1.1 研究目的及意义

近年来，随着互联网技术和物联网技术的快速发展，用户对高速数据、图像、宽带流媒体等业务的需求不断增长，在此背景下，人们对通信的质量、容量产生了很高的需求，并对无线通信带宽的要求越来越高。而由于光放大器和光纤的带宽是有限的，因此需要提高谱效率。因为光纤的非线性会对传输功率产生限制，因此需要提高功率效率，即降低光信噪比，从而提高接收灵敏度，于是人们开始研究高谱效率和高灵敏度的传输方式，高速宽带光纤网络就是在这种背景和需求下产生的。

传统的光通信系统采用强度调制-直接检测，即在发送端调制光载波强度，接收端对光载波的强度进行包络检测，也就是说强度调制信号可以直接通过光电探测器恢复出原信号。强度调制-直接检测系统虽然可以通过高码速来实现大容量传输，并且结构简单、容易集成，但是因为只能采用ASK调制，仅仅采用了光的振幅参量，因此该传输方式的一路信道带宽非常有限且传输容量和中断距离都受到限制。近代通信领域通常采用的是相干光波系统的光纤通信系统，该系统采用单一频率的相干光做光源（载波），采用无线电技术中已经实现的相干通信方式。所谓相干光，就是两个激光器产生的光场具有空间叠加、相互控制的激光。相干光通信在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制，在接收端根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。

相比强度调制-直接检测通信系统，相干光波系统可以改善接收机的灵敏度，大大延长传输距离，同时尽大限度地使用光纤带宽，实现多信道复用。同时，相干光通信可以提高接收机的选择性。在直接检测中，接收波段比较大，因此为抑制噪声的干扰，通常需要在探测器前面放置窄带滤波片，但是其频带依然很宽。在相干外差探测中，探测的是本振光和信号光的混频光，所以只有中频频带的噪声才进入系统，其他噪声均被滤除，由此可见，外差探测具有良好的滤波功能。此外，相干探测的波长选择性，相干接收机使频分复用系统的频率间隔大大缩小，可以实现更高传输速率。

1.2国内外研究现状

相比传统的强度调制-直接检测光通信系统，相干光通信系统有更高的灵敏度，更长的传输距离，有利于提高通信质量。因此，相干光通信技术是各国研究和发展的热点。

相干光通信的理论和实验始于上世纪80年代。90年代，以欧洲和美国为代表，实现了从强度调制-直接检测到相干光调制的解调的转变，经过十年的研究，相干光通信进入实用阶段。此时，我国也逐步开始了对相干光通信系统的研究。

ATamp;T及Bell公司于1989和1990年在宾州的罗灵—克里克地面站与森伯里枢纽站间先后进行了1.3μm和1.55μm波长的1.7Gbit/s FSK现场无中继相干传输实验，相距35公里，接收灵敏度达到-41.5dBm。1990年，欧洲航天局着手研究固体激光器相干光通信系统，其重点是设计系统和研究器件，通过完成对YAG固体激光器、光电相位调制器以及相干接收机的测试，成功实现了基于YAG激光器的演示通信系统。NTT公司于1990年在濑户内陆海的大分—尹予和吴站之间进行了2.5Gbit/s CPFSK相干传输实验，总长431公里。80年代末，掺铒光纤放大器和波分复用技术的发展，使得相干光通信技术的发展逐渐缓慢。经过二十年的蛰伏期，相干光通信技术越来越受到国际学术界的关注，相干光通信方面的理论研究正在逐年升温，标志着相干光传输技术的应用再次受到重视。

近年来，随着激光器的功率、线宽及噪声、共模抑制比、功率容量的改善，光器件的研究取得了一系列重大进展，从而为深入研究相干光通信系统提供了良好的机会。人们意识到，传统光通信系统过于简单的结构必定无法满足高速增长的带宽需求，而相干光通信技术作为一个研究相对成熟，潜在优势明显的选择，在未来通信领域里将具有极大优势，必将越来越受到学术界和企业的关注。

2. 研究的基本内容与方案

本课题通过研究相干光通信的关键技术，学习相干光通信的理论模型知识，了解其中关键器件，并设计一种无线通信系统，在元器件特性系统搭建和理论模型进行研究，设计基于无线传输的相干光通信的平台。