光通信新技術(shù)創(chuàng)新講座

創(chuàng)新技術(shù)講座

（1）光通信新技術(shù)

光纖放大器

光波分復(fù)用技術(shù)

光交換技術(shù)

光孤子通信

相干光通信技術(shù)

光時(shí)分復(fù)用技術(shù)

波長(zhǎng)變換技術(shù)一、光纖放大器

半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是小型化，易與其他半導(dǎo)體器件集成；缺點(diǎn)是性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。2.光纖放大器的性能與光偏振方向無(wú)關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小。光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類(lèi)型。光纖放大器是把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，稱(chēng)光纖激光器。20世紀(jì)80年代末期，推出摻鉺光纖放大器。摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級(jí)：能級(jí)1代表基態(tài)，能量最低；能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級(jí)；能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。摻鉺光纖放大器工作原理2.當(dāng)泵浦(抽運(yùn))光的光子能量等于能級(jí)3和能級(jí)1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→3)。但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，Er3+很快返回到能級(jí)2。3.若輸入信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，處于能級(jí)2的Er3+將躍遷到基態(tài)(2→1)，產(chǎn)生受激輻射光，信號(hào)光得到放大。摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理:

圖1摻鉺光纖放大器的工作原理(a)硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜4.激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，Er3+很快返回到能級(jí)2。如果輸入的信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，則處于能級(jí)2的Er3+將躍遷到基態(tài)(2→1)，產(chǎn)生受激輻射光，信號(hào)光得到放大。泵浦光能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光。5.為提高放大器增益，應(yīng)提高對(duì)泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)。

圖2摻鉺光纖放大器的特性(a)輸出信號(hào)光功率與泵浦光功率的關(guān)系；(b)小信號(hào)增益與泵浦光功率的關(guān)系摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖(EDF)、高功率泵浦光源、波分復(fù)用器和光隔離器組成。波分復(fù)用器要求插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。對(duì)泵浦光源的基本要求是大功率和長(zhǎng)壽命。高增益摻鉺光纖(EDF)的增益取決于Er3+的濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑以及泵浦光功率等，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。隔離器作用是防止光反射，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲，要求插入損耗小，反射損耗大。圖3-1光纖放大器構(gòu)成方框圖

圖3-2實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖EDFA特性：在泵浦光功率一定的條件下，輸入信號(hào)光功率較小時(shí)，放大器增益不隨輸入信號(hào)光功率變化，基本保持不變。當(dāng)信號(hào)光功率增加到一定值(一般為—20dBm)，增益隨信號(hào)光功率增加而下降，輸出信號(hào)光功率達(dá)到飽和。圖4摻鉺光纖放放大器增益益、噪聲聲指數(shù)和輸輸出光功率率與輸入光功率的的關(guān)系曲線(xiàn)線(xiàn)摻鉺光纖放放大器的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用用工作波長(zhǎng)落落在光纖通通信最佳波波段(1500～1600nm)；主體是一一段光纖(EDF)，與傳輸光光纖的耦合合損耗很小小，可達(dá)0.1dB。2.增益高，約約為30～40dB;飽和輸出光光功率大，，約為10～16dBm;增益特性與與光偏振狀狀態(tài)無(wú)關(guān)。。3.噪聲指數(shù)小小，一般般為4～7dB;用于多信道道傳輸時(shí)，，隔離度度大，無(wú)串串?dāng)_，適用用于波分復(fù)復(fù)用系統(tǒng)。。EDFA主要優(yōu)點(diǎn)：4.頻帶寬，在在1550nm窗口，頻帶帶寬度為20～40nm，可進(jìn)行多多信道傳輸輸，有利于于增加傳輸輸容量。若加1310nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可增加一倍?！安ǚ謴?fù)用+光纖放大器”可充分利用光纖帶寬增加傳輸容量。1550nmEDFA應(yīng)用：副載波CATV系統(tǒng)，WDM或OFDM系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)應(yīng)用EDFA增加傳輸距離。圖5光纖放大器器的應(yīng)用形形式(a)中繼放大器器；(b)前置放大器器和后置放放大器二、光波波分復(fù)用技技術(shù)光波分復(fù)用用原理1.WDM的概念光波分復(fù)用(WDM)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù)。基本原理：在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線(xiàn)路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，稱(chēng)光波分復(fù)用技術(shù)。