少林，岑少忠，熊平戬.超宽带微波信号光纤传输系统［J］.光通信技术，2013，37（5）﹕15-16.

［3］祖继锋，刘立人，栾竹.星间激光通信技术进展与趋势［J］.激光与光电子学进展，2003，40（3）﹕7-10.