《光纖通信》課件第6章 光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)

6.1調(diào)制信號(hào)的格式6.2直接調(diào)制IM光發(fā)送機(jī)6.3外調(diào)制6.4光接收機(jī)6.5相干接收習(xí)題六第6章光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)

為了有利于信息在信道中傳輸和接收時(shí)便于處理，我們往往先對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，再對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。光信號(hào)除了可調(diào)制光載波信號(hào)的幅度、頻率、相位外，還可調(diào)制光強(qiáng)。由于光強(qiáng)不同于電信號(hào)的電壓或電流有正值與負(fù)值，它只有正值（即光強(qiáng)或光功率沒(méi)有負(fù)值），因此稱(chēng)它為單極性信號(hào)，而電壓信號(hào)稱(chēng)為雙極性信號(hào)。6.1調(diào)制信號(hào)的格式6.1.1單極性與雙極性單極性信號(hào)是二電平信號(hào)，它在零與正電平之間擺動(dòng)。單極性信號(hào)可以看成是用電或光信號(hào)表示的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在光纖通信中，單極性信號(hào)也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)鍵控OOK。它與雙極性信號(hào)的最大區(qū)別是，傳送線(xiàn)路上產(chǎn)生的直流分量DC不為零，最大值會(huì)達(dá)到正電平的一半。雙極性信號(hào)由于在正電平與負(fù)電平之間交替變化，因此在傳輸線(xiàn)路上產(chǎn)生的DC分量為零。單極性與雙極性信號(hào)的編碼如圖6.1所示。圖6.1單極性與雙極性信號(hào)6.1.2歸零(RZ)與不歸零(NRZ)

光纖通信中常用的調(diào)制方案為OOK，這種調(diào)制方案中編碼“1”表示對(duì)應(yīng)的比特周期內(nèi)有一光脈沖或光源LD或LED處于開(kāi)（“ON”）狀態(tài)，編碼“0”表示對(duì)應(yīng)的比特周期內(nèi)無(wú)光脈沖或光源LD或LED處于關(guān)（“OFF”）狀態(tài)。光脈沖的寬度為比特周期的持續(xù)時(shí)間。對(duì)于一個(gè)1Gb/s的數(shù)據(jù)速率，光脈沖時(shí)間寬度為1ns。編碼既可以采用直接將光源調(diào)諧在開(kāi)或關(guān)兩種狀態(tài)的方法來(lái)完成，也可以用數(shù)字比特通過(guò)外調(diào)制器的方法來(lái)完成，下面將具體介紹。OOK調(diào)制可以采用許多信號(hào)格式，最常用的為NRZ、RZ和短脈沖三種格式。NRZ稱(chēng)為不歸零碼，編碼“1”對(duì)應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期，“0”對(duì)應(yīng)無(wú)光脈沖出現(xiàn)。如果是連續(xù)兩個(gè)“1”比特，則光脈沖持續(xù)兩個(gè)比特周期。RZ碼稱(chēng)為歸零碼，“1”比特對(duì)應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期的一半，“0”對(duì)應(yīng)無(wú)光脈沖出現(xiàn)。短脈沖是由RZ變化而來(lái)的，其“1”比特對(duì)應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期的很小一部分，“0”對(duì)應(yīng)無(wú)光脈沖出現(xiàn)。它們的信號(hào)格式如圖6.2所示。圖6.2OOK數(shù)據(jù)調(diào)制格式NRZ碼與其他格式相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是占據(jù)的頻帶寬度窄，只是RZ碼的一半，缺點(diǎn)是當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或“0”時(shí)，光脈沖沒(méi)有“有”和“無(wú)”的交替變化，這對(duì)于接收時(shí)對(duì)比特時(shí)鐘的提取是不利的。RZ碼克服了這個(gè)問(wèn)題，解決了連“1”的問(wèn)題，但長(zhǎng)連“0”問(wèn)題仍然存在。

以上所有格式都存在直流分量DC波動(dòng)即不平衡問(wèn)題。如果假設(shè)待發(fā)送的所有數(shù)字比特的平均發(fā)送光功率為零，則OOK調(diào)制方案被認(rèn)為是有DC平衡的。OOK調(diào)制方案獲得DC平衡是很重要的，因?yàn)檫@使得接收時(shí)設(shè)計(jì)判決閾值變得容易，有利于數(shù)字處理的恢復(fù)。為了保證光信號(hào)有足夠的交替變化和提供DC平衡，系統(tǒng)中常采用擾碼和分組碼方案。6.1.3擾碼擾碼是一個(gè)比特流與另一個(gè)比特流的一到一的映射，即將一個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特流在發(fā)送之前一對(duì)一地映射為另一比特流。在發(fā)送端，擾碼器將輸入的比特流與經(jīng)過(guò)仔細(xì)挑選的另一個(gè)比特流進(jìn)行異或(EXOR)運(yùn)算，另一比特流序列的選取原則是應(yīng)盡量使輸出比特的長(zhǎng)連“1”或“0”出現(xiàn)的概率盡可能地小。在接收端通過(guò)解擾器，使其輸出的碼流中將原比特流恢復(fù)出來(lái)。擾碼最大的優(yōu)點(diǎn)是不占用額外的帶寬，缺點(diǎn)是并不能保證DC平衡，也不能保證序列中不出現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或“0”。但擾碼中出現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或“0”和不平衡的概率是很小的，只要認(rèn)真選取映射關(guān)系就能保證這一點(diǎn)。擾碼的另一個(gè)缺點(diǎn)是由于是一對(duì)一的映射，因而有可能輸入序列導(dǎo)致了一個(gè)不理想的輸出序列，這是應(yīng)該避免的。6.1.4線(xiàn)路碼（4B/5B、8B/10B）另一個(gè)解決DC不平衡的方法是采用分組碼，有許多不同類(lèi)型的分組碼。二進(jìn)制的線(xiàn)性分組碼的一種形式為：將k個(gè)比特變換成n個(gè)比特，然后再發(fā)送出去，接收端將n比特再映射成原來(lái)的k個(gè)比特（假設(shè)不存在誤碼）。分組碼經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)可使DC平衡，能提供足夠多的信號(hào)交替變化。這種分組碼的典型例子是（8，10）、（4，5）等，它們廣泛應(yīng)用于光纖局域網(wǎng)如千兆以太網(wǎng)、FDDI等，其另一種表示為8B10B，4B5B。分組碼提高了速率，因而占用了額外的帶寬，對(duì)于4B5B，則k=4，n=5，意味著原來(lái)的1Gb/s比特率在編碼之后增加到1.25Gb/s，就是說(shuō)要多付出25%的帶寬開(kāi)銷(xiāo)。

