光子学设计基础：第2版成果

本节需要的主题内容：

i）光子统计（本书第1章）

ii）干涉（本书第2章）

iii）相干性（本书第5章）

iv）光电探测器（本书第7章）

v）激光光谱和稳定性（本书第6和7章）

vi）激光模式（本书第6章）

vii）光纤中的偏振（本书第3和8章）

viii）偏振控制（本书第3章）

按照通常说法，至今讨论的光学通信系统都是调幅（Amplitude-Modulation，AM）类系统。这意味着，光源能量是随信号调制而变化。由于较容易根据输出功率进行分类，所以在光通信情况中，或许应称为“功率调制（或能量调制）”；或者由于能量是在一个固定横截面的光纤中传播，应称为“强度调制（Intensity Modulation，IM）”而不是振幅调制。此种情况下的接收器有一个简单任务：提供与接收到的能量成正比的电流。这是一种“直接探测器（Direct Detector，DD）”，这类系统常称为IM/DD系统。

这种系统的一个重要优点就是简单，因此不需要太精密（所以便宜且可靠）的组件。然而，也有下列缺点：

第一，不太敏感。这意味着，在长距离内接收难以获得良好的信噪比（SNRs），因此必须不断地设置放大中继站。不灵敏的原因是，在远距离传输后，光信号较弱，并且量子噪声允许得到的最大SNR（见本书1.7节）为

式中，P_s为接收到的信号能量；B为带宽；h为量子常数；ν为光学频率。换句话说，信噪比越低，接收到的能量就越小。由于后续的放大会增加噪声，所以探测系统中的后续放大只会进一步使信噪比恶化。

第二，大的光学带宽。一种典型的多模半导体激光器的光谱宽度为5nm，对应的带宽约1000GHz。由于波分复用系统中需要的通道间隔为光源带宽的10倍（为了避免通道间串音），从而意味着每个通道要有效占据约10000GHz。在石英光纤中，无论是1300nm还是1550nm传输“窗口”（见图4.3），如此大的频率扩展宽度不允许多于两个通道。

多模半导体激光器约有1000GHz的光谱宽度表明，（按照通信术语）这与AM数字系统中简单起着开启和关闭作用的光学噪声源差不多。

无线电和微波技术的发展表明，使用光谱较纯的光源，可以调制频率、相位或偏振态就可以得到好得多的系统性能，而不是简单地调制振幅。为此，如果信号不发生畸变，则调制参数（即频率调制（Frequency Modulation，FM）时的频率）就要稳定，要高于调制带宽约1%。该要求是针对具有窄线宽和良好频率/相位稳定性的高功率光源的。这类光源显然具有高相干性（见本书5.1节），因此，一般地，以此为基础的系统称为“相干系统”。

现在核实一下光纤通信系统中这些思想的运用情况。

假设，已经有一个合适的“纯”高功率的光源（一种激光器），根据其光学电场是否是纯正弦函数来表示光纤远距离接收端的输出特性：

E_s=e_scos（ω_st+φ_s） （10.24）

假设该光源使用在IM/DD系统中，信息信号直接调制光学能量的平均水平。

当直接探测该信号时，探测器显示与输入光能量成正比的输出电流（见本书7.4节）。光学能量与光波强度成正比（即与光电探测器响应时间范围内光波振幅的二次方成正比），即

式中，C为常数。

由于探测器不可能对高达2ω_s的频率响应，所以通过的电流只能正比于第一项，即

该电流代表对光源能量P_s（t）的一种调制，直至光电探测器最大响应速度为止。

假设，另外还有一个合适的纯光源，但有不同的光学频率。用下面形式表示其输出：

E_L=e_Lcos（ω_Lt+φ_L） （10.26）

（原文将公式右侧括号中的第二项错印为ω_L。——译者注）

图10.45　相干光学探测基础

现在，由式（10.24）和式（10.26）表示的两个光源发出的光同时入射到光电探测器上（见图10.45），入射的能量和由此产生的输出电流都正比于两个光波总电场平方的时间平均值，假设它们具有相同的偏振（稍后讨论），所以，用下面形式表示光能量：

探测器不可能对高达2ω_s、2ω_L或（ω_s+ω_L）的频率响应。然而，如果（ω_s-ω_L）足够低，即<1GHz，探测器对此频率就可以响应。在这种情况下，探测到的电流由下式给出：

(www.xing528.com)

由于

并写为

ω_s-ω_L=ω_IF

φ_s-φ_L=φ_IF

就可以使i′_d的表达式简化为

i′_d∝P_s（t）+P_L+2[P_s（t）P_L]^1/2cos（ω_IFt+φ_IF） （10.27）

ω_IF称为“中频（intermedia frequency）”，对于具有超外差无线电技术知识的读者，会熟悉些。本书称为“超外差探测”，很快会明白其理由。

仔细讨论式（10.27），一个代表电子领域（不同于光学）频率的项紧跟着两个“直流（DC）”项（P_s和P_L）。此外，其振幅取决于两个光源的能量（P_s，P_L）。