圖6中心波長(zhǎng)在在1.3μμm和1.55μμm的硅光纖低低損耗傳輸輸窗口(插圖表示1.55μμm傳輸窗口的的多信道復(fù)復(fù)用)在光纖兩個(gè)低損耗傳輸窗口：波長(zhǎng)為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬為中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；波長(zhǎng)為1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相應(yīng)帶寬為12500GHz。兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過(guò)30THz。在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱(chēng)密集波分復(fù)用(DWDM)。該系統(tǒng)是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上構(gòu)成光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長(zhǎng)間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低。用WDM和DWDM區(qū)分是1310/1550nm簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用。1310/1550nm復(fù)用超出EDFA的增益范圍，用WDM來(lái)代替DWDM。在光層中，相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)通道連接形成跨越多個(gè)OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息傳送，光通路可根據(jù)需要靈活、動(dòng)態(tài)地建立和釋放，即為WDM全光網(wǎng)絡(luò)。在WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長(zhǎng)為單位對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進(jìn)行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，可在原來(lái)由光纖鏈路組成的物理層上面形成新的光層。2.WDM系統(tǒng)的基本本形式將不同波長(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱(chēng)復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)分別輸出的器件稱(chēng)為解復(fù)用器(也叫分波器)。兩種器件互易(雙向可逆)，即將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過(guò)來(lái)用，為復(fù)用器。WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成：雙纖單向傳傳輸：在發(fā)發(fā)送端將載載有信息的的、不同波波長(zhǎng)已調(diào)光光信號(hào)λ1,λ2,…,λn通過(guò)光復(fù)用用器組合，，在一根光光纖中單向向傳輸。各各信號(hào)通通過(guò)不同光光波長(zhǎng)攜帶帶，彼此之之間不混淆淆。在接收收端通過(guò)光光解復(fù)用器器將不同波波長(zhǎng)的信號(hào)號(hào)分開(kāi)，完完成多路路光信號(hào)傳傳輸?shù)娜蝿?wù)務(wù)。2.單纖雙向傳傳輸：雙向向WDM傳輸是指光光通路在一一根光纖上上同時(shí)向兩兩個(gè)不同的的方向傳輸輸，所用波波長(zhǎng)相互分分開(kāi)，以以實(shí)現(xiàn)雙向向全雙工的的通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的系統(tǒng)因素：光反射、雙向通路間的隔離、串?dāng)_類(lèi)型以及數(shù)值、兩個(gè)方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴(lài)性，使用雙向光纖放大器。設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，使各波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的上下路(Add/Drop)和路由分配，合理插入或分出信號(hào)。雙向WDM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用要求較高，但可減少使用光纖和線(xiàn)路放大器的數(shù)量。圖7雙纖單向WDM傳輸圖8單纖雙向WDM傳輸其中Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率；P0為從輸出端口接收到的光功率。插入損耗：由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無(wú)源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即3.光波分復(fù)用用器的性能能參數(shù)波分復(fù)用器的基本要求：插入損耗小，隔離度大，帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭，溫度穩(wěn)定性好，復(fù)用通路數(shù)多，尺寸小等。2.串?dāng)_抑制度度：指其他他信道的信信號(hào)耦合進(jìn)進(jìn)某一信道道，并使該該信道傳輸輸質(zhì)量下降降的影響程程度。其中Pi是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為λj信道的光功率。其中Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Pr為從同一個(gè)輸入端口接收到的返回光功率。3.回波損耗：從無(wú)源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比，即4.反射射系系數(shù)數(shù)：：在在WDM器件件的的給給定定端端口口的的反反射射光光功功率率Pr與入入射射光光功功率率Pj之比比，，即即5.工作作波波長(zhǎng)長(zhǎng)范范圍圍：：指指WDM器件件能能夠夠按按照照規(guī)規(guī)定定的的性性能能要要求求工工作作的的波波長(zhǎng)長(zhǎng)范范圍圍(λλmin到λmax)。6.信道道寬寬度度：：光光源源間間為為避避免免串串?dāng)_擾應(yīng)應(yīng)具具有有的的波波長(zhǎng)長(zhǎng)間間隔隔。。7.