直接強(qiáng)度調(diào)制是光纖通信中最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)、最容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)制方式，適用于半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED，這是因?yàn)樗鼈兊妮敵龉β逝c注入電流成正比（LD閾值以上），只需通過(guò)改變注入電流就可實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。光功率的變化能夠響應(yīng)注入電流信號(hào)的高速變化。6.2直接調(diào)制IM光發(fā)送機(jī)6.2.1模擬調(diào)制所謂模擬信號(hào)的直接調(diào)制，就是讓LED或LD的注入電流跟隨語(yǔ)音或圖像等模擬量變化，從而使LED或LD的輸出光功率跟隨模擬信號(hào)變化，如圖6.3所示。圖6.3LED和LD的模擬調(diào)制圖6.4數(shù)字IM調(diào)制原理6.2.2光源的驅(qū)動(dòng)電路由以上可知，光源在合適的注入電流下發(fā)光而且當(dāng)注入電流發(fā)生變化時(shí)，光源輸出的光功率隨之變化，這樣就可以很方便地通過(guò)直接調(diào)制電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)制光信號(hào)，這也是直接調(diào)制名稱(chēng)的由來(lái)。實(shí)現(xiàn)這部分功能是由光發(fā)送機(jī)中的驅(qū)動(dòng)電路完成的。通常所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)電路,是指能提供激光器穩(wěn)定工作的恒定電流和實(shí)現(xiàn)光調(diào)制的調(diào)制電流信號(hào)，同時(shí)也包括一些控制電路或輔助電路，如自動(dòng)溫度控制ATC和自動(dòng)功率控制APC等，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器工作溫度和輸出光功率的監(jiān)測(cè)與控制。關(guān)于APC和ATC電路前面已介紹，這里重點(diǎn)介紹驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)制電路。根據(jù)光源種類(lèi)（LED和LD）和調(diào)制方式（模擬和數(shù)字）的不同，驅(qū)動(dòng)電路也各不相同，下面分別介紹。

LED模擬驅(qū)動(dòng)電路如圖6.5所示。LED除了線(xiàn)性好之外的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,在其工作電流保持不變的情況下，其輸出光功率隨溫度的升高下降的幅度不大。這一點(diǎn)變化通常在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)考慮到，是能夠容忍的，因而LED驅(qū)動(dòng)電路中通常沒(méi)有APC和ATC電路，但長(zhǎng)波長(zhǎng)LED有時(shí)容易受到溫度變化的影響，所以需要增加控制電路。LED模擬發(fā)送機(jī)類(lèi)似于線(xiàn)性電壓-電流轉(zhuǎn)換器，可使用負(fù)反饋使驅(qū)動(dòng)電流更線(xiàn)性，如在反饋環(huán)路中增加非線(xiàn)性匹配網(wǎng)絡(luò)，用驅(qū)動(dòng)電流傳遞函數(shù)補(bǔ)償光源傳遞函數(shù)的非線(xiàn)性，其電路形式如圖6.5(b)所示。對(duì)于20MHz以上的高速光發(fā)送機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)高速線(xiàn)性電流源要更困難一些，因此，常常使用50Ω的射頻驅(qū)動(dòng)放大器與LED的阻抗匹配，其電路結(jié)構(gòu)如圖6.5(c)所示。圖6.5

LED模擬驅(qū)動(dòng)電路（a)基本模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路；(b)線(xiàn)性模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路；(c)高速模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路目前,在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的LED驅(qū)動(dòng)電路為射極耦合電流開(kāi)關(guān)電路，這也是一種串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(qū)動(dòng)電路與以后將要分析的LD驅(qū)動(dòng)電路在形式上基本上是相同的，其典型的電路結(jié)構(gòu)如圖6.6所示。當(dāng)其輸入端Si為“0”時(shí)，V1截止，Ubb為參考電平，V2導(dǎo)通，電流流經(jīng)LED而發(fā)光；Si為“1”時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，LED因無(wú)電流流過(guò)而不發(fā)光。這種電路一般能夠滿(mǎn)足LED驅(qū)動(dòng)電流的要求，同時(shí)這種電路中的晶體管工作在非飽和與非深截止?fàn)顟B(tài)，避免了電荷存儲(chǔ)時(shí)間的影響，工作速率較高，而且電源負(fù)載穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，容易調(diào)整，便于與LD驅(qū)動(dòng)電路兼容，應(yīng)用靈活，生產(chǎn)維護(hù)方便。鑒于LED的驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，同時(shí)LED器件的成本低，壽命長(zhǎng)，這樣也就使得LED在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。然而由于LED器件的輸出光功率比較小，光束發(fā)散角大，入纖功率小，限制了數(shù)字光纖通信的中繼距離。又由于LED的譜線(xiàn)寬度大以及其可調(diào)速率與輸出功率的矛盾，這些也就決定了LED只能應(yīng)用在低速短距離和小容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中。在長(zhǎng)距離、大容量的數(shù)字系統(tǒng)中都采用LD。由于射極耦合電流開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間短，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整控制容易，因此在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中基本上都是采用這種電路來(lái)作為L(zhǎng)D驅(qū)動(dòng)電路的基本結(jié)構(gòu)形式，如圖6.7所示，圖中Ib為L(zhǎng)D提供直流偏置電流。圖6.6

