论文部分内容阅读
摘 要：近年来，随着我国经济水平的不断发展，科技水平的不断攀升，无线光通信技术得到了长足的发展，人们对通信链路的要求也越来越高，传统的无线光通信技术出现了各种各样的弊病，已经不能满足人们日益增长的应用需求，在这种背景下，相干光通信技术应运而生，本文通过对相干光通信链路中外差探测特点和实现条件的分析，简单研究了相干光外差通信系统，旨在让人们更了解相干光通信的优良性能，推进相干光通信的研究与发展。
关键词：相干光通信；外差探测；接收系统
前言：相较于欧美日等国家，我国的相干光通信技术起步较晚，发展较慢，这主要受限于技术积累的薄弱，近年来，国家加大了对相干光通信技术的扶持力度，使得其取得了一定的进步与发展，但相干光技术仍旧处于方案论证阶段，相干光通信链路外差接收技术一直是研究中的重点和难点，加大相干光通信链路外差接收技术的研究力度能够加快相干光通信技术在现实生活中的应用，对其实用化进展有着积极的推动作用。
一、外差探测的特点和实现条件
（一）外差探测的特点
（1）光外差检测转换增益高：
在进行光外差检测时，其中频IF的输出有效信号功率的公式如下：
RL为光电探测器的负载， 为光电探测器的响应度。
在非相干监测时，检测器输出的电功率公式如下：
计算出的转换增益公式如下：
由以上得出的转换增益公式我们可以知道，再进行光外差探测的过程中，转换增益比较高[1]。
（2）灵敏度较高
光外差探测相较于光零差探测具有灵敏度高的优势，光外差探测能够探测到微弱的信号，可以很好地保证信号接收的稳定性，不会因为信号强度过弱出现接收不到信号的现象。
（3）抗背景光干扰
在光外差探测的过程中，其光电检测器的检测具有选择性，只有在10GHZ的中频信号光才能进入中频放大器被光检测器检测到，而其他的背景光都能被过滤，使它们不会干扰光电探测器，这就大大提高了光外差探测方式抗背景光干扰的能力，需要说明的是从光混频器输出的不同频率的光中，只有中频信号 这种频率在10GHZ左右。
（4）提高接收信号的能量
外差探测方式是一种非常实用的相干光通信技术，相较于零差检测，外差探测能够提高接收信号的能量，使之维持在接收机允许的范围之内，通过3dB灵敏度降低了接收机的设计难度。
（二）外差探测的实现条件
外差探测方式有着以上的优点和特点，但是要保证外差探测的实现还要符合以下几个客观条件：①在进行外差探测的过程中，要保证信号光激光器与本振光激光器在相同的模式下进行工作，避免因为其工作模式不相同造成对信号接收的影响；②要保证信号光与本振光处于光混频器的同一面，此外信号光和本振光的光束直径，偏振方向也对外差探测有所影响，最好保证二者的直径大小相同，偏振方向相同；③信号光和本振光的矢量方向尽量保持一致，以确保二者空间角准直；④在探测器接受本振光和信号光的时候，要保证二者的光线能够垂直摄入光探测器，避免因为角度的误差影响探测结果。
二、相干光通信外差接收系统
（一）相干光通信外差接收系统的简单介绍
相干光通信外差接收系统相较于相干光通信零差接收系统有着较大的优势，在相干光通信外差接收系统中，对激光器的要求降低很多，对激光器的线宽没有特殊的要求，这就给激光器的选择带来了极大的方便，传统的接收系统中，需要复杂的OPLL对信号光与本振光频率、相位进行严格的锁定，而在相干光通信外差接收系统中省去了这一步骤，但是其接收端的电带宽度必须较大，基本上是零差接收机电带宽度的2倍。
相干光通信外差接收的具体步骤如下：空间传来的信号光和激光器发出的本振光进入光混频器→混频器将空间光和本振光进行混频→将混频后的信号光和本振光传送到光电检测器中→光电检测器过滤背景光，将中频信号转换为电流信号→将转换后的电流信号送入后端进行处理。在整个接收的过程中，需要对微波波段的中频信号进行载波恢复，这个过程需要利用电学锁相环，信号光和本振光混频后得到的中频信号要搬移到基带，同时对基带信号进行处理，从而恢复出具体的数据信息。
（二）相干光通信外差接收系统的搭建
（1）调制器的选择
随着科技的发展和社会的进步，传统的MZ调制器已经满足不了当今社会对通信速率的需求，这个时候就需要我们选择一个性能更加优良的调制器，要对抗干扰能力、接收灵敏度、系统误码率等几个方面综合分析，选择合适当前高速相干光通信的调制器，当前国际上主要采用的是相位调制方式，这种调制方式能够有效的避免系统误码且具有较强的抗干扰能力和接收灵敏度，符合相干光通信外差接收系统的基本要求，所以要选择相位调制方式的调制器，当前市场上有许多高科技的相位调制器，例如“康冠光电”公司生产的2.5GbpsLiNbO3电光相位调制器。
（2）激光器的选择
