【正文】 而后部 (尾 )頻率高 ， 傳播得快 。 這種脈沖形象地被稱為 “ 紅頭紫尾 ” 光脈沖 。 在傳播過(guò)程中 ， “ 紫 ” 尾逐漸接近 “ 紅 ” 頭 ， 因而脈沖被壓縮 ， 如圖( a) 。 相反 ， 具有負(fù)啁啾的光脈沖通過(guò)反常色散光纖時(shí) ， 前部 (頭 )傳播得快 ， 后部 (尾 )傳播得慢 ， “ 紫 ” 頭和 “ 紅 ”尾逐漸分離 ， 結(jié)果脈沖被展寬 ， 如圖 (b)所示 。 由此可見 ，適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù) ， 可以使光脈沖寬度保持不變 。 圖 (a)示出光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖 。 光孤子源產(chǎn)生一系列脈沖寬度很窄的光脈沖 ， 即光孤子流 ， 作為信息的載體進(jìn)入光調(diào)制器 ， 使信息對(duì)光孤子流進(jìn)行調(diào)制 。 被調(diào)制的光孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器和光隔離器后 ， 進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸 。 為克服光纖損耗引起的光孤子減弱 ， 在光纖線路上周期地插入 EDFA， 向光孤子注入能量 ， 以補(bǔ)償因光纖傳輸而引起的能量消耗 ， 確保光孤子穩(wěn)定傳輸 。 在接收端 ， 通過(guò)光檢測(cè)器和解調(diào)裝置 ， 恢復(fù)光孤子所承載的信息 。 圖 (a) 光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖； (b) 循環(huán)光纖間接光孤子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖 孤子源 調(diào)制脈沖源E D F A隔離器探測(cè)光纖傳輸系統(tǒng)E D F A E D F A E D F A( a )E D F A光纖E D F A光纖E D F A光纖→光隔離器調(diào)制器→鎖模激光器E D F A光隔離器1 d B耦合器微波頻譜分析儀( b )2 5 k m 2 5 k m 2 5 k m 光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵 。 要求光孤子源提供的脈沖寬度為 ps數(shù)量級(jí) ， 并有規(guī)定的形狀和峰值 。 光孤子源有很多種類 ， 主要有摻鉺光纖孤子激光器 、 鎖模半導(dǎo)體激光器等 目前 ， 光孤子通信系統(tǒng)已經(jīng)有許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果 。 例如 ，對(duì)光纖線路直接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ， 在傳輸速率為 10 Gb/s時(shí) ， 傳輸距離達(dá)到 1000 km；在傳輸速率為 20 Gb/s時(shí) ， 傳輸距離達(dá)到 350 km。 對(duì)循環(huán)光纖間接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) (參看圖 (b))， 傳輸速率為 Gb/s， 傳輸距離達(dá) 12 000 km；改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ，傳輸速率為 10 Gb/s， 傳輸距離達(dá) 106 km。 事實(shí)上 ， 對(duì)于單信道光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō) ， 光孤子通信系統(tǒng)的性能并不比在零色散波長(zhǎng)工作的常規(guī) (非光孤子 )系統(tǒng)更好 。 循環(huán)光纖間接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ， 零色散波長(zhǎng)常規(guī)系統(tǒng)的傳輸速率為 Gb/s時(shí) ， 傳輸距離可達(dá) 21 000 km， 而為 5 Gb/s時(shí)可達(dá) 14 300 km。 然而 ， 零色散波長(zhǎng)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單信道傳輸 ，而光孤子系統(tǒng)則可用于 WDM系統(tǒng) ， 使傳輸速率大幅度增加 ，因而具有 目前已經(jīng)投入使用的光纖通信系統(tǒng) ， 都是采用光強(qiáng)調(diào)制 直接檢測(cè) (IM DD)方式 。 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單 ， 容易實(shí)現(xiàn) ， 因而成本較低 。 但是這種方式?jīng)]有利用光載波的頻率和相位信息 ， 限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高 。 相干光通信 ， 像傳統(tǒng)的無(wú)線電和微波通信一樣 ， 在發(fā)射端對(duì)光載波進(jìn)行幅度 、 頻率或相位調(diào)制；在接收端 ， 則采用零差檢測(cè)或外差檢測(cè) ， 這種檢測(cè)技術(shù)稱為相干檢測(cè) 。 和 IMD方式相比 ， 相干檢測(cè)可以把接收靈敏度提高 20 dB， 相當(dāng)于在相同發(fā)射功率下 ， 若光纖損耗為 dB/km， 則傳輸距離增加100 km。 同時(shí) ， 采用相干檢測(cè) ， 可以更充分利用光纖帶寬 。 