LED射極耦合驅(qū)動(dòng)電路圖6.7

LD射極耦合驅(qū)動(dòng)電路在這種電路原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)速率和LD器件特性不同的具體要求，其實(shí)用化的LD驅(qū)動(dòng)電路在某些具體問(wèn)題的處理上會(huì)有所不同。如圖6.8所示，圖6.8（a）為單端輸入形式的實(shí)用化LD驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)據(jù)脈沖信號(hào)Si從V1的基極輸入，V3為V2提供恒定的直流參考電壓Ubb，這種電路工作于類(lèi)共基極方式，提高了電路的工作速率，其光脈沖響應(yīng)時(shí)間(tr，tf)可達(dá)1ns，并可提供45mA的最大驅(qū)動(dòng)電流。在中等速率及其以下的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，其LD驅(qū)動(dòng)電路幾乎都采用如圖6.8（b）所示的電路形式。這種驅(qū)動(dòng)電路為雙端信號(hào)反相輸入，其輸入數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)相應(yīng)速率的集成元件整形以后，一般能達(dá)到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形要求，因此調(diào)整起來(lái)比較容易。同時(shí)由于V1與V2的基極所加的信號(hào)大小相等，相位相反，這樣可以進(jìn)一步提高電路的開(kāi)關(guān)速度。這種驅(qū)動(dòng)電路的溫度穩(wěn)定性、抗電源干擾的性能都比較好。因?yàn)檫@些因素引起的變化等于驅(qū)動(dòng)電路的共模輸入。由于射極耦合電阻Re的強(qiáng)負(fù)反饋?zhàn)饔?，保證了LD調(diào)制電流Im的穩(wěn)定性，而對(duì)正常的差動(dòng)輸入信號(hào)不會(huì)有影響。在傳輸速率較高的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步提高LD驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性，將圖6.8（b）所示電路中的Re改為恒流源電路，這種電路原理如圖6.8（c）所示，這樣就更好地加強(qiáng)了對(duì)共模輸入信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔茫岣吡诉@種LD驅(qū)動(dòng)電路的共模抑制比，使LD調(diào)制電流Im的穩(wěn)定可靠工作有了更有效的保證。圖6.8實(shí)用化的LD數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路6.3.1電折射調(diào)制器電折射調(diào)制器利用了晶體材料的電光效應(yīng)，常用的晶體材料有：鈮酸鋰晶體（LiNbO3）、鉭酸鋰晶體（LiTaO3）和砷化鎵（GaAs）。 電光效應(yīng)是指由外加電壓引起的晶體的非線(xiàn)性效應(yīng)，具體講是指晶體的折射率發(fā)生了變化。當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)幅度成正比時(shí)，稱(chēng)為線(xiàn)性電光效應(yīng)，即普克爾效應(yīng)；當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)的幅度平方成正比變化時(shí)，稱(chēng)為克爾效應(yīng)。電光調(diào)制主要采用普克爾效應(yīng)。6.3外調(diào)制器

最基本的電折射調(diào)制器是電光相位調(diào)制器，它是構(gòu)成其他類(lèi)型的調(diào)制器如電光幅度、電光強(qiáng)度、電光頻率、電光偏振等的基礎(chǔ)。電光相位調(diào)制器的基本原理框圖如圖6.9所示。

圖6.9電光相位調(diào)制器的基本原理框圖

當(dāng)一個(gè)Asin(ωt+Φ0)的光波入射到電光調(diào)制器（Z=0），經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的外電場(chǎng)作用區(qū)后，輸出光場(chǎng)(Z=L)即已調(diào)光波為Asin(ωt+Φ0+ΔΦ)，相位變化因子ΔΦ受外電壓的控制從而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。

兩個(gè)電光相位調(diào)制器組合后便可以構(gòu)成一個(gè)電光強(qiáng)度調(diào)制器。這是因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)相光波在相互疊加輸出時(shí)發(fā)生了干涉，當(dāng)兩個(gè)光波的相位同相時(shí)光強(qiáng)最大，當(dāng)兩個(gè)光波的相位反相時(shí)光強(qiáng)最小，從而實(shí)現(xiàn)了外加電壓控制光強(qiáng)的開(kāi)和關(guān)的目標(biāo)。

6.3.2M-Z型調(diào)制器

M-Z型調(diào)制器是由一個(gè)Y型分路器、兩個(gè)相位調(diào)制器和Y型合路器組成的，其結(jié)構(gòu)如圖6.10所示。相位調(diào)制器就是上述的電折射調(diào)制器。輸入光信號(hào)被Y型分路器分成完全相同的兩部分，兩個(gè)部分之一受到相位調(diào)制，然后兩部分再由Y型合路器耦合起來(lái)。按照信號(hào)之間的相位差，兩路信號(hào)在Y型合路器的輸出產(chǎn)生相消和相長(zhǎng)干涉，就得到了“通”和“斷”的信號(hào)。

圖6.10M-Z型調(diào)制器

6.3.3聲光布拉格調(diào)制器聲波（主要指超聲波）在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起介質(zhì)的折射率發(fā)生疏密變化，因此受超聲波作用的晶體相當(dāng)于形成了一個(gè)布拉格光柵，光柵的條紋間隔等于聲波的波長(zhǎng)。當(dāng)光波通過(guò)此晶體介質(zhì)時(shí)，光波將被介質(zhì)中的光柵衍射，衍射光的強(qiáng)度、頻率、相位、方向等隨聲波場(chǎng)而變化，這種效應(yīng)稱(chēng)為聲光效應(yīng)。 聲光布拉格調(diào)制器由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲（反射）裝置等組成。電壓調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)電聲換能器轉(zhuǎn)化為超聲波，然后加到電光晶體上。電聲換能器利用某些晶體(如石英、LiNbO3等)的壓電效應(yīng)，在外加電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)形成聲波。

超聲波使介質(zhì)的折射率沿傳播方向交替變化，當(dāng)一束平行光束通過(guò)它時(shí)，由于聲光效應(yīng)產(chǎn)生的光柵使出射光束成為一個(gè)周期性變化的光波。聲光布拉格調(diào)制器的原理框圖如圖6.11所示。當(dāng)聲波頻率較高且光波以一定的角度入射時(shí)，只出現(xiàn)零級(jí)和±1級(jí)衍射光。如果入射聲波很強(qiáng)，則可以使入射光能幾乎全部轉(zhuǎn)移到零級(jí)或+1級(jí)或-1級(jí)的某一級(jí)衍射光上。圖6.11聲光布拉格調(diào)制器的原理框圖