偏振相關(guān)關(guān)損耗：：由于偏偏振態(tài)的的變化造造成插入入損耗的的最大變變化值。。WDM系統(tǒng)的基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)WDM系統(tǒng)的組成：光發(fā)射機(jī)、光中繼放大、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。OTU輸出端滿(mǎn)足G.692的光接口，即標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)和滿(mǎn)足長(zhǎng)距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號(hào)；通過(guò)光功率放大器(BA)放大輸出多路光信號(hào)。光發(fā)射機(jī)：位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端，將來(lái)自終端設(shè)備輸出的光信號(hào)，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把非特定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有穩(wěn)定的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。圖9實(shí)際WDM系統(tǒng)的基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)經(jīng)過(guò)一定距離傳輸后，用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線(xiàn)放(LA)”,“功放(BA)”和“前放(PA)”。增益平坦技術(shù)：使EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有接近相同的放大增益。接收端，光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號(hào)，分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。接收機(jī)要能承受有一定光噪聲的信號(hào)，有足夠電帶寬。光監(jiān)控信道(OSC)：監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況；網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)：通過(guò)光監(jiān)控信道物理層傳送開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來(lái)自其他結(jié)點(diǎn)的開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，與上層管理系統(tǒng)相連。發(fā)送端，，插入本本結(jié)點(diǎn)產(chǎn)產(chǎn)生的波波長(zhǎng)為λs(1510nm)的光監(jiān)控控信號(hào)，，與主信信道的光光信號(hào)合合波輸出出；2.接收端，，將接收收到的光光信號(hào)分分離，輸輸出λs(1510nm)波長(zhǎng)的光光監(jiān)控信信號(hào)和業(yè)業(yè)務(wù)信道道光信號(hào)號(hào)。傳送送幀同步步字節(jié)、、公務(wù)字字節(jié)和網(wǎng)網(wǎng)管所用用的開(kāi)銷(xiāo)銷(xiāo)字節(jié)。。WDM技術(shù)的主主要特點(diǎn)點(diǎn)1.充分利用用光纖巨巨大的帶帶寬資源源(低損耗波波段)。2.WDM技術(shù)使用用各波長(zhǎng)長(zhǎng)的信道道相互獨(dú)獨(dú)立，可可傳輸特特性和速速率完全全不同的的信號(hào)。。3.WDM技術(shù)使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)復(fù)用在單單根光纖纖中傳輸輸，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)單根光光纖雙向向傳輸，，節(jié)省線(xiàn)線(xiàn)路投資資。4.降低器件件的超高高速要求求5.高度的組組網(wǎng)靈活活性、經(jīng)經(jīng)濟(jì)性性和可靠靠性光濾波器器與光波波分復(fù)用用器光濾波器的應(yīng)用：?jiǎn)渭兊臑V波應(yīng)用、波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用和波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用。波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在WDM終端和波長(zhǎng)路由器以及波長(zhǎng)分插復(fù)用器(WADM)中。波長(zhǎng)路由器用于波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)，它有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每路輸入都載有一組WDM信號(hào)。路由器交換波長(zhǎng)λ1和λ4：在輸入端口1上的波長(zhǎng)中，若λ12和λ13由輸出端口1輸出，λ11和λ14由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長(zhǎng)中，若λ22和λ23由輸出端口2輸出，則λ21和λ24由輸出端口1輸出。圖10光濾波器器的三種種應(yīng)用(a)單純的濾濾波應(yīng)用用；(b)波分復(fù)用用器中應(yīng)應(yīng)用；(c)波長(zhǎng)路由由器中應(yīng)應(yīng)用有較低的的插入損損耗，且且損耗與與輸入光光的偏振振態(tài)無(wú)關(guān)關(guān)。若波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，稱(chēng)靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，稱(chēng)動(dòng)態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可用波分復(fù)用器構(gòu)成。光濾波器的要求：波長(zhǎng)分插復(fù)用器可看成波長(zhǎng)路由器的簡(jiǎn)化形式，它有一個(gè)輸入端口、一個(gè)輸出端口，一個(gè)用于分插波長(zhǎng)的本地端口。2.濾波器的的通帶對(duì)對(duì)溫度的的變化不不敏感。。3.單個(gè)濾波波器的通通帶傳輸輸特性平平直，以以便能夠夠容納激激光器波波長(zhǎng)的微微小變化化。平直直程度常常用1dB帶寬衡量量。