我們已經(jīng)看到 ， 在光頻分復(fù)用 (OFDM)中 ， 信道頻率間隔可以達(dá)到 10 GHz以下 ， 因而大幅度增加了傳輸容量 。 所謂相干光 ， 就是兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)具有空間疊加 、 相互干涉性質(zhì)的激光 。 實(shí)現(xiàn)相干光通信 ， 關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定 、 相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器 。 圖 ， 光接收機(jī)接收的信號(hào)光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后 ， 光場(chǎng)發(fā)生干涉 。 由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后 ， 以基帶信號(hào)的形式輸出 。HE11模 ， 接收機(jī)接收的信號(hào)光其光場(chǎng)可以寫成 ES=ASexp［ i(ωSt+φS)］ () 式中 , AS、 ωS和 φS分別為光載波的幅度 、 頻率和相位 。 同樣 ， 本振光的光場(chǎng)可以寫成 EL=ALexp［ i(ωLt+φL)］ () 圖 相干檢測(cè)原理方框圖 光檢測(cè)器電信號(hào)處理基帶信號(hào)本地光振蕩器混頻器信號(hào)光?S?L 式中 , AL、 ωL和 φL分別為本振光的幅度 、 頻率和相位 。 保持信號(hào)光的偏振方向不變 ， 控制本振光的偏振方向 ， 使之與信號(hào)光的偏振方向相同 。 本振光的中心角頻率 ωL應(yīng)滿足 ωL=ωSωIF或 ωL=ωS+ωIF () 式中 ， ωIF是中頻信號(hào)的頻率 。 這時(shí)光檢測(cè)器輸出的光功率 P與光強(qiáng) |ES+Ｅ L|2成比例 ， 即 P=K|ES+EL|2 () 式中 ， K為常數(shù) 。 由式 ()～式 ()， 根據(jù)模式理論和電磁理論計(jì)算的結(jié)果 ， 輸出光功率近似為 P(t)≈PS+PL+2 PLcos［ ωIFt+(φSφL)］ () 式中 , PS=KA2S, PL=KA2L, ωIF=ωSωL。 顯然 ， 式 ()右邊最后一項(xiàng)是中頻信號(hào)功率分量 ， 它實(shí)際上是疊加在 PS和 PL之上的一種緩慢起伏的變化 ， 如圖 所示 。 由此可見 ， 中頻信號(hào)功率分量帶有信號(hào)光的幅度 、 頻率或相位信息 ， 在發(fā)射端 ， 無(wú)論采取什么調(diào)制方式 ， 都可以從中頻功率分量反映出來(lái) 。 所以 ， 相干光接收方式是適用于所有調(diào)制方式的通信體制 。 相干檢測(cè)有零差檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種方式 。 Ls pp圖 干涉后的瞬時(shí)光功率變化 ( ?L－ ?S)PL＋ PStP 1. 選擇 ωL=ωS， 即 ωIF=0， 這種情況稱為零差檢測(cè) 。 這時(shí) ， 濾去直流分量 ， 中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為 I(t)= cos (φSφL) () 式中 ， ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度 。 通常 PLPS， 同時(shí)考慮到本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上 ， 即 φL=φS， 這樣便得到零差檢測(cè)的信號(hào)光電流為 IP=2ρ () LS PP?2LS PP?2零差檢測(cè)信號(hào)平均光功率與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為4ρ2〈 PS〉 PL/(ρ2〈 PS〉 2)=4PL/〈 PS〉 。 由于 PLPS， 零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí) 。 雖然噪聲也增加了 ， 但是靈敏度仍然可以大幅度提高 。 零差檢測(cè)技術(shù)非常復(fù)雜 ， 因?yàn)橄辔蛔兓浅ｌ`敏 ， 必須控制相位 ， 使 φSφL保持不變 ， 同時(shí)要求 ωL和 ωS相等 。 2. 選擇 ωL≠ωS， 即 ωIF=ωSωL0， 這種情況稱為外差檢測(cè) 。 通常選擇 fIF(=ωIF/2π)在微波范圍 (例如 1GHz)。 這時(shí)中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為 Iac(t)= cos［ ωIFt+(φSφL)］ LS PtP )(2 ? 與零差檢測(cè)相似 ， 外差檢測(cè)接收光功率放大了 ， 從而提高了靈敏度 。 外差檢測(cè)信噪比的改善比零差檢測(cè)低 3dB， 但是接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單 ， 因?yàn)椴恍枰辔绘i定 。 如前所述 ， 相干檢測(cè)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)光載波實(shí)施幅度 、 頻率或相位調(diào)制 。 對(duì)于模擬信號(hào) ， 有三種調(diào)制方式 ， 即幅度調(diào)制 (AM)、 頻率調(diào)制 (FM)和相位調(diào)制 (PM)。 對(duì)于數(shù)字信號(hào) ， 也有三種調(diào)制方式 ， 即幅移鍵控 (ASK)、 頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)。 