6.3.4電吸收MQW調(diào)制器

電吸收MQW調(diào)制器是很有發(fā)展前途的調(diào)制器，它不僅具有低的驅(qū)動(dòng)電壓和低的啁啾特性，而且還可以與DFB激光器單片集成。多量子阱MQW調(diào)制器實(shí)際上類(lèi)似于半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，它對(duì)光具有吸收作用，如圖6.12所示。通常情況下，電吸收MQW調(diào)制器對(duì)發(fā)送波長(zhǎng)是透明的，一旦加上反向偏壓，吸收波長(zhǎng)在向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生光吸收。利用這種效應(yīng)，在調(diào)制區(qū)加上零伏到負(fù)壓之間的調(diào)制信號(hào)，就能對(duì)DFB激光器產(chǎn)生的光輸出進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。圖6.12電吸收MQW型調(diào)制器

6.3.5ASK/PSK/FSK方式

振幅鍵控ASK是用電的比特流（調(diào)制頻率）直接調(diào)制光載波信號(hào)強(qiáng)度的技術(shù)。對(duì)其值為“1”的比特，光載波具有最大的振幅；對(duì)其值為“0”的比特，光載波具有最小的振幅。對(duì)于單極性信號(hào)，ASK也稱(chēng)為OOK。ASK采用的編碼有RZ和NRZ兩種類(lèi)型。ASK方式能夠用于相干和非相干IM/DD系統(tǒng)，但是要直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器時(shí)，信號(hào)的相位也會(huì)偏移。在IM/DD檢測(cè)時(shí)相位偏移不重要，因?yàn)橄辔恍畔⒉黄鹱饔茫撬鼘?duì)相干檢測(cè)是有影響的。由于相干檢測(cè)需要固定相位，因而使用外調(diào)制方式，如電吸收MQW和M-Z調(diào)制器。 相移鍵控PSK調(diào)制光束，而所有比特的頻率和幅度不變，因而表現(xiàn)為連續(xù)的光波。對(duì)于二進(jìn)制PSK，相位是0°和180°。PSK是使用電折射調(diào)制器的外調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)有外加電壓時(shí)，相位差用下式表示：

（6.1）

式中，δm正比于所加電壓，Lm是施加電壓讓折射率改變的長(zhǎng)度。

頻移鍵控FSK是調(diào)制光載波的頻率，光載波的頻率改變?yōu)棣，f+Δf對(duì)應(yīng)邏輯“1”，f-Δf對(duì)應(yīng)邏輯“0”。FSK是相干的兩個(gè)狀態(tài)（開(kāi)與關(guān)）的數(shù)字調(diào)頻FM技術(shù)。典型的頻率變化為1GHz。FSK信號(hào)的總帶寬大約為2Δf+2B，這里的B是比特率，Δf是頻率偏移。當(dāng)偏移大即Δf>>B時(shí)，帶寬近似為2Δf，稱(chēng)為寬帶FSK；當(dāng)偏移小即Δf<<B時(shí)，帶寬近似為2B，稱(chēng)為窄帶FSK。頻率調(diào)制指數(shù)βFM（定義為Δf/B）>>1時(shí)為寬帶調(diào)頻，βFM<<1時(shí)為窄帶調(diào)頻。

實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的器件是電吸收MQW調(diào)制器或DFB半導(dǎo)體激光器。當(dāng)注入電流改變時(shí)，它們輸出光波的頻率發(fā)生偏移。小的注入電流（1mA）就會(huì)使光波的頻率改變約1GHz。DFB激光器是高調(diào)制效率、高調(diào)制速率的很好的相干FSK光源。

目前，IM/DD系統(tǒng)的解調(diào)方案的框圖如圖6.13所示,它屬于非相干解調(diào)。光檢測(cè)器接收光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成與光功率成正比的光生電流信號(hào)。前置放大器將微弱的電流信號(hào)放大到所需的電平，如果是數(shù)字信號(hào)，還要送后續(xù)的判決電路完成數(shù)字信號(hào)的再生，其具體的電路形式由上面討論的不同的編碼和調(diào)制方案決定。光放大器放置在光檢測(cè)器前作為前置光放大器。必要時(shí)可在前置光放大器前加光濾波器，用來(lái)選擇所需的通道信號(hào)。6.4光接收機(jī)

圖6.13數(shù)字光接收機(jī)（DD解調(diào)）框圖6.4.1理想的數(shù)字光接收機(jī)

從原理上講，解調(diào)過(guò)程是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，接收機(jī)根據(jù)比特周期內(nèi)有光還是無(wú)光來(lái)判定是“1”比特還是“0”比特，如果有光出現(xiàn)，則對(duì)應(yīng)“1”比特發(fā)送，如果無(wú)光出現(xiàn)，則對(duì)應(yīng)“0”比特發(fā)送，這就是所謂的直接檢測(cè)DD。問(wèn)題是，即使在不考慮其他任何噪聲的情況下也不可能實(shí)現(xiàn)無(wú)誤碼傳輸系統(tǒng)，因?yàn)楣庾拥竭_(dá)光檢測(cè)器時(shí)具有隨機(jī)特性。光功率為P的光信號(hào)到達(dá)光檢測(cè)器時(shí)，可以看成是平均速率為P/hfc的光子流，h為普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J/Hz(焦耳/赫茲)，fc為光波頻率，hfc為單個(gè)光子的能量。該光子流是一滿(mǎn)足泊松分布的隨機(jī)過(guò)程。

對(duì)于這種簡(jiǎn)單的接收機(jī)，發(fā)送“0”比特時(shí)是不會(huì)誤碼的，只有發(fā)送“1”比特時(shí)才會(huì)誤碼，因?yàn)榘l(fā)送“1”比特期間沒(méi)有光子被檢測(cè)到就判定為“0”比特發(fā)送，有光子被檢測(cè)到就判定為“1”比特。設(shè)比特速率為B，則比特周期1/B內(nèi)接收n

個(gè)光子的概率為（6.2）

因此，沒(méi)有接收到任何光子的概率為，設(shè)“0”和“1”是等概的，則理想光接收機(jī)的誤碼率為參數(shù)M=P/hfcB為“1”比特期間接收的平均光子數(shù)，這就是理想光接收機(jī)的誤碼率，也稱(chēng)為量子極限條件下的誤碼率。為了達(dá)到10-12的誤碼率，則每個(gè)比特的平均光子數(shù)M=27。（6.3）

