【正文】 模式理論和電磁理論計(jì)算的結(jié)果 ， 輸出光功率近似為 式 (30)右邊最后一項(xiàng)是中頻信號(hào)功率分量 ， 是疊加在 PS和PL上緩慢起伏的變化 。 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 ， 都可從中頻功率分量反映出來(lái) 。 圖 39 干涉后的瞬時(shí)光功率變化 ( ?L－ ?S)PL＋ PStP1. 零差檢測(cè) ：選擇 ωL=ωS， 即 ωIF=0， 稱零差檢測(cè) 。 濾去直流分量 ， 中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為 ( ) 2 c os( ) ( 31 )S L s LI t P P? ? ???式中 ， ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度 ， 通常 PLPS。 ? 零差檢測(cè)信號(hào)與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為 ? ? 。SLSLS PPPPP /4/4 222 ???相干檢測(cè)有零差檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種方式。 2 ( 32)P S LI P P??? 考慮本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上 ， 即 φL=φS， ? PL PS， 零差檢測(cè)接收光功率可放大幾個(gè)數(shù)量級(jí) 。 噪聲增加 ， 但靈敏度大幅度提高 。 ? ?( ) 2 ( ) c os ( ) ( 33 )ac S L I F s LI t P t P t? ? ? ?? ? ?2. 外差檢測(cè)： 選擇 ωL≠ωS ， 即 ωIF=ωSωL0， 稱外差檢測(cè) 。選擇 fIF(=ωIF/2π)在微波范圍 。 中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為 ? 外差檢測(cè)接收光功率放大 ， 提高了靈敏度 。 信噪比的改善比零差檢測(cè)低 3dB， 但接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單 ， 不需相位鎖定 。 ? 零差檢測(cè)技術(shù)復(fù)雜，相位變化靈敏， 必須控制相位， 使 φSφL保持不變， ωL和 ωS相等。 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 ， 稱幅移鍵控 (ASK)。 調(diào)制和解調(diào) 相干檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)：可對(duì)光載波實(shí)施幅度 、 頻率或相位調(diào)制 。 ? ASK的光場(chǎng)表達(dá)式 ? ?( ) ( ) c os ( 34 )s s s sE t A t t????式中 , AS、 ωS和 φS為光場(chǎng)幅度 、 中心角頻率和相位 。 數(shù)字信號(hào)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 40 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 KPSKFSK? ASK相干通信系統(tǒng)用外調(diào)制器實(shí)現(xiàn) ， 輸出光信號(hào)幅度隨基帶信號(hào)變化 ， 相位保持不變 。 如采用直接光強(qiáng)調(diào)制 ， 幅度變化將引起相位變化 。 ? 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 ， 多數(shù)情況 ， “ 0” 碼傳輸 ， 使 AS=0， “ 1”碼傳輸 ， 使 AS=1。 2. 相移鍵控 (PSK)： 基帶信號(hào)只控制光載波的相位變化 ， 稱相移鍵控 (PSK)。 ? ?( ) c os ( ) ( 35 )s s sE t A t t????? PSK的光場(chǎng)表達(dá)式為 ? PSK中 ， AS保持不變 ， 只對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制 。 傳輸“ 0”碼和 “ 1”碼時(shí) ， 分別用兩個(gè)不同相位表示 。傳輸 “ 0”時(shí) ， 光載波相位不變 ， 傳輸 “ 1”碼時(shí) ，相位改變 180176。 ， 稱差分相移鍵控 (DPSK)。 ? 設(shè)計(jì) PSK只須選擇適當(dāng)?shù)拿}沖電壓 ， 可使相位改變 δφ=π。 但接收端光波相位必須非常穩(wěn)定 ， 對(duì)發(fā)射和本振激光器的譜寬要求苛刻 。 3. 頻移鍵控 (FSK)： 基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的頻率，稱頻移鍵控 (FSK)。 ? ?( ) c os ( ) ( 36 )s s s sE t A t t? ? ?? ? ? ?? FSK的光場(chǎng)表達(dá)式為 ? 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)稱碼頻間距。 1. 零差檢測(cè)時(shí) ， 光信號(hào)直接被解調(diào)為基帶信號(hào) ， 要求本振光的頻率和信號(hào)光頻率完全相同 ， 本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上 ， 采用同步解調(diào) 。 