圖11由波分復(fù)復(fù)用器構(gòu)構(gòu)成靜態(tài)態(tài)路由器器圖12光濾波器器的1dB帶寬a：用于將將光分離離為不同同波長(zhǎng)的的單色光光。WDM系統(tǒng)中光光柵用在在解復(fù)用用器中，，分離出出各個(gè)波波長(zhǎng)。波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用：1.光柵：b：光柵基本原理：設(shè)兩個(gè)相鄰縫隙間距即柵距為a,光源離光柵平面足夠遠(yuǎn)(相對(duì)于a而言)，入射角為θi，衍射角為θd，通過(guò)兩相鄰縫隙對(duì)應(yīng)光線(xiàn)的光程差由()決定，圖13光柵(a)透射光柵柵；(b)反射光柵柵圖14透射光柵柵的工作作原理a：傳輸媒媒質(zhì)的周周期性微微擾可看看作布喇喇格光柵柵；微擾擾常引起起媒質(zhì)折折射率周周期性的的變化。。其中m為整數(shù)，當(dāng)a和θi一定時(shí)，不同θd對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)λ，像面上不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)。光柵方程為2.布喇格格光柵柵b：半導(dǎo)導(dǎo)體激激光器器用布布喇格格光波波導(dǎo)作作分布布反饋饋可獲獲得單單頻輸輸出(如DFB激光器器)；光纖纖中寫(xiě)寫(xiě)入布布喇格格光柵柵后用用于光光濾波波器、、光分分插復(fù)復(fù)用器器和色色散補(bǔ)補(bǔ)償器器。一個(gè)波波的能能量可可耦合合到另另一個(gè)個(gè)波中中。Λ為光柵柵周期期.c：設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿(mǎn)足布喇格相位匹配條件：e：設(shè)β0=2ππneff/λ0，如果果λ0=2neffΛ，光波波發(fā)生生反射射，λ0稱(chēng)作布布喇格格波長(zhǎng)長(zhǎng)。隨隨入入射光光波的的波長(zhǎng)長(zhǎng)偏離離布喇喇格波波長(zhǎng)，，反射射率降降低.d：反射型濾波器中，假設(shè)傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿(mǎn)足條件：光能可耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長(zhǎng)的反射光中。圖15布喇格格光柵柵的反反射譜譜(a)均勻折折射率率情形形；(b)變跡折折射率率情形形如圖：：具有有幾個(gè)個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)的光光同時(shí)時(shí)傳輸輸?shù)焦夤饫w布布喇格格光柵柵上，，只有有波長(zhǎng)長(zhǎng)等于于布喇喇格波波長(zhǎng)的的光才才反射射，其其它的的光全全部透透射。。3.光纖光光柵b：傳統(tǒng)統(tǒng)光纖纖的SiO2中摻入入少量量鍺(Ge)后具有有光敏敏特性性，由由紫外外(UV)光照射射，引引起光光纖纖纖芯的的折射射率變變化。。a：光纖纖光柵柵可作作光濾濾波器器、光光分插插復(fù)用用器和和色散散補(bǔ)償償器。。對(duì)于于全光光纖器器件，，主要要優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)有：：插入入損耗耗低，，易于于與光光纖耦耦合，，對(duì)偏偏振不不敏感感。c：用兩兩束相相干的的紫外外光照照射摻摻雜后后的光光纖纖纖芯，，照射射光束束的強(qiáng)強(qiáng)度沿沿光纖纖長(zhǎng)度度方向向周期期性變變化，，強(qiáng)度度高的的地方方纖芯芯折射射率增增加，，強(qiáng)度度低的的地方方纖芯芯折射射率幾幾乎無(wú)無(wú)變化化，即即在光光纖中中寫(xiě)入入光柵柵。d：位相版寫(xiě)寫(xiě)入光柵：：當(dāng)用光束束照射位相相版時(shí)，光光束分離成成各個(gè)不同同的衍射級(jí)級(jí)，衍射射級(jí)相互干干涉可將光光柵寫(xiě)入光光纖。短周期光纖纖光柵稱(chēng)光光纖布喇格格光柵，其其周期可和和光波長(zhǎng)相相比較。2.光纖布喇格格光柵(FBG)是反射型光光纖光柵，，光柵使正正向傳輸模模同反向傳傳輸模之間間發(fā)生耦合合，光柵的的波矢等于于傳輸模波波矢的2倍，光柵的的周期應(yīng)等等于傳輸光光波在光纖纖內(nèi)部的波波長(zhǎng)的一半半，這種種光纖光柵柵只對(duì)在布布喇格波長(zhǎng)長(zhǎng)及其附近近很窄的波波長(zhǎng)范圍內(nèi)內(nèi)的光發(fā)生生反射，不不影響其它它波長(zhǎng)的光光通過(guò)。光纖光柵分短周期光纖光柵和長(zhǎng)周期光纖光柵3.光纖布喇格格光柵特點(diǎn)點(diǎn)是損耗低低，波長(zhǎng)準(zhǔn)準(zhǔn)確度高(可達(dá)±0.05nm)，鄰近信信道串?dāng)_擾抑制較較高，通通帶頂部部平坦，，光纖長(zhǎng)長(zhǎng)度隨溫溫度變化化稍有變變化.WDM系統(tǒng)中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。光分器由三端口光環(huán)行器和光纖布喇格光柵構(gòu)成，光柵反射回來(lái)的波長(zhǎng)λ2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長(zhǎng)繼續(xù)前行。在光分器基礎(chǔ)上加一個(gè)耦合器，可實(shí)現(xiàn)光的分插功能。光纖布喇喇格光柵柵：纖芯芯中正向向傳輸模模的能量量耦合到到反向傳傳輸模上上。2.長(zhǎng)周期光光纖光柵柵：纖芯芯中正向向傳輸模模的能量量耦合到到包層正正向傳輸輸模，包包層模沿沿光纖傳傳輸時(shí)易易消逝，，相應(yīng)波波長(zhǎng)位置置的光波波被衰減減，出現(xiàn)現(xiàn)一些損損耗峰。。工作原理圖16基于光纖纖光柵結(jié)結(jié)構(gòu)的光光分插復(fù)復(fù)用器(a)簡(jiǎn)單光分分；(b)光分插圖17長(zhǎng)周期光光纖光柵柵的透射射譜Λ為光柵周期。一般情況，兩個(gè)正向傳輸模的傳輸常數(shù)相差很小，為發(fā)生耦合，要求Λ是一個(gè)相當(dāng)大值。設(shè)纖芯中模的傳輸常數(shù)(單模光纖)為β，p階包層模的傳輸常數(shù)為，相位匹配條件為已知傳輸光波長(zhǎng)和纖芯、包層模的有效折射率，可設(shè)計(jì)合適Λ值的長(zhǎng)周期光柵滿(mǎn)足需要。長(zhǎng)周期光纖光柵適合作帶阻濾波器，主要用于摻鉺光纖放大器(EDFA)中作濾波器,使EDFA增益平坦化。4.法布里-珀羅濾波波器F-Ｐ濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關(guān)：法布里-珀羅(FP)濾波器由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構(gòu)成的，也稱(chēng)FP干涉儀，輸入光垂直到達(dá)第一個(gè)鏡面，從第二個(gè)鏡面輸出?？