6.4.2實(shí)際的光接收機(jī)在實(shí)際的直接檢測(cè)接收機(jī)中，光信號(hào)在光檢測(cè)器上被轉(zhuǎn)變?yōu)楣馍娏鞯耐瑫r(shí)，還附加有額外的噪聲信號(hào)，主要有三種。第一種就是熱噪聲信號(hào)，它是在特定溫度下由電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，它總是存在的。第二種是散彈（粒）噪聲，是由光子產(chǎn)生光生電流過(guò)程的隨機(jī)特性產(chǎn)生的，即使輸入光功率恒定時(shí)它也存在。散粒噪聲不同于熱噪聲，它不是疊加在光電流上的，它作為獨(dú)立的一部分僅僅是產(chǎn)生光電流過(guò)程隨機(jī)性的一種方便的描述。第三種是在光濾波和光檢測(cè)器之間使用的光放大器產(chǎn)生的放大的自發(fā)輻射噪聲ASE。這里僅討論前兩種噪聲。

在溫度T時(shí)，電阻R上的熱噪聲電流可以看成是一個(gè)均值為零、自相關(guān)函數(shù)為（4kBT/R）δ(τ)的高斯隨機(jī)過(guò)程。這里，kB為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23J/K；δ(τ)為狄拉克函數(shù)，當(dāng)δ(τ)=0時(shí)，τ≠0,因此熱噪聲是一個(gè)白噪聲，在噪聲帶寬或頻率范圍Be內(nèi)，熱噪聲電流的方差為（6.4）該值可以表述為I2tBe，參數(shù)It習(xí)慣上是指以pA/ 為單位的方差，其典型值為1pA/數(shù)量級(jí)。

接收機(jī)的電帶寬Be根據(jù)數(shù)字信號(hào)的速率來(lái)選擇，變化范圍為1/(2T)～1/T，T為比特周期。同樣也可以用參數(shù)Bo來(lái)表示光接收機(jī)接收到的光帶寬。光接收機(jī)本身的帶寬是很大的，但Bo通常由光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)之間放置的光放大器決定。為了方便，Be代表基帶帶寬，Bo代表通帶帶寬，這樣為了不使信號(hào)發(fā)生畸變，至少有Bo=2Be。

由前面的分析可知，光子的到達(dá)可以用泊松分布精確地描述，光生電流可以看作是一個(gè)電子電荷的脈沖流，它是伴隨著光子入射到光檢測(cè)器上時(shí)產(chǎn)生的，對(duì)于光纖通信常用的信號(hào)功率，光生電流可以寫(xiě)成：（6.5）

I為恒定的電流，is是一個(gè)均值為零、自相關(guān)函數(shù)為σ2散粒δ(τ)的隨機(jī)過(guò)程。對(duì)于PIN，可以推導(dǎo)出is=2eI，電流常量I＝RP，R為光檢測(cè)器的響應(yīng)度，這里假設(shè)暗電流為零。所謂暗電流，是指光檢測(cè)器在沒(méi)有光照的情況下產(chǎn)生的光生電流。因而在帶寬Ｂe內(nèi)，散粒噪聲電流的方差為（6.6）設(shè)光檢測(cè)器的負(fù)載電阻為RL，則電阻上的總電流為（6.7）（6.8）it的方差為σ2熱噪聲=(4kBT/R)Be。如果散粒噪聲和熱噪聲相互獨(dú)立，接收機(jī)帶寬為Be，那么總電流是一個(gè)均值為I的隨機(jī)過(guò)程，其方差為由于熱噪聲和散粒噪聲都與接收機(jī)的帶寬Be成正比，因而在接收機(jī)噪聲性能和接收帶寬之間需要有一個(gè)折中。接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)通?？紤]的是在滿(mǎn)足傳輸比特率要求的情況下盡可能地使噪聲性能最佳。在實(shí)際的直接強(qiáng)度調(diào)制和檢測(cè)系統(tǒng)IM-DD中，熱噪聲的方差比散粒噪聲的方差大得多，因而它決定了接收機(jī)的性能。6.4.3前置放大器噪聲在接收機(jī)的光檢測(cè)器之后，為了將微弱的電流信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，通常需要一個(gè)前置放大器。前置放大器中采用的元器件(如電阻)同樣對(duì)熱噪聲有貢獻(xiàn)，這可以通過(guò)前置放大器的噪聲系數(shù)來(lái)描述。由于放大器的放大，輸入端的熱噪聲在輸出端得到了增強(qiáng)（放大），前置放大器的噪聲因子正是表示這種貢獻(xiàn)大小的物理量，常用Fn表示。因而考慮前置放大器對(duì)熱噪聲的貢獻(xiàn)后，就可知接收機(jī)中熱噪聲為（6.9）通常Fn的值為3～5dB。6.4.4APD噪聲

由前面的章節(jié)可知，APD的雪崩增益過(guò)程對(duì)噪聲電流也有貢獻(xiàn)，這種噪聲主要來(lái)源于雪崩放大增益Gm的隨機(jī)特性(為了不與下面的放大器增益G混淆，這里改用Gm表示)，它可以模擬為光檢測(cè)器輸出端散粒噪聲的增加。如果APD的響應(yīng)表示為RAPD，則平均光電流為I=RAPDP=GmRP，APD輸出的散粒噪聲電流的方差為（6.10）FA（Gm）稱(chēng)為APD的過(guò)剩噪聲系數(shù)，它隨著增益Gm的增大而增大，由下式給出：（6.11）

其中，kA為APD的電離系數(shù)比，其值由制成APD的半導(dǎo)體材料的特性決定，取值范圍為0～1。由于過(guò)剩噪聲系數(shù)FA隨著電離系數(shù)比的增加而增加，因而kA應(yīng)越小越好。對(duì)于0.85μm波長(zhǎng)的Si，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，即kA<<1;對(duì)于工作于1.30μm和1.55μm波長(zhǎng)的InGaAs，kA=0.7。實(shí)際上對(duì)于PIN，其散粒噪聲是APD散粒噪聲FA（1），即Gm=1時(shí)的情形。6.4.5光放大器噪聲由以上分析可知，簡(jiǎn)單的直接檢測(cè)接收機(jī)的性能主要受接收機(jī)中熱噪聲的限制，這可以通過(guò)在光檢測(cè)器前采用光放大器來(lái)改善。光放大器提供了光輸入信號(hào)的功率，但不幸的是，在放大光信號(hào)的同時(shí)，放大的自發(fā)輻射作為一種噪聲也出現(xiàn)在輸出端。對(duì)于只有一個(gè)偏振模的光放大器的輸出端，其自發(fā)噪聲功率為