相干檢測(cè)的解調(diào)方式有兩種： 同步解調(diào)和異步解調(diào) 。 2. 外差檢測(cè)時(shí) ， 不要求本振光和信號(hào)光頻率相同 ， 也不要求相位匹配 ， 可采用同步解調(diào) ， 也可采用異步解調(diào) 。 3. 同步解調(diào)要求恢復(fù)中頻 ωIF(微波頻率 )， 要求電鎖相環(huán)路 。 異步解調(diào)簡(jiǎn)化接收機(jī)設(shè)計(jì) ， 技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn) 。 4. 兩種解調(diào)方式差別在于接收機(jī)噪聲對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。異步解調(diào)要求信噪比 (SNR) 高，但異步解調(diào)接收機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)光源和本振光源的譜線要求適中。 圖 41 外差同步解調(diào)接收機(jī)方框圖 光檢測(cè)器帶通基帶信號(hào)本振光信號(hào)光?S?L低通載波恢復(fù)圖 42 外差異步解調(diào)接收機(jī)方框圖 光檢測(cè)器帶通基帶信號(hào)本振光信號(hào)光?S?L低通包絡(luò)檢波誤碼率和接收靈敏度 相干光通信系統(tǒng)光接收機(jī)性能可用信噪比 (SNR)定量描述 。 2 2 2 42 ( ) ( 37 )n s TLkTi i i e I I d B BR? ? ? ? ?式中 , 和 分別為散粒噪聲功率和熱噪聲功率 ， e為電子電荷 ， Id為光檢測(cè)器暗電流 ， B為等效噪聲帶寬 ， kT為熱能量 ， RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻 ， I為光電流 ， 由式 (31)或式 (32)確定 。 2Ti2ni系統(tǒng)總平均噪聲功率 (均方噪聲電流 )為 2 2222 ( 38 )2 ( )ac sLn L d TI ppSNRI e p I B I??????外差檢測(cè)的信噪比 光檢測(cè)器的響應(yīng)度 ρ=ηe/hf, η為光檢測(cè)器量子效率 ， e和hf為電子電荷和光子能量；等效噪聲帶寬 B=fb/2， fb為傳輸速率 ， 平均信號(hào)光功率 〈 PS〉 用每比特時(shí)間內(nèi)光子數(shù) NP表示為 ( 40 )S P bP N hff?相干光接收機(jī)噪聲由本振光功率 PL引入的散粒噪聲支配 ，與信號(hào)光功率大小無(wú)關(guān) ， 式 (38)中 Id和 〈 i2T〉 項(xiàng)可略去 ，得 SP 39SNReB?? （）把上述關(guān)系代入式 (39)得到 2 ( 41 )pSN R N??零差檢測(cè)的平均信號(hào)光功率是外差檢測(cè)的 2倍 ， 其信噪比 4 ( 42)PSNR N??2. 誤碼率： 由信噪比 (SNR)確定 。 以 ASK零差檢測(cè)為例 ，設(shè)判決信號(hào)為 1 ( ) ( 43 )2a P cI I i??式中 ,Ip=2ρ(PsPL)1/2為信號(hào)光電流， ic為高斯隨機(jī)噪聲。 11 211 ( ) ( 45 )22IQ SNRN?? ,0101 NNIIQ ??? ）（式中， N0和 N1分別為 “ 0”碼和“ 1” 碼的等效噪聲功率 ， 設(shè) N0=N1， I0=0， 則得到 設(shè) “ 0”碼和 “ 1”碼時(shí) ， IP取 I0和 I1， 理想情況下誤碼率 1 ( ) ( 44)2 2QB E R e rf c?1 21 ( ) ( 46 )22PNB E R e rfc ??把式 (45)和式 (42)代入式 (44)， 得 在 “ 0”碼和 “ 1”碼概率相等條件下 ， ASK， NP= , NP為長(zhǎng)比特流情況下 ， 每比特平均光子數(shù) 。 PN224( 47 )s Q hfBP ??3. 靈敏度： 為確定接收靈敏度，利用式 (40)和式 (45)得到 hf=hc/λ, h為普朗克常數(shù) ， c為光速 ， λ為光波長(zhǎng) 。 2m in2 ( 48 )2SsP Q hfBP???式中利用 ρ=ηe/hf。 最小平均接收光功率 相干檢測(cè)中，通常用每比特光子數(shù) 表示靈敏度。 PN圖 43 不同調(diào)制方式外差接收機(jī)量子極限誤碼率 10－ 1210－ 910－ 610－ 31001 5 10 50 100FSKPSKDPSKA S K零差 PSK光子數(shù) / 比特誤碼率由表可看出理想直接檢測(cè)光接收機(jī) ， BER=109時(shí) ，要求每比特 10個(gè)光子 ( =10)， 接近最好的相干接收機(jī) ——PSK 零差檢測(cè)接收機(jī)的 , 比其他相干接收機(jī)都好 . PNPN但是實(shí)際因?yàn)闊嵩肼?、 暗電流和其他許多因素的影響 ，直接檢測(cè)光接收機(jī) ， ≈1000。 相干接收時(shí) ，借助增加本振光功率 ， 使散粒噪聲占支配地位 ， 表中的數(shù)值容易實(shí)現(xiàn) . PN圖 44 4Gb/s外差光波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖 調(diào)幅或調(diào)相3 d B耦合器外調(diào)制器A S K 或 D P S K數(shù)據(jù)輸入光纖光隔離器D B R 或D F B激光器頻率鎖定光平衡接收機(jī)低通濾波數(shù)據(jù)輸出FSK數(shù)據(jù)輸入D B R 或 D F B 激光器偏振控制光隔離器可變延遲線 相干光系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù) 1. 