圖 示出 ASK、 PSK和 FSK調(diào)制方式的比較 ， 下面分別介紹這三種調(diào)制方式 。 1. 幅移鍵控 (ASK) 基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的幅度變化 ， 稱為幅移鍵控(ASK)。 ASK的光場(chǎng)表達(dá)式 圖 ASK、 PSK和 FSK調(diào)制方式比較 1 0 01 10( a )( b )( c )( d )電二進(jìn)制信號(hào)A S KP S KFSK ES(t)=AS(t)cos［ ωSt+φS］ () 式中 , AS、 ωS和 φS分別為光場(chǎng)的幅度 、 中心角頻率和相位 。 在ASK中 ， φS保持不變 ， 只對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)制 。 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制 ， 在大多數(shù)情況下 ， “ 0” 碼傳輸時(shí) ， 使 AS=0， “ 1”碼傳輸時(shí) ， 使 AS=1。 ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn) ， 這樣只有輸出光信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)而變化 ， 而相位保持不變 。 如果采用直接光強(qiáng)調(diào)制 ， 幅度變化將引起相位變化 。 外調(diào)制器通常用鈦擴(kuò)散的鈮酸鋰 (Ti: LiNbO3)波導(dǎo)制成的馬赫 曾德爾(MZ)干涉型調(diào)制器 ， 如圖 。 這種調(diào)制器在消光比大于 20時(shí) ， 調(diào)制帶寬可達(dá) 20 GHz。 1. 幅移鍵控 (ASK) 基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的幅度變化 ， 稱為幅移鍵控(ASK)。 ASK的光場(chǎng)表達(dá)式為 ES(t)=AS(t)cos［ ωSt+φS］ () 式中 , AS、 ωS和 φS分別為光場(chǎng)的幅度 、 中心角頻率和相位 。在 ASK中 ， φS保持不變 ， 只對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)制 。 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制 ， 在大多數(shù)情況下 ， “ 0” 碼傳輸時(shí) ， 使 AS=0， “ 1”碼傳輸時(shí) ， 使 AS=1。 ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn) ， 這樣只有輸出光信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)而變化 ， 而相位保持不變 。 如果采用直接光強(qiáng)調(diào)制 ， 幅度變化將引起相位變化 。 外調(diào)制器通常用鈦擴(kuò)散的鈮酸鋰 (Ti: LiNbO3)波導(dǎo)制成的馬赫 曾德爾 (MZ)干涉型調(diào)制器 ， 如圖 。 這種調(diào)制器在消光比大于 20時(shí) ， 調(diào)制帶寬可達(dá) 20 GHz。 2. 相移鍵控 (PSK) 基帶信號(hào)只控制光載波的相位變化 ， 稱為相移鍵控 (PSK)。 PSK的光場(chǎng)表達(dá)式為 ES(t)=AScos［ ωSt+φ(t)］ () 在 PSK中 ， AS保持不變 ， 只對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制 。 傳輸 “ 0”碼和傳輸 “ 1”碼時(shí) ， 分別用兩個(gè)不同相位 (通常相差 180176。 )表示 。 如果傳輸 “ 0”時(shí) ， 光載波相位不變 ， 傳輸 “ 1”碼時(shí) ， 相位改變 180176。 ， 這種情況稱為差分相移鍵控 (DPSK)。 和 ASK使用的 MZ干涉型調(diào)制器相比 ， 設(shè)計(jì) PSK使用的相位調(diào)制器要簡(jiǎn)單得多 。 這種調(diào)制器只要選擇適當(dāng)?shù)拿}沖電壓 ， 就可以使相位改變 δφ=π。 但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定 ， 因此對(duì)發(fā)射和本振激光器的譜寬要求非?？量?。 3. 頻移鍵控 (FSK) 基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的頻率 ， 稱為頻移鍵控 (FSK)。 FSK的光場(chǎng)表達(dá)式為 ES(t)=AScos［ (ωS177。 Δω)t+φS］ (） 在FSK中 ， AS保持不變 ， 只對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制 。 傳輸 “ 0”碼和傳輸 “ 1”碼時(shí) ， 分別用頻率 f0(=ω0/2π)和 f1(=ω1/2π)表示 。 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) ， 用 (ωSΔω)和 (ωS+Δω)分 別表 示 “ 0” 碼和 “ 1” 碼 。 2Δf(=2Δω/2π)稱為碼頻間距 。 在式 ()中 ， ［ (ωS177。 Δω)t+φS］和 ［ ωSt+(φS177。 Δωt)］ 是等效的 ， 因此 FSK可以認(rèn)為一種 PSK， 雖然技術(shù)上有所不同 。 相干檢測(cè)的解調(diào)方式有兩種： 同步解調(diào)