勺鞲缮鎯x及WDM系統(tǒng)中作濾波器。圖18FP濾波器若用自由空間波長(zhǎng)λ表示，則A為每個(gè)鏡面的吸收損耗，R是每個(gè)鏡面反射率(假設(shè)兩個(gè)鏡相同)，光在腔內(nèi)單程傳播的時(shí)延為τ，腔內(nèi)介質(zhì)的折射率為n，腔長(zhǎng)為l,τ=nl/c。功率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，f滿(mǎn)足fτ=k/2，k為正整數(shù)時(shí)，傳遞函數(shù)TFP(f)的值處在波峰(通帶)上。圖19FP濾波器的功率傳遞函數(shù)由圖可見(jiàn)見(jiàn)：反射射率R越大，相相鄰信道道的隔離離就越好好。F-P濾波器兩個(gè)緊鄰?fù)◣чg的光譜范圍稱(chēng)自由光譜范圍(FSR)，用FWHM表示傳遞函數(shù)的半高寬，比值FSR/FWHM稱(chēng)作F-P濾波器的精細(xì)度F,則改變腔的的長(zhǎng)度；；2.改變腔內(nèi)內(nèi)介質(zhì)的的折射率率。改變變腔長(zhǎng)有有機(jī)械移移鏡和用用壓電材材料(PZT)兩種辦法法。F-P濾波器選擇不同波長(zhǎng)的兩種方法：5.多層介質(zhì)質(zhì)薄膜濾濾波器薄膜諧振腔濾波器是F-P干涉儀，反射鏡采用多層介質(zhì)薄膜，稱(chēng)多層介質(zhì)薄膜濾波器。用作帶通濾波器時(shí)，只允許特定波長(zhǎng)的光通過(guò)而其它所有波長(zhǎng)的光反射，腔長(zhǎng)決定通過(guò)的波長(zhǎng)。濾波器特點(diǎn)：通帶頂部平坦，邊緣尖銳，溫度變化時(shí)性能穩(wěn)定，插入損耗低，對(duì)光的偏振不敏感，濾波器多個(gè)級(jí)聯(lián)可做波分復(fù)用器。薄膜諧振多腔濾波器結(jié)構(gòu)：由反射介質(zhì)薄膜隔開(kāi)的兩個(gè)或多個(gè)腔構(gòu)成。改成多腔后與單腔相比，通帶頂部更加平坦，邊緣更尖銳。圖20三腔介質(zhì)質(zhì)薄膜諧諧振腔濾濾波器圖21單腔、雙雙腔、、三腔腔介質(zhì)薄薄膜濾波波器的傳傳輸譜0.996－40－30－200－100.99811.0021.0043腔2腔1腔l0/l濾波器的傳傳輸譜/dB圖22基于多層介介質(zhì)薄膜濾濾波器的波波分復(fù)用/解復(fù)用器6.馬赫-曾德?tīng)柛缮嫔鎯x馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)使用兩條不同長(zhǎng)度的干涉路徑?jīng)Q定不同的波長(zhǎng)輸出。MZI以集成光波導(dǎo)形式出現(xiàn)，用兩個(gè)3dB定向耦合器連接兩條不同長(zhǎng)度的光通路。級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI后，由于波長(zhǎng)隨溫度和時(shí)間變化漂移，串?dāng)_性能不如理想情況，級(jí)聯(lián)后的窄帶MZI的通帶不平坦。MZI用作濾波器和波分復(fù)用器，在寬帶濾波方面MZI用于分開(kāi)1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI可做窄帶濾波器，但導(dǎo)致?lián)p耗增加。圖23馬赫-曾德?tīng)柛缮嫔鎯x(MZI)(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)方框圖；(c)四級(jí)MZIMZI作解復(fù)用器器時(shí)，有一一個(gè)輸入，，假設(shè)從輸輸入端口1輸入，經(jīng)過(guò)過(guò)第一個(gè)定定向耦合器器后，功率率平均分配配到兩臂上上，但在兩兩臂上的信信號(hào)有π/2的相差，下下臂的信信號(hào)比上臂臂滯后π/2。2.下臂與上臂臂長(zhǎng)度差ΔL，則下臂信信號(hào)的相位位進(jìn)一步滯滯后βΔL,ββ為光在MZI介質(zhì)中的傳傳輸常數(shù)。。在第二個(gè)個(gè)定向耦合合器的輸出出1處，來(lái)自下下臂的信號(hào)號(hào)比來(lái)自上上臂的信號(hào)號(hào)延遲π/2，在輸出1處，兩信號(hào)號(hào)總相位差差為π/2+ββΔL+ππ/2。MZI工作原理：3.輸出2處，兩信號(hào)總相位差為輸入1的所有波長(zhǎng)中，滿(mǎn)足(k為奇數(shù))條件的波長(zhǎng)，由輸出1輸出,滿(mǎn)足(k為偶數(shù))條件的波長(zhǎng)由輸出2輸出。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)波的解復(fù)用。其中f為光頻率。若兩臂長(zhǎng)度差為ΔL，輸入1輸入，則單個(gè)MZI的功率傳遞函數(shù)為將MZI級(jí)聯(lián)可構(gòu)成多級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。MZI是互易器件，也可作2×1復(fù)用器。(前4個(gè)為每單個(gè)個(gè)MZI的傳遞函數(shù)數(shù)，最后后一個(gè)為級(jí)級(jí)聯(lián)后4級(jí)MZI的傳遞函數(shù)數(shù)圖24MZI的傳遞函數(shù)數(shù)7.陣列波導(dǎo)光光柵陣列波導(dǎo)光柵(AWG)是MZI的推廣和一般形式，由兩個(gè)多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成。AWG可用作n×1波分復(fù)用器和1×n波分解復(fù)用器。與多級(jí)MZI相比，AWG損耗低，通帶平坦，易集成在一塊襯底上。AWG可作靜態(tài)波長(zhǎng)路由器。圖25陣列波導(dǎo)光光柵(AWG)圖26基于A(yíng)WG的靜態(tài)波長(zhǎng)長(zhǎng)路由器設(shè)AWG的輸入端口口數(shù)和輸出出端口數(shù)均均為n，輸入耦合合器為n×m形式，輸出出耦合器為為m×n形式，輸入入和輸出耦耦合器間由由m個(gè)波導(dǎo)連接接，每相鄰鄰波導(dǎo)的長(zhǎng)長(zhǎng)度差均為為ΔL。2.MZI是AWG在n=m=2情形的特例例。輸入耦耦合器將某某個(gè)輸入端端口的輸入入信號(hào)分成成m部分，各部部分相對(duì)相相位由從輸輸入波導(dǎo)到到陣列波導(dǎo)導(dǎo)在輸入耦耦合器中傳傳輸?shù)木嚯x離決定。AWG工作原理：8.聲光可調(diào)諧諧濾波器(AOTF)AOTF能同時(shí)選擇多個(gè)波長(zhǎng)，可構(gòu)造波長(zhǎng)路由器。其基本原理是聲與光的相互作用。AOTF原理：波導(dǎo)材料是雙折射物質(zhì)，能支持最低階TE模和TM模。假設(shè)輸入光是TE模，只能選擇TM模的偏振器放在波導(dǎo)輸出端。