相干光通信外差接收系统对激光器的要求比较高，对其频率稳定性、线宽、相位噪声等都有着严格的要求，在相干光通信外差接收系统中，激光器的线宽要求非常窄，这主要是因为要保证光的相干性和接收机的性能正常，同时要避免由于线宽过宽引入的相位噪声；除此之外，大气信道对信号光的影响较大，所以信号光发射器的功率最好要大一些，但是受到技术水平和器件的影响及制约，发射功率与线宽是互相矛盾的，不可能出现大功率、窄线宽的完美情况，这就要我们选择好侧重点合理选择激光器。当前相干光通信外差接收系统所用到的激光器主要有固体激光器、光纤维激光器、半导体激光器三种类型，互相比较而言，其各有优缺点，所以在选择激光器的时候要根据实际情况而定。
（3）通信波长的选择
大气会对光进行吸收和干扰，所以只有几个频段的光才能为通信所用：10600nm频率波段、1550nm频率波段、1060nm频率波段、800nm频率波段，在这四种波段中只有1064nm频率波段和1550nm频率波段能够应用到相干光的通信中，所以对这两种波段进行比较，通过对光束质量、抗干扰能力、灵敏度、大气信道影响等方面进行比较我们发现，1550nm波段接收灵敏度高、光束质量好、受大气信道影响相对较小，适合相干光通信外差接受技术的应用，所以应选择1550nm波段作为相干光通信的通信波长[2]。
（4）光混频器的选择
混频器的作用是对信号光和本振光进行混频，得到中频IF信号后再送入到后端进行点信号的处理，从而得到发射的数字信息，光混频器是相干光外差接收系统中的重要组成部分，混频器能够将信号光和本振光发生相应的相位关系，并把信号光和本振光链接到光电探测器上，为之后的信息处理提供了基础，混频器的性能强弱对整个相干光外差接收系统有着较大的影响，混频器的选择应该遵循频率高、误差小、体积小的原则。
（5）光电探测器的选择
光电探测器的主要作用是将混频器输出的中品光信号转化为电信号，探测器的选择是相干光外差接收系统的关键，目前市场上的光电探测器主要有两种类型，一种是APD型，一种是PIN型，相较而言，APD型光电探测器灵敏度要更高一些，所以一般的相干光外差接收系统主要选择的就是APD型光电探测器。
结论：综上所述，相干光通信链路外差接收机术是相干光通信的核心技术，本文对外差探测做了初步的研究，对相干光外差通信系统和系统中各个组成部分的选择做了简要的分析，旨在加强链路外差接收技术的研究，推进相干光通信的发展。
参考文献
[1]幺周石，胡瑜.星间相干光通信技术发展历程与趋势[J].光通信技术，2005，（08）：1-2.
[2]秦艳召.相干光通信链路外差接收技术研究[D].成都：电子科技大学，2012.
关键词：相干光通信；外差探测；接收系统
前言：相较于欧美日等国家，我国的相干光通信技术起步较晚，发展较慢，这主要受限于技术积累的薄弱，近年来，国家加大了对相干光通信技术的扶持力度，使得其取得了一定的进步与发展，但相干光技术仍旧处于方案论证阶段，相干光通信链路外差接收技术一直是研究中的重点和难点，加大相干光通信链路外差接收技术的研究力度能够加快相干光通信技术在现实生活中的应用，对其实用化进展有着积极的推动作用。
一、外差探测的特点和实现条件
（一）外差探测的特点
（1）光外差检测转换增益高：
在进行光外差检测时，其中频IF的输出有效信号功率的公式如下：
RL为光电探测器的负载， 为光电探测器的响应度。
在非相干监测时，检测器输出的电功率公式如下：
计算出的转换增益公式如下：
由以上得出的转换增益公式我们可以知道，再进行光外差探测的过程中，转换增益比较高[1]。
（2）灵敏度较高
光外差探测相较于光零差探测具有灵敏度高的优势，光外差探测能够探测到微弱的信号，可以很好地保证信号接收的稳定性，不会因为信号强度过弱出现接收不到信号的现象。
（3）抗背景光干扰
在光外差探测的过程中，其光电检测器的检测具有选择性，只有在10GHZ的中频信号光才能进入中频放大器被光检测器检测到，而其他的背景光都能被过滤，使它们不会干扰光电探测器，这就大大提高了光外差探测方式抗背景光干扰的能力，需要说明的是从光混频器输出的不同频率的光中，只有中频信号 这种频率在10GHZ左右。
（4）提高接收信号的能量
外差探测方式是一种非常实用的相干光通信技术，相较于零差检测，外差探测能够提高接收信号的能量，使之维持在接收机允许的范围之内，通过3dB灵敏度降低了接收机的设计难度。
（二）外差探测的实现条件
外差探测方式有着以上的优点和特点，但是要保证外差探测的实现还要符合以下几个客观条件：①在进行外差探测的过程中，要保证信号光激光器与本振光激光器在相同的模式下进行工作，避免因为其工作模式不相同造成对信号接收的影响；②要保证信号光与本振光处于光混频器的同一面，此外信号光和本振光的光束直径，偏振方向也对外差探测有所影响，最好保证二者的直径大小相同，偏振方向相同；③信号光和本振光的矢量方向尽量保持一致，以确保二者空间角准直；④在探测器接受本振光和信号光的时候，要保证二者的光线能够垂直摄入光探测器，避免因为角度的误差影响探测结果。