靈敏度提高 10～ 20 dB， 線路功率損耗可增到 50 dB。如果使用損耗為 dB/km光纖 ， 無(wú)中繼傳輸距離達(dá)250 km。 相干光系統(tǒng)受光纖損耗限制 ， 周期使用光纖放大器 ，可增加傳輸距離 ， 適合干線網(wǎng)使用 。 相干光系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)： 2. 相干光系統(tǒng)出色的信道選擇性和靈敏度，和光頻分復(fù)用結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸，適合 CATV分配網(wǎng)使用。 1. 使用頻率穩(wěn)定度和頻譜純度很高的激光器作信號(hào)光源和本振光源 。 須研究穩(wěn)頻技術(shù)和采用頻譜壓縮措施 ， 提高頻譜純度 。 相干光系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是： 2. 匹配技術(shù)。相干光系統(tǒng)要求信號(hào)光和本振光混頻時(shí)滿足嚴(yán)格的匹配條件獲得高混頻效率，匹配包括空間匹配、波前匹配和偏振方向匹配。 六、光時(shí)分復(fù)用技術(shù) 光時(shí)分復(fù)用 (OTDM)是在光域上進(jìn)行時(shí)間分割復(fù)用 ，有兩種復(fù)用方式：比特間插和信元間插 。 1. 系統(tǒng)光源是超短光脈沖光源 ， 由光分路器分成 N束 ，各支路電信號(hào)被調(diào)制到各束超短光脈沖上 ， 通過(guò)光延遲線陣列 ， 使各支路光脈沖精確地按預(yù)定要求在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi) 。 2. 由合路器將各支路光脈沖復(fù)接 ， 完成光時(shí)域上的間插復(fù)用 。 接收端的光解復(fù)用器是一個(gè)光控高速開(kāi)關(guān) ， 在時(shí)域上將各支路光信號(hào)分開(kāi) 。 光時(shí)分復(fù)用原理： 圖 45 光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)框圖 M o d 1M o d 2…M o d n……合路器光分路器T( n － 1) T超短脈沖發(fā)生器幀同步時(shí)鐘E / O M U X接收機(jī)誤碼檢測(cè)光帶通濾波器全光開(kāi)關(guān)D E M U X光波時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘提取電路E D F A延時(shí)線陣列待傳數(shù)據(jù)輸入實(shí)現(xiàn) OTDM 需解決的關(guān)鍵技術(shù)： 1. 超短光脈沖光源； 2. 超短光脈沖的長(zhǎng)距離傳輸和色散抑制技術(shù)； 3. 幀同步及路序確定技術(shù)； 4. 光時(shí)鐘提取技術(shù)； 5. 全光解復(fù)用技術(shù) 。 七、波長(zhǎng)變換技術(shù) 1. 信息可通過(guò) WDM網(wǎng)絡(luò)中不適宜使用的波長(zhǎng)進(jìn)入WDM網(wǎng)絡(luò) 。 2. 在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，可提高鏈路上現(xiàn)有波長(zhǎng)的利用率。 引入波長(zhǎng)變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的再利用。 波長(zhǎng)變換 (WC)是將信息從承載它的一個(gè)波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)到另一個(gè)波長(zhǎng) 。 3. 若不同網(wǎng)絡(luò)由不同的組織管理 ， 可在網(wǎng)絡(luò)間使用波長(zhǎng)變換器 ， 協(xié)調(diào)波長(zhǎng)分配 。 WDM光網(wǎng)絡(luò)中使用波長(zhǎng)變換技術(shù)的原因： 1. 光 /電 /光方法： 將光信號(hào)經(jīng)光 /電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào) ，電信號(hào)調(diào)制所需波長(zhǎng)的激光器 ， 實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換 。 波長(zhǎng)變換基本方法：光 /電 /光方法和全光方法。 ? 優(yōu)點(diǎn)：輸入動(dòng)態(tài)范圍大 ， 不需光濾波器 ， 對(duì)輸 入光的偏振不敏感 ， 對(duì)信號(hào)具有再生能力 。 ? 缺點(diǎn)：失去全光網(wǎng)絡(luò)的透明性。 2. 全光方法： 主要有基于半導(dǎo)體光放大器 (SOA)中的交叉增益調(diào)制 (XGM)和交叉相位調(diào)制 (XPM)以及基于半導(dǎo)體光放大器或光纖中的四波混頻 (FWM)和不同頻率產(chǎn)生 (DFG)。 對(duì)比特率和信號(hào)格式具有透明性； 較寬的變換范圍 ， 能向長(zhǎng)波長(zhǎng)和短波長(zhǎng)變換； 適當(dāng)?shù)妮斎牍夤β剩? 對(duì)偏振不敏感 ， 低啁啾輸出 ， 高信噪比 ， 高消光比； 變換速率快 、 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 。 ? 波長(zhǎng)變換技術(shù)的要求： 演講完畢，謝謝觀看！