现在，讨论图10.46所示的光纤通信系统。以通常方式调制“纯”信号源的强度。在探测器处，在光电探测器表面上与另一个“纯”光源（即“本地振荡器（LocalOscillator，LO）”）的信号混合。在探测器线路中使用DC滤波，探测器的输出电流中保留的惟一一项为

i″_d∝2[P_s（t）P_L（t）]^1/2cos（ω_IFt+φ_IF） （10.28）

图10.46　相干光通信系统示意图

它有两个优点：第一，是由两个光源的光谱带宽（ω_IF=ω_s-ω_L）确定的窄带宽，该内容稍后讨论；第二，由于本地振荡器不含信号信息，并没有通过光纤，可以随心所欲地设置P_L值，所以P^1/2_L项增大了信号振幅P_s（t），有效地提高了光学放大能力。在直接探测的结构布局中，这种光学放大可以使接收的能量增大一个系数（见式（10.25）、式（10.28）），即

信噪比随接收能量的二次方根而增加（式（4.16））。这意味着信噪比要提高一个系数，即

现在举一个例子。假设，两个光源有一个1mW的输出功率。例如，信号源在光纤中有50dB的衰减，所以发射的光源能量是（10^-5×10^-3）W=10^-8W。该能量与1mW本地振荡器光源相混合得到下面的放大率：

信噪比的提高为

信噪比能提高14dB是非常值得的，利用这种技术可以得到高达20dB的改善。这是一个非常有意义的优点，这等效于另外增加了100km的通信距离。

实现这种改善付出什么代价？

相当清楚地，其中一个代价是，对作为信号源和本地振荡源的激光束的纯度的要求。检查一下式（10.27），显然，ω_IF必须使调制信号P_s（t）的带宽偏离不超过1%，否则会使P_s（t）产生畸变和恶化，而将噪声引入系统中。由于ω_IF=ω_s-ω_L，这意味着，无论ω_s还是ω_L，都不能使信号带宽偏离大于0.5%。再次看式（10.27），与ω_IF同样的理由（原文错印为φ_IF。——译者注），也要求φ_IF稳定，并且φ_IF=φ_s-φ_L，所以其相位需要锁定到一起达到同样精度。

现在，将一些数字代入其中。假设，信号调制带宽为1GHz（如1GHz/s的数字系统），每个激光器必须稳定到0.5%（即至少稳定到5MHz，或者该光学频率的10⁸分之一）。用分布式反馈（DFB）反射装置作为反射镜（即反射一个非常窄波谱的布拉格光栅式反射镜），则利用外分布式布拉格光栅反射器（DBR）得到激光器的线宽可以窄到10kHz。然而，在这些装置中，输出频率和相位会随温度漂移，所以必须使其闭环稳定。图10.47a示意性地给出了如何实现该目的。为了提供一个与漂移成比例的误差信号，从源激光器抽出少量的光，并且与一个超稳定频率（如原子二级标准所规定的频率）相对应，将该信号输送到温度或电流控制器中以校正这种漂移。在探测器一端，利用同样的结构布局（见图10.47b），只是具有更低的保持为常数的中频。现在，需要一个稳定的电子振荡器作为基准。但是，除了频率误差，还需要相位误差，以便保持ω_IF和φ_IF（原文错印为ω_IF和ω_IF。——译者注）两者都是常数。

图10.47　一种稳定的相干光通信系统示意图

由于信道频率具有上述稳定性，与IM/DD系统中10000GHz的要求不同，该系统中1GHz的信号只需约10GHz的通道间隔。因此，在（两个窗口）任何一个石英窗口，都可能运转约1000个通道，带宽距离乘积大约提高1000倍。

显然，对激光器稳定性的要求是非常严格的。不仅要求稳定、窄的线宽，而且还要可调谐，以便对频率和相位有锁定作用。这样的激光器非常昂贵，性能也不太可靠，在其性能完全满足相干通信要求之前还有许多工作要做。

遗憾的是，还有一个问题（为了使首次接触到这些理念的读者不感到过分复杂，在此之前没有论述该问题。但是，对于相干光纤通信设计师来说，这是一个非常重要的问题），是这样的：只有当两个信号具有完全一样的偏振态时，式（10.27）才成立。正如已经知道的（见本书8.7节），使每一个激光器都有稳定的线偏振输出并不困难。但是，光纤对在其内传播的光会有各种偏振方面的影响，传播到光电探测器上的信号光似乎有各种偏振，因此中频信号容易衰减。

有两种方法解决该问题：第一种方法是借助于反馈回路和偏振控制器将信号的偏振状态锁定，如利用电光效应或磁光效应。实际上，这是利用与偏振调制相同的原理（见本书7.3.1节和7.3.2节）。该情况下的基准偏振可以是本地振荡器的偏振；第二种方法是“多样性”结构布局（见图10.48）。将两个正交的线性分量（如用渥拉斯顿（Wollaston）棱镜）分开，并分别完成中频探测，然后通过电子技术将两个中频信号相加。可以使这类系统满意地工作，同时也增加了复杂性、成本和不可靠性。

图10.48　一种具有偏振多样性的相干光学探测器示意图

完全可靠地实现具有高通道选择性（并且容易复用）和高灵敏度（+20dB）相干系统的时代就要到来。但是，在编撰本书的时候（2008年），系统所必需的组件还没有完全准备好。无论如何，波分复用技术在很大程度上已经降低了对它们的迫切要求。