如果在被選擇波長(zhǎng)附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)光能量轉(zhuǎn)換為T(mén)M模式，其余光能量仍保持TE模式，可制成波長(zhǎng)選擇性濾波器。圖27集成光波導(dǎo)導(dǎo)AOTF圖28簡(jiǎn)化的AOTF濾波器可通過(guò)沿光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波完成。聲波傳播引起媒質(zhì)的密度周期性變化，其變化周期等于聲波波長(zhǎng)，相當(dāng)于形成布喇格光柵。光波從一種模式耦合到另一種模式，Λ為聲波波長(zhǎng)，λ為光波長(zhǎng)。設(shè)TE和TM模折射率為nTE和nTM，當(dāng)滿(mǎn)足布喇格條件滿(mǎn)足布喇格條件在波長(zhǎng)λ附近的窄譜范圍內(nèi)的光從TE模轉(zhuǎn)換為T(mén)M模，如果輸入光只是TE模，輸出只選擇TM模，可作窄帶濾波器使用。若nTE-nTM=Δn，布喇格條件寫(xiě)為適當(dāng)選擇聲波波長(zhǎng)Λ，經(jīng)模式轉(zhuǎn)換又位于A(yíng)OTF通帶內(nèi)的波長(zhǎng)被選擇。布喇格條件決定選擇的波長(zhǎng)，濾波器通帶寬度由聲光相互作用的長(zhǎng)度決定，聲光相互作用的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，通帶越窄。與偏振無(wú)關(guān)的AOTF，實(shí)現(xiàn)方式和與偏振無(wú)關(guān)的隔離器類(lèi)似，將輸入光信號(hào)分解為T(mén)E和TM兩個(gè)分量，分別通過(guò)AOTF后在輸出端組合在一起。Δλ=λ-λ0,λ0為滿(mǎn)足布喇格條件的波長(zhǎng)，為濾波器通帶寬度的量度，l為器件長(zhǎng)度，濾波器的半高寬FWHM=0.8ε。器件越長(zhǎng)(聲光相互作用長(zhǎng)度越長(zhǎng))，濾波器通帶就越窄；調(diào)諧速度與器件長(zhǎng)度成反比，由聲波通過(guò)器件的時(shí)間決定。AOTF的功率傳遞函數(shù)為圖29AOTF的功率傳遞遞函數(shù)與偏振無(wú)關(guān)的AOTF可用作2×2波長(zhǎng)路由器，滿(mǎn)足布喇格條件的波長(zhǎng)被交換，若同時(shí)發(fā)射幾個(gè)聲波，有幾個(gè)光波長(zhǎng)同時(shí)滿(mǎn)足布喇格條件，在單個(gè)器件上可同時(shí)完成幾個(gè)波長(zhǎng)的交換。通過(guò)改變聲波頻率可作動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)路由器，適當(dāng)級(jí)聯(lián)2×2路由器可構(gòu)成多輸入多輸出路由器。圖30基于A(yíng)OTF的波長(zhǎng)路由由器(a)交換波長(zhǎng)λ1;(b)同時(shí)交換波波長(zhǎng)λ1和λ4三、光交交換技技術(shù)光交換有三種方式：空分光交換、時(shí)分光交換和波分光交換。1、空分光交交換空分光交換的功能：使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變?？辗止饨粨Q的核心器件是光開(kāi)關(guān)。它有電光型、聲光型和磁光型等，電光型光開(kāi)關(guān)速度快、串?dāng)_小,結(jié)構(gòu)緊湊，有很好的應(yīng)用前景。典型光開(kāi)關(guān)是用鈦擴(kuò)散在鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導(dǎo)構(gòu)成，通過(guò)對(duì)電壓的控制改變輸出通路。由4個(gè)1×2光開(kāi)關(guān)器件組成2×2光交換模塊，1×2光開(kāi)關(guān)器件是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開(kāi)關(guān)，只是少用一個(gè)輸入端。2×2光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，通過(guò)電壓控制，可實(shí)現(xiàn)平行連接和交叉連接。圖31空分光交換換(a)2×2光交換單元元；(b)平行連接和和交叉連接接；(c)4×4光交換單元元2、時(shí)分分光交換時(shí)分光交換以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換。時(shí)隙互換：把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置。將時(shí)分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)分接器，在同一時(shí)間內(nèi)，分接器每條出線(xiàn)依次傳輸某一時(shí)隙的信號(hào)；使這些信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時(shí)間；用復(fù)接器重新組合。時(shí)分復(fù)用：把時(shí)間劃分成幀，每幀劃分成N個(gè)時(shí)隙分配給N路信號(hào)，再把N路信號(hào)復(fù)接到一條光纖上。在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號(hào)。圖32時(shí)分光交換換(a)時(shí)分復(fù)用原原理；(b)時(shí)隙互換原原理；(c)等效的空分分交換3、波分光交交換設(shè)波分交換換機(jī)輸入和和輸出與N條光纖連接接，N條光纖可組組成一根光光纜。每條條光纖承載載W個(gè)波長(zhǎng)的光光信號(hào)。從從每條光光纖輸入的的光信號(hào)先先通過(guò)分波波器(解復(fù)用器)WDMX分為W個(gè)波長(zhǎng)不同同的信號(hào)。。波分光交換(或交叉連接)：以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換實(shí)現(xiàn)交換功能?；驹恚?.所有N路輸入的波波長(zhǎng)為λi(i=1,2,…,W)的信號(hào)送到到λi空分交換器器，進(jìn)行同同一波長(zhǎng)N路(空分)信號(hào)的交叉叉連接，如如何交叉連連接由控制制器決定。。圖33波分交換的的原理框圖圖(a)波長(zhǎng)選擇法法交換；(b)波長(zhǎng)變換法法交換3.W個(gè)空分交換換器輸出的的不同波長(zhǎng)長(zhǎng)的信號(hào)通通過(guò)合波器器(復(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出出光纖上。。波長(zhǎng)變換法是用同一個(gè)NW×NW空分交換器處理NW路信號(hào)的交叉連接，空分交換器輸出須加波長(zhǎng)變換器，后進(jìn)行波分復(fù)接。提供連接數(shù)為N2W2，內(nèi)部阻塞概率較小。