PN=nsphfc(G-1)Bo

（6.12）式中，nsp為一常數(shù)，稱(chēng)為自發(fā)輻射因子，G為放大器的增益，Bo為光帶寬。由于單模光纖中的基模實(shí)際上是由兩個(gè)偏振模組成的，因而總的噪聲功率應(yīng)為2PN。 nsp取決于光放大器中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度，當(dāng)完全反轉(zhuǎn)時(shí)，nsp=1，對(duì)于大多數(shù)放大器來(lái)說(shuō)，nsp≈2～5。為了表達(dá)方便，我們引入一個(gè)量Pn，定義為

Pn=nsphfc

（6.13）為了理解放大器對(duì)光檢測(cè)器上接收到的信號(hào)的影響，考慮圖6.14的系統(tǒng)，PIN用作直接檢測(cè)系統(tǒng)的光檢測(cè)器，光檢測(cè)器輸出的光生電流與入射光功率成正比：

I=RGP

（6.14）式中,G為放大器的增益，P為接收到的光功率。圖6.14具有光放大器的光接收機(jī)

光檢測(cè)器產(chǎn)生的光生電流與入射的光功率成正比，而光功率為光波電場(chǎng)的平方，噪聲場(chǎng)與噪聲場(chǎng)之間以及噪聲場(chǎng)與光信號(hào)之間的差動(dòng)分別產(chǎn)生了所謂的信號(hào)與噪聲以及噪聲與噪聲之間（當(dāng)然這里的噪聲是自發(fā)輻射噪聲）的差動(dòng)噪聲。此外，散粒噪聲和熱噪聲也出現(xiàn)在光檢測(cè)器的輸出端。接收機(jī)中熱噪聲、散粒噪聲以及信號(hào)與噪聲、噪聲與噪聲的差動(dòng)噪聲電流方差分別為

（6.15）（6.16）

放大噪聲通常用一個(gè)易于測(cè)量的參數(shù)即噪聲系數(shù)來(lái)表示，噪聲系數(shù)Fn是放大器的輸入端信噪比（SNRi）與其輸出端信噪比（SNRo）的比值。如果放大器的輸入端只有散粒噪聲，則SNR可由前面的公式推導(dǎo)出（6.17）

如果假設(shè)放大器的輸出端只有信號(hào)與自發(fā)輻射差動(dòng)噪聲，則SNR由下式給出：

（6.18）則放大器的噪聲因子為（6.19）

在最理想情況下即粒子數(shù)完全反轉(zhuǎn)時(shí)，nsp=1，這時(shí)噪聲因子為3dB。而實(shí)際的放大器總是有較高的噪聲系數(shù)，典型值為4～7dB，這還是假設(shè)放大器與輸入/輸出光纖之間不存在耦合損耗的情況下的值。如果考慮與輸入光纖之間的耦合損耗，那么噪聲因子還要大。

6.4.6誤碼率

前面計(jì)算了理想光接收機(jī)的誤碼率，現(xiàn)在來(lái)計(jì)算實(shí)際的光接收機(jī)的誤碼率（比特錯(cuò)誤概率），這當(dāng)然涉及到各種不同的噪聲影響。接收機(jī)通過(guò)對(duì)光生電流進(jìn)行取樣，從而判決每個(gè)比特周期發(fā)送的是“0”還是“1”。由于噪聲電流的存在,接收機(jī)有可能做出錯(cuò)誤的判決，因而導(dǎo)致了誤碼。為了計(jì)算誤碼率，必須理解接收機(jī)根據(jù)發(fā)送的比特進(jìn)行判決的過(guò)程。

首先，考慮具有光放大器的PIN光接收機(jī)。對(duì)于發(fā)送的“1”比特，設(shè)接收光功率為P1，則接收機(jī)的平均光電流為I=I1=RP1，光電流的方差為

與此類(lèi)似，發(fā)送“0”比特時(shí)光生電流的方差為（6.20）（6.21）

式中，P0、I0(I0=RP0)為相應(yīng)于“0”比特發(fā)送時(shí)的接收光功率和光生電流，對(duì)于理想的OOK方式，P0=I0=0，但實(shí)際的情形總是做不到。

圖6.15具有光放大器的光接收機(jī)的“0”和“1”

的概率分布

對(duì)于“1”和“0”等概率的情形（為了分析方便作的假設(shè)），閾值電流近似為（6.22）

這一值非常接近最佳閾值但不嚴(yán)格相等，這一結(jié)論的證明從略。

從圖6.15可以直觀地看出，Ith是兩個(gè)概率密度函數(shù)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的I值。當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)，其誤碼率為I＜Ith對(duì)應(yīng)的概率，表示為P［0|1］。類(lèi)似地，P［1|0］是判定為“1”的概率，對(duì)應(yīng)為I≥Ith的概率。兩個(gè)概率在圖6.15中都表示了出來(lái)。 如果用Q(x)表示一個(gè)零均值單位方差的高斯隨機(jī)變量超過(guò)值x時(shí)的概率，則有（6.23）

P［0|1］、P［1|0］用Q(x)表示為（6.24）則誤碼率BER由下式給出：（6.25）

Q函數(shù)可以數(shù)值求解，如果假設(shè)γ=Q-1（BER），BER為10-12，則γ≈7；如果BER為10-9,則γ≈6。對(duì)于信號(hào)與噪聲（如光放大器噪聲）有關(guān)的系統(tǒng)，光接收機(jī)中設(shè)置可變的判決閾值是很重要的，許多高速率的系統(tǒng)都有此特點(diǎn)。然而對(duì)于簡(jiǎn)單的光接收機(jī)不設(shè)置可變的閾值，常設(shè)置與平均光生電流相對(duì)應(yīng)的閾值，為（I1+I0）/2，這樣的閾值設(shè)置導(dǎo)致了高的誤碼率，由下式給出：（6.26）

