什么是相干光通信

相干光通信是指充分利用光纖通信的帶寬，將無線電數(shù)字通信系統(tǒng)中外差檢測的相干通信方式應(yīng)用于光纖通信，在光纖通信系統(tǒng)中采用外差或零差檢測方式，顯著提高接收靈敏度和選擇性。相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調(diào)性等特點(diǎn)。

相干光通信的工作原理

在發(fā)送端，采用外調(diào)制方式將信號調(diào)制到光載波上進(jìn)行傳輸。當(dāng)信號光傳輸?shù)竭_(dá)接收端時，首先與一本振光信號進(jìn)行相干耦合，然后由平衡接收機(jī)進(jìn)行探測。相干光通信根據(jù)本振光頻率與信號光頻率不等或相等，可分為外差檢測和零差檢測。前者光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得的是中頻信號，還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號。后者光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號，不用二次解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號光的相位鎖定。

相干光通信的優(yōu)點(diǎn)

相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調(diào)性等特點(diǎn).與IM—DD系統(tǒng)相比，具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn).

1.靈敏度高，中繼距離長

相干光通信的一個最主要的優(yōu)點(diǎn)是相干探測能改善接收機(jī)的靈敏度.在相干光通信系統(tǒng)中，經(jīng)相干混合后的輸出光電流的大小與信號光功率和本振光功率的乘積成正比;由于本振光功率遠(yuǎn)大于信號光功率，從而使接收機(jī)的靈敏度大大提高，以致于可以達(dá)到探測器的點(diǎn)噪聲極限，并因此也增加了光信號的傳輸距離.

2.選擇性好，通信容量大

相干光通信的另一個主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高接收機(jī)的選擇性，從而可充分利用光纖的低損耗光譜區(qū)(1.25～1.6/an)，提高光纖通信系統(tǒng)的信息容量.如利用相干光通信可實(shí)現(xiàn)信道間隔小于l～l0GHz的密集頻分復(fù)用，充分利用了光纖的傳輸帶寬，可實(shí)現(xiàn)超高容量的信息傳輸.

3.可以使用電子學(xué)的均衡技術(shù)來補(bǔ)償光纖中光脈沖的色散效應(yīng)

如將外差檢測相干光通信中的中頻濾波器的傳輸函數(shù)正好與光纖的傳輸函數(shù)相反，即可降低光纖色散對系統(tǒng)的影響.

4.具有多種調(diào)制方式.

在直接檢測系統(tǒng)中，只能使用強(qiáng)度調(diào)制方式對光波進(jìn)行調(diào)制.而在相干光通信中，除了可以對光波進(jìn)行幅度調(diào)制外，還可以進(jìn)行頻率調(diào)制或相位調(diào)制，如ASK、FSK、PSK、DPSK、CPFSK等，具有多種調(diào)制方式.

在光通信行業(yè)里，我們經(jīng)常聽到400G和100G傳輸，而相干光通信和PAM4傳輸技術(shù)在數(shù)據(jù)中心及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中是當(dāng)下實(shí)現(xiàn)這兩種速率的主要技術(shù)方向。按照這兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢，它們分別在線路側(cè)骨干網(wǎng)傳輸和客戶側(cè)模塊發(fā)揮著各自的優(yōu)勢。PAM4傳輸技術(shù)之前小K普及過很多次了，那么相干又怎么理解呢?

從傳輸技術(shù)來看，有三個維度可以用來增加傳輸?shù)男畔⒘浚?

更高符號速率 10 GBaud/s → 25 GBaud/s → 56G Baud/s……;

更多并行通道數(shù) 波分復(fù)用或者多路光纖1x → 4x → 8x → 32x……;

高階復(fù)雜調(diào)制 如 PAM-4，QPSK，16QAM，64QAM……

PAM4可以看作是一種高階幅度調(diào)制，在相同的符號速率下可以傳輸NRZ信號兩倍的比特位數(shù)，而相干光通信則利用光波的更多維度，偏振，幅度，相位和頻率來承載更多的調(diào)制信息，從而擴(kuò)充了傳輸容量。

首先采用復(fù)雜調(diào)制的相干光通信節(jié)省了光帶寬資源，提升了光纖傳輸效率，是進(jìn)一步提高傳輸帶寬的選擇。傳統(tǒng)概念上光纖的帶寬是不受限制的，然而隨著速率的提升和波分復(fù)用技術(shù)的實(shí)施，我們還是遇到了瓶頸。

左 右

左圖 可以看到隨著信號速率的提高，光信號的頻譜也在變寬。當(dāng)符號率提升至40 GBaud甚至100 GBaud時，OOK(把一個幅度取為0，另一個幅度為非0，就是OOK，On-Off Keying，該調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)簡單)，信號占用的帶寬變得大于50-GHz ITU信道的帶寬。從圖中可以看出，頻譜加寬的信道開始與它們的相鄰信道重疊，導(dǎo)致串?dāng)_的出現(xiàn)。

右圖 給出了使用多種不同技術(shù)的組合如何提高頻譜效率的想法。 舉例來說，與NRZ-OOK調(diào)制格式相比，使用QPSK可以將符號利用率提升兩倍。這樣我們就使用一半的符號率傳輸同樣速率的數(shù)據(jù)，占用的光譜帶寬也減少了一半。然后通過上面我們說過的偏振復(fù)用PDM可以在同一個波長傳遞兩個并行偏振通道，相當(dāng)于提升兩倍頻譜效率。通過QPSK高階調(diào)制和PDM偏振復(fù)用技術(shù)，我們將單波長通道的光信號頻譜占用減小到了原來的四分之一。 后再利用脈沖整形濾波器進(jìn)一步縮小占用頻譜之后，可以在50GHz帶寬的信道中傳輸112Gbps的數(shù)據(jù)。

02

光相干接收機(jī)的另一個優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號處理功能。數(shù)字相干接收機(jī)的解調(diào)過程是完全線性的;所有傳輸光信號的復(fù)雜幅度信息包括偏振態(tài)在檢測后被保存分析，因此可以進(jìn)行各種信號補(bǔ)償處理，比如做色度色散補(bǔ)償和偏振模式色散補(bǔ)償。這就使得長距離傳輸?shù)逆溌吩O(shè)計(jì)變得更加簡單，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的非相干光通信是要通過光路補(bǔ)償器件來進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)裙ぷ鞯摹?傳統(tǒng)傳輸鏈路的色散問題，即光信號各個組成成分在光纖中傳輸時，抵達(dá)時間不一樣。)

圖(2)

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相干接收機(jī)比普通的接收機(jī)靈敏度高大約20dB,因此在傳輸系統(tǒng)中無中繼的距離就會越長。得益于接收機(jī)的高靈敏度，我們可以減少在長距離傳輸光路上進(jìn)行放大的次數(shù)。

基于以上原因，相干光通信可以減少長距離傳輸?shù)墓饫w架設(shè)成本，簡化光路放大和補(bǔ)償設(shè)計(jì)，因此在長距離傳輸網(wǎng)上成為了主要的應(yīng)用技術(shù)。