四、光孤孤子通通信1、光孤子的的形成光孤子是經(jīng)光纖長(zhǎng)距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級(jí))。光纖傳輸理論：假設(shè)光纖折射率n和入射光強(qiáng)(光功率)無(wú)關(guān)，保持不變。在低功率條件下成立，但在高功率條件下，折射率n隨光強(qiáng)變化，稱(chēng)非線(xiàn)性效應(yīng)。光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線(xiàn)性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果。利用光孤子作載體的通信稱(chēng)光孤子通信。式中E為電場(chǎng)，n0為E=0時(shí)的光纖折射率，約為1.45。強(qiáng)光作用下，光纖折射率n可表示為光纖折射率n隨光強(qiáng)|E|2變化特性，稱(chēng)克爾效應(yīng)。使脈沖不同部位產(chǎn)生不同相移的特性，稱(chēng)自相位調(diào)制(SPM)。頻移使脈沖頻率改變分布，其前部(頭)頻率降低，后部(尾)頻率升高，稱(chēng)脈沖已被線(xiàn)性調(diào)頻，或稱(chēng)啁啾。在脈沖上升部分，|E|2增加，>0，得Δω<0，頻率下移；脈沖頂部，|E|2不變，=0，得Δω=0，頻率不變；脈沖下降部分，|E|2減小，<0，得Δω>0，頻率上移。圖34脈沖的光強(qiáng)強(qiáng)頻率調(diào)制制設(shè)光纖無(wú)損耗，光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波為線(xiàn)性偏振模式，場(chǎng)可表示為式中，R(r)為徑向本征函數(shù)，U(z,t)為脈沖的調(diào)制包絡(luò)函數(shù),ω0為光載波頻率，β0為調(diào)制頻率ω=ω0時(shí)的傳輸常數(shù)。式中，P為光功率，Aeff為光纖有效截面積。β是折射率和光功率的函數(shù)。β0和P=0附近，把β展開(kāi)成級(jí)數(shù)，得式(24)略去高次項(xiàng)，但仍描述光脈沖在光纖中傳輸?shù)奶匦?，式中右邊第三?xiàng)和第四項(xiàng)最重要，體現(xiàn)光纖色散和非線(xiàn)性效應(yīng)的影響。如果β″0<0，β2P>0，適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，使兩項(xiàng)絕對(duì)值相等，光纖色散和非線(xiàn)性效應(yīng)相互抵消，輸入脈沖寬度保持不變，形成穩(wěn)定的光孤子。波長(zhǎng)為λ的光纖色散系數(shù)C(λ)的定義為圖35單模光纖的色散特性λD為零色散波長(zhǎng)。λ<λD時(shí)，C(λ)<0,β″0>0，稱(chēng)光纖正常色散區(qū)；λ>λD時(shí)，C(λ)>0,β″0<0，稱(chēng)光纖反常色散區(qū)。光脈沖在反常色散光纖中傳輸時(shí)，由于非線(xiàn)性效應(yīng)產(chǎn)生啁啾被壓縮或展寬。對(duì)反常色散光纖，群速度與光載波頻率成正比，在脈沖中載頻高的部分傳播得快，載頻低的部分傳播得慢。對(duì)正常色散光纖，結(jié)論相反。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，脈沖被展寬。具有正啁啾的光脈沖通過(guò)反常色散光纖時(shí)，脈沖前部(頭)頻率低，傳播得慢，而后部(尾)頻率高，傳播得快。稱(chēng)“紅頭紫尾”光脈沖。在傳播過(guò)程中，“紫”尾逐漸接近“紅”頭，脈沖被壓縮。圖36脈沖在反常常色散光纖纖中傳輸因因啁啾效應(yīng)應(yīng)可被壓縮縮或展寬2、光孤子通通信系統(tǒng)的的構(gòu)成和性性能光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成：光孤子源產(chǎn)生脈寬很窄的光脈沖，即光孤子流，作為信息載體進(jìn)入光調(diào)制器，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)入光纖傳輸。在光纖線(xiàn)路上周期插入EDFA，向光孤子注入能量，補(bǔ)償因光纖傳輸引起的能量消耗，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)光孤子承載的信息。圖37-1光孤子通信信系統(tǒng)構(gòu)成成方框圖；；圖37-2循環(huán)光纖間間接光孤子子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)統(tǒng)圖光孤子源提供脈沖寬度為ps數(shù)量級(jí)，有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有摻鉺光纖孤子激光器、鎖模半導(dǎo)體激光器等。光孤子系統(tǒng)可用于WDM系統(tǒng)，使傳輸速率大幅度增加。五、相干光光通信技術(shù)術(shù)光強(qiáng)調(diào)制-直接檢測(cè)(IM-DD)優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，成本較低。但沒(méi)有利用光載波的頻率和相位信息，限制系統(tǒng)性能的提高。相干光是兩個(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，要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可控制的窄線(xiàn)譜激光器。相干光通信，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，采用零差檢測(cè)或外差檢測(cè)，稱(chēng)相干檢測(cè)。1、相干檢測(cè)測(cè)原理相干檢測(cè)原理：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。單模光纖的傳輸模式是基模HE11模，接收機(jī)接收的信號(hào)光其光場(chǎng)寫(xiě)成式中,AS、ωS和φS為光載波的幅度、頻率和相位。圖38相干檢測(cè)原原理方框圖圖式中,AL、ωL和φL分別為本振光的幅度、頻率和相位。本振光的光場(chǎng)可寫(xiě)成式中，ωIF是中頻信號(hào)的頻率。保持信號(hào)光偏振方向不變，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(mǎn)足K為常數(shù)。光檢測(cè)器輸出光功率P與光強(qiáng)|ES+ＥL|2成比例，由式(26)～式(29)，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干涉后的瞬瞬時(shí)光功率率變化零差檢測(cè)：選擇ωL=ωS，即ωIF=0，稱(chēng)零差檢測(cè)。濾去直流分量，中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為式中，ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度，通常PL>>PS。零差檢測(cè)信號(hào)與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為相干檢測(cè)有零差檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種方式?？紤]本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上，即φL=φS，得零差檢測(cè)的信號(hào)光電流為PL>>PS，零差檢測(cè)測(cè)接收光功功率可放大大幾個(gè)數(shù)量量級(jí)。噪噪聲增加，，但靈敏度度大幅度提提高。2.外差檢測(cè)：選擇ωL≠ωS