在已知“1”和“0”比特接收的光功率和噪聲統(tǒng)計(jì)特性的情況下，可以利用BER公式計(jì)算出誤碼率，但我們常常是對(duì)相反的問(wèn)題更感興趣，即為了獲得所需的BER，光功率及噪聲應(yīng)滿(mǎn)足什么條件，這引起了對(duì)靈敏度的注意。靈敏度PR的定義是:為了達(dá)到所需的誤碼率，光接收機(jī)所需的最小光功率。通常，BER為10-10或更好。有時(shí)靈敏度也用每比特所需的光子數(shù)目M來(lái)表示，M由下式給出：

（6.27）式中，B為比特率。

如果假設(shè)P0=0，BER為10-12，每比特的平均接收光功率為（P0+P1）/2，則靈敏度可以推得為（6.28）Gm為APD的增益，對(duì)于PIN其值為1。

首先考慮沒(méi)有光放大器的APD或PIN光接收機(jī)的靈敏度。熱噪聲電流獨(dú)立于接收的光功率，然而散粒噪聲是靈敏度的函數(shù)。假設(shè)對(duì)于“0”比特沒(méi)有光功率發(fā)出，則其中散粒噪聲σ2散粒就根據(jù)相應(yīng)“1”比特接收的光功率2PR估算，（6.29）

接收機(jī)靈敏度PR為（6.30）

假設(shè)比特率為B

b/s，接收機(jī)電帶寬Be=B/2Hz，前端放大器的噪聲因子Fn=3dB，接收機(jī)負(fù)載為RL=100Ω，溫度T=300K，則熱噪聲電流變量的方差為（6.31）

假設(shè)接收機(jī)工作在1.55μm波長(zhǎng)，量子效率為η=1，R=1.55/1.24=1.25A/W，Gm=1，利用這些值可以算出PIN的靈敏度。對(duì)于BER=10-12，即γ≈7，PIN光接收機(jī)的靈敏度（receiversensitivity）與比特率（bitrate）的關(guān)系如圖6.16所示。kA=0.7，增益Gm=10的APD光接收機(jī)也在同一圖中給出。由圖中可以看出，APD的靈敏度要比PIN高出8～10dB。圖6.16接收機(jī)靈敏度與比特率的關(guān)系曲線(xiàn)

接下來(lái)推導(dǎo)具有光放大器的光接收機(jī)的靈敏度。在放大系統(tǒng)中，信號(hào)與自發(fā)輻射噪聲的差動(dòng)噪聲與其他噪聲相比占主導(dǎo)地位，除非光帶寬較寬，因?yàn)檫@時(shí)自發(fā)輻射與自發(fā)輻射差動(dòng)噪聲是不可忽略的，在此假設(shè)條件下，由前面的公式（6.14）、（6.16）、（6.25）可以推導(dǎo)出BER為（6.32）

下面來(lái)分析一下理想的前放光接收機(jī)的靈敏度。接收機(jī)的靈敏度既可以用特定的比特率所需的接收光功率度量，也可以用單位比特所需的光子數(shù)來(lái)度量。與前面相似，假設(shè)Be=B/2，放大器的增益G很大，自發(fā)輻射因子nsp=1，得到（6.33）

為了獲得BER=10-12，Q函數(shù)的γ參數(shù)應(yīng)為7，這樣光接收機(jī)的靈敏度為每比特M=98個(gè)光子。實(shí)際上這是由于在放大器和光檢測(cè)器之間采用了光濾波來(lái)限制光帶寬，從而降低了自發(fā)輻射與自發(fā)輻射差動(dòng)噪聲和散粒噪聲的結(jié)果。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的前放接收機(jī)，其靈敏度為每比特幾百個(gè)光子數(shù)；而對(duì)于不采用光放大器的簡(jiǎn)單的PIN光接收機(jī)，其靈敏度為每比特幾千個(gè)光子。

圖6.12中也畫(huà)出了采用光放大器的光接收機(jī)靈敏度，假設(shè)放大器的噪聲系數(shù)為6dB，光帶寬為Bo=50GHz，它受到光濾波器的限制。從圖中可以看出，對(duì)于1Gb/s的速率，PIN的靈敏度為-26dBm，而APD為-36dBm。

在光放大器級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，由于到達(dá)光接收機(jī)時(shí)的光功率中已有放大的噪聲，因而靈敏度并不重要，更重要的是光信噪比OSNR。光信噪比OSNR定義為PREC/PASE。PREC和PASE是系統(tǒng)中必須測(cè)量的量，它們分別為平均接收的信號(hào)功率和噪聲功率。對(duì)于采用光前置放大的光接收機(jī)，PASE=2Pn(G-1)Bo。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須將OSNR與BER聯(lián)系起來(lái)，如果忽略熱噪聲和散粒噪聲，則Q函數(shù)的γ參數(shù)與OSNR的關(guān)系如下：

（6.34）

對(duì)于一個(gè)典型的2.5Gb/s系統(tǒng)，其接收機(jī)電帶寬至少為Be=2GHz，光濾波器帶寬Bo=36GHz，γ=7，則系統(tǒng)需求的OSNR=4.37dB或6.4dB。事實(shí)上這是不夠的，因?yàn)橄到y(tǒng)必須考慮各種干擾，如色散、非線(xiàn)性等。粗略地估計(jì)在設(shè)計(jì)光放大器級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)時(shí)，為處理各種噪聲干擾，OSNR至少為20dB。6.5相干接收

由以上分析可知，簡(jiǎn)單的直接檢測(cè)光接收機(jī)由于受熱噪聲限制，不可能獲得散粒噪聲限的靈敏度，這可以通過(guò)在光接收機(jī)前面采用一個(gè)光放大器來(lái)改善，另一個(gè)提高靈敏度的方法是下面將要討論的相干檢測(cè)接收機(jī)。相干檢測(cè)的主要思想是將另一個(gè)本振光信號(hào)，即所謂的本振激光與信號(hào)進(jìn)行混合來(lái)提高信號(hào)的功率。