二、相干光通信外差接收系统
（一）相干光通信外差接收系统的简单介绍
相干光通信外差接收系统相较于相干光通信零差接收系统有着较大的优势，在相干光通信外差接收系统中，对激光器的要求降低很多，对激光器的线宽没有特殊的要求，这就给激光器的选择带来了极大的方便，传统的接收系统中，需要复杂的OPLL对信号光与本振光频率、相位进行严格的锁定，而在相干光通信外差接收系统中省去了这一步骤，但是其接收端的电带宽度必须较大，基本上是零差接收机电带宽度的2倍。
相干光通信外差接收的具体步骤如下：空间传来的信号光和激光器发出的本振光进入光混频器→混频器将空间光和本振光进行混频→将混频后的信号光和本振光传送到光电检测器中→光电检测器过滤背景光，将中频信号转换为电流信号→将转换后的电流信号送入后端进行处理。在整个接收的过程中，需要对微波波段的中频信号进行载波恢复，这个过程需要利用电学锁相环，信号光和本振光混频后得到的中频信号要搬移到基带，同时对基带信号进行处理，从而恢复出具体的数据信息。
（二）相干光通信外差接收系统的搭建
（1）调制器的选择
随着科技的发展和社会的进步，传统的MZ调制器已经满足不了当今社会对通信速率的需求，这个时候就需要我们选择一个性能更加优良的调制器，要对抗干扰能力、接收灵敏度、系统误码率等几个方面综合分析，选择合适当前高速相干光通信的调制器，当前国际上主要采用的是相位调制方式，这种调制方式能够有效的避免系统误码且具有较强的抗干扰能力和接收灵敏度，符合相干光通信外差接收系统的基本要求，所以要选择相位调制方式的调制器，当前市场上有许多高科技的相位调制器，例如“康冠光电”公司生产的2.5GbpsLiNbO3电光相位调制器。
（2）激光器的选择
相干光通信外差接收系统对激光器的要求比较高，对其频率稳定性、线宽、相位噪声等都有着严格的要求，在相干光通信外差接收系统中，激光器的线宽要求非常窄，这主要是因为要保证光的相干性和接收机的性能正常，同时要避免由于线宽过宽引入的相位噪声；除此之外，大气信道对信号光的影响较大，所以信号光发射器的功率最好要大一些，但是受到技术水平和器件的影响及制约，发射功率与线宽是互相矛盾的，不可能出现大功率、窄线宽的完美情况，这就要我们选择好侧重点合理选择激光器。当前相干光通信外差接收系统所用到的激光器主要有固体激光器、光纤维激光器、半导体激光器三种类型，互相比较而言，其各有优缺点，所以在选择激光器的时候要根据实际情况而定。
（3）通信波长的选择
大气会对光进行吸收和干扰，所以只有几个频段的光才能为通信所用：10600nm频率波段、1550nm频率波段、1060nm频率波段、800nm频率波段，在这四种波段中只有1064nm频率波段和1550nm频率波段能够应用到相干光的通信中，所以对这两种波段进行比较，通过对光束质量、抗干扰能力、灵敏度、大气信道影响等方面进行比较我们发现，1550nm波段接收灵敏度高、光束质量好、受大气信道影响相对较小，适合相干光通信外差接受技术的应用，所以应选择1550nm波段作为相干光通信的通信波长[2]。
（4）光混频器的选择
混频器的作用是对信号光和本振光进行混频，得到中频IF信号后再送入到后端进行点信号的处理，从而得到发射的数字信息，光混频器是相干光外差接收系统中的重要组成部分，混频器能够将信号光和本振光发生相应的相位关系，并把信号光和本振光链接到光电探测器上，为之后的信息处理提供了基础，混频器的性能强弱对整个相干光外差接收系统有着较大的影响，混频器的选择应该遵循频率高、误差小、体积小的原则。
（5）光电探测器的选择
光电探测器的主要作用是将混频器输出的中品光信号转化为电信号，探测器的选择是相干光外差接收系统的关键，目前市场上的光电探测器主要有两种类型，一种是APD型，一种是PIN型，相较而言，APD型光电探测器灵敏度要更高一些，所以一般的相干光外差接收系统主要选择的就是APD型光电探测器。
结论：综上所述，相干光通信链路外差接收机术是相干光通信的核心技术，本文对外差探测做了初步的研究，对相干光外差通信系统和系统中各个组成部分的选择做了简要的分析，旨在加强链路外差接收技术的研究，推进相干光通信的发展。
参考文献
[1]幺周石，胡瑜.星间相干光通信技术发展历程与趋势[J].光通信技术，2005，（08）：1-2.
[2]秦艳召.相干光通信链路外差接收技术研究[D].成都：电子科技大学，2012.