，即ωIF=ωS-ωL>0，稱(chēng)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)接接收光功率率放大，提提高了靈敏敏度。信噪噪比的改善善比零差檢檢測(cè)低3dB，但接收機(jī)機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)對(duì)簡(jiǎn)單，不不需相位鎖鎖定。零差檢測(cè)技技術(shù)復(fù)雜，，相位變化化靈敏，必必須控制制相位，使使φS-φL保持不變變，ωL和ωS相等。幅移鍵控控(ASK)：基帶數(shù)字字信號(hào)只只控制光光載波的的幅度變變化，稱(chēng)稱(chēng)幅移移鍵控(ASK)。2、調(diào)制和和解調(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)號(hào)有三種種調(diào)制方方式即幅幅移鍵控控(ASK)、頻移鍵鍵控(FSK)和相移鍵鍵控(PSK)。圖40ASK、PSK和FSK調(diào)制方式式比較ASK相干通信信系統(tǒng)用用外調(diào)制制器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)，輸出出光信號(hào)號(hào)幅度隨隨基帶信信號(hào)變化化，相位位保持不不變。如如采用直直接光強(qiáng)強(qiáng)調(diào)制，，幅度變變化將引引起相位位變化。。ASK中，φS保持持不不變變，，只只對(duì)對(duì)幅幅度度進(jìn)進(jìn)行行調(diào)調(diào)制制。。對(duì)對(duì)于于二二進(jìn)進(jìn)制制數(shù)數(shù)字字信信號(hào)號(hào)調(diào)調(diào)制制，，多多數(shù)數(shù)情情況況，，“0”碼傳傳輸輸，，使使AS=0，“1”碼傳傳輸輸，，使使AS=1。2.相移移鍵鍵控控(PSK)：基帶帶信信號(hào)號(hào)只只控控制制光光載載波波的的相相位位變變化化，，稱(chēng)稱(chēng)相相移移鍵鍵控控(PSK)。PSK的光場(chǎng)表達(dá)式為PSK中，，AS保持持不不變變，，只只對(duì)對(duì)相相位位進(jìn)進(jìn)行行調(diào)調(diào)制制。。傳傳輸輸“0”碼和和“1”碼時(shí)時(shí)，，分分別別用用兩兩個(gè)個(gè)不不同同相相位位表表示示。。傳傳輸輸“0”時(shí)，，光光載載波波相相位位不不變變，，傳傳輸輸“1”碼時(shí)，相相位改變變180°°，稱(chēng)差分分相移鍵鍵控(DPSK)。設(shè)計(jì)PSK只須選擇擇適當(dāng)?shù)牡拿}沖電電壓，可可使相相位改變變?chǔ)摩?π。但接收收端光波波相位必必須非常常穩(wěn)定，，對(duì)發(fā)射射和本振振激光器器的譜寬寬要求苛苛刻。3.頻移鍵控控(FSK)：基帶數(shù)字字信號(hào)只只控制光光載波的的頻率，，稱(chēng)頻移移鍵控(FSK)。FSK的光場(chǎng)表達(dá)式為FSK中，AS保持不變變，只對(duì)對(duì)頻率進(jìn)進(jìn)行調(diào)制制。傳輸輸“0”碼和傳輸輸“1”碼時(shí)，分分別用頻頻率f0(=ω0/2π)和f1(=ω1/2π)表示。對(duì)于二進(jìn)進(jìn)制數(shù)字字信號(hào)，，用(ωS-Δω)和(ωS+Δω)分別表示示“0”碼和“1”碼,2Δf(=2ΔΔω/2π)稱(chēng)碼頻間間距。零差檢測(cè)測(cè)時(shí)，光光信號(hào)直直接被解解調(diào)為基基帶信號(hào)號(hào)，要求求本振光光的頻率率和信號(hào)號(hào)光頻率率完全相相同，本本振光相相位鎖定定在信號(hào)號(hào)光相位位上，采采用同步步解調(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)測(cè)時(shí)，不不要求本本振光和和信號(hào)光光頻率相相同，也也不要求求相位匹匹配，可可采用同同步解調(diào)調(diào)，也可可采用異異步解調(diào)調(diào)。3.同步解調(diào)調(diào)要求恢恢復(fù)中頻頻ωIF(微波頻率率)，要求電電鎖相環(huán)環(huán)路。異異步解解調(diào)簡(jiǎn)化化接收機(jī)機(jī)設(shè)計(jì)，，技術(shù)術(shù)上容易易實(shí)現(xiàn)。。4.兩種解調(diào)調(diào)方式差差別在于于接收機(jī)機(jī)噪聲對(duì)對(duì)信號(hào)質(zhì)質(zhì)量的影影響。異異步解調(diào)調(diào)要求信信噪比(SNR)高，但異異步解調(diào)調(diào)接收機(jī)機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，對(duì)對(duì)信號(hào)光光源和本本振光源源的譜線(xiàn)線(xiàn)要求適適中。圖41外差同步步解調(diào)接接收機(jī)方方框圖圖42外差異步步解調(diào)接接收機(jī)方方框圖3、誤碼率率和接收收靈敏度度相干光通信系統(tǒng)光接收機(jī)性能可用信噪比(SNR)定量描述。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。系統(tǒng)總平均噪聲功率(均方噪聲電流)為外差檢測(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，得把上述關(guān)系代入式(39)得到零差檢測(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)為式中,Ip=2ρ(PsPL)1/2為信號(hào)光電流，ic為高斯隨機(jī)噪聲。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)。3.靈敏度：為確定接收靈敏度，利用式(40)和式(45)得到hf=hc/λλ,h為普朗克克常數(shù)，，c為光速，，λ為光波長(zhǎng)長(zhǎng)。式中利用