在光通信中，相干檢測(cè)包括采用本振與光信號(hào)混頻過(guò)程的各種方案。一個(gè)典型的相干光檢測(cè)系統(tǒng)的框圖如圖6.17所示。其中，本振Lo是一個(gè)優(yōu)質(zhì)的激光器，用它來(lái)產(chǎn)生本振光。本振光和光線(xiàn)路來(lái)的光信號(hào)在光耦合器中混合，然后一起投射到光檢測(cè)器PIN中相干混頻，混頻后的差頻信號(hào)經(jīng)后接信號(hào)處理系統(tǒng)處理后進(jìn)行判決。由于光信號(hào)在常規(guī)光纖線(xiàn)路中傳輸時(shí)，其相位和偏振面會(huì)發(fā)生緩慢的變化，因此為了使本振光和光信號(hào)的相位和偏振面一致，可利用光鎖相環(huán)來(lái)跟蹤相位的變化，通過(guò)偏振控制器來(lái)調(diào)整偏振，如圖6.17中所示的偏振控制器。圖6.17相干光波檢測(cè)系統(tǒng)框圖

設(shè)經(jīng)過(guò)偏振控制器后的本振光和信號(hào)光同偏振，則這時(shí)光檢測(cè)器PIN輸出的含有信息的光電流為(6.35)其中，η為檢測(cè)器的量子效率，h為普朗克常數(shù)，e為電子電量，f為光頻，PS為信號(hào)光功率，PL為本振光功率，m(t-τg)為調(diào)制系數(shù)，τg為群時(shí)延，ωS、φS和ωL、φL

分別為信號(hào)和本振光的角頻率和相位。

從式(6.35)可知，光相干檢測(cè)和無(wú)線(xiàn)電相干接收技術(shù)一樣，也有外差和零差兩種，在式(6.35)中，當(dāng)ωS=ωL時(shí)，即無(wú)中頻，這時(shí)光相干檢測(cè)為零差檢測(cè);當(dāng)ωS≠ωL時(shí)，有中頻ωIF=ωS-ωL，這時(shí)光相干檢測(cè)為外差檢測(cè)。另外從式(6.35)可知，接收機(jī)檢測(cè)的輸出信號(hào)電流IS隨本振光功率PL增大而增大，即得到所謂的“本振增益”，所以相干檢測(cè)系統(tǒng)光接收機(jī)的靈敏度較高，比直接檢測(cè)可提高10～25dB。

此外，從式(6.35)還可以發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)器的輸出電流不僅與被檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度或功率有關(guān)，還與光載波的相位或頻率有關(guān)，這說(shuō)明不僅可以用光信號(hào)的強(qiáng)度傳遞信息，還有可能通過(guò)調(diào)制光載波的相位或頻率來(lái)傳遞信息。而在直接檢測(cè)技術(shù)中不允許進(jìn)行頻率或相位的調(diào)制，所有有關(guān)信號(hào)的相位和頻率的信息都丟失了。

與IM-DD光波系統(tǒng)相比，相干檢測(cè)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1)光接收機(jī)的靈敏度高，比直接檢測(cè)高10～25dB，可大大延長(zhǎng)無(wú)中繼傳輸距離（在1550nm波長(zhǎng)可延長(zhǎng)至100km）；

(2)相干檢測(cè)選擇性高，可用于信道間隔小到1～10GHz的光頻多復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多信道復(fù)用，有效使用光纖帶寬。此外，相干傳輸也有利于提高系統(tǒng)抗非線(xiàn)性效應(yīng)的能力。

在如圖6.17所示的相干檢測(cè)系統(tǒng)框圖中，光的接收技術(shù)主要是指零差或外差接收技術(shù)，主要包括本振激光器、光耦合器、光偏振控制以及檢測(cè)器PIN等。光偏振控制技術(shù)是相干檢測(cè)系統(tǒng)的特有技術(shù)。當(dāng)接收機(jī)本振光的偏振與信號(hào)光的偏振態(tài)一致時(shí)，才能獲得良好的混頻效果。如前所述，信號(hào)光經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的光纖傳輸，其偏振態(tài)帶有隨機(jī)性，利用偏振控制器可以消除所謂的偏振噪聲。偏振控制器的機(jī)理是利用λ/2、λ/4光學(xué)波片或其他材料的電光、磁光效應(yīng)或光彈性效應(yīng)等物理機(jī)制，對(duì)本振光進(jìn)行偏振控制。

對(duì)于本振激光器，在零差接收系統(tǒng)中，由于要求接收本振光和信號(hào)光的頻率匹配，因此要求其頻率穩(wěn)定性很高才行。另外在零差系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)相位的敏感度較高，因此要維持(φS-φL)不變并不簡(jiǎn)單，通常需要技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜的光鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在外差接收系統(tǒng)中，雖然接收靈敏度要低一些，但它可以克服如上所述零差系統(tǒng)的一些難點(diǎn)，只是兩個(gè)光源的φS和φL的波動(dòng)需通過(guò)使用窄帶線(xiàn)寬半導(dǎo)體激光器來(lái)控制。

對(duì)于采用零差或外差方式接收后的各種調(diào)制樣式的信號(hào)，其解調(diào)技術(shù)都有同步和異步解調(diào)兩種方式，這些零差或外差的同步和異步信號(hào)解調(diào)方式與無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中同步和異步解調(diào)的原理和實(shí)現(xiàn)基本一樣。對(duì)于零差系統(tǒng)，其同步解調(diào)又有兩種方式，一種是平衡式鎖相環(huán)(PLL)，另一種是柯斯塔斯環(huán)。

具有平衡PLL的接收機(jī)稱(chēng)為平衡式零差接收機(jī)，如圖6.18(a)所示。圖6.18(a)中，接收光信號(hào)與本振光通過(guò)180°移相的定向耦合器后饋入平衡式鎖相環(huán)中，兩個(gè)檢測(cè)器（PD）輸出的誤差信號(hào)經(jīng)環(huán)路濾波器后控制本振頻率。為進(jìn)行相位同步跟蹤，光信號(hào)的載波不能完全扼制，需保留一定強(qiáng)度的載波作導(dǎo)頻，以便本振光可跟蹤并與其鎖定相位。例如，對(duì)PSK調(diào)制信號(hào)，利用±85%的不完全差相耦合，就可保留10%的信號(hào)功率，以獲得所需的導(dǎo)頻載波分量。影響平衡PLL接收機(jī)性能的因素有：接收機(jī)光信號(hào)與本振光的相位誤差引起的相位噪聲、光檢測(cè)器的散粒噪聲、信號(hào)處理支路與鎖相支路之間的相互串?dāng)_及導(dǎo)頻載波提取引起的影響。

具有柯斯塔斯環(huán)（Costas