硬核扫盲到底什么是相干光通信？

Posted 2022-04-14 鲜枣课堂

引言：

大家好，我是小枣君。今天这篇文章，我们来聊聊一个“网红”技术——相干光通信。

相干光通信，英文全称叫做Coherent Optical Communication，是光纤通信领域的一项技术。

相比于传统的非相干光通信，相干光通信具有传输距离更远、传输容量更大的技术优势，因此广受行业各界的关注，研究热度不断攀升。

█ 什么是相干光

在介绍相干光通信之前，我们先简单了解一下什么是相干光。

我们口头上经常说的“相干”，大家都理解，就是“互相关联或牵涉”的意思。

光的相干（coherence），是指两个光波在传输的过程中，同时满足以下3个条件：

1、频率（波长）相同；

2、振动方向相同；

3、相位差恒定。

相干光

这样的两束光，在传输时，相互之间能产生稳定的干涉（interference）。

这种干涉，既可以是相长干涉（加强），也可以是相消干涉（抵消）。

如下图所示：

很显然，相长干涉可以让光波（信号）变得更强。

大家可以回忆一下著名的杨氏双缝干涉实验

█ 什么是相干光通信

好了，接下来我们进入正题，说说什么是相干光通信。

很多人可能会认为，相干光通信，就是利用相干光进行传输通信。

其实，这个说法是不对的。相干光通信和非相干光通信，基本都是用的激光，没有本质的区别。

相干光通信之所以叫“相干光通信”，并不是取决于传输过程中用的光，而是取决于在发送端使用了相干调制，在接收端使用了相干技术进行检测。

上图：非相干光通信

下图：相干光通信

区别在两端，不在传输路径上

接收端的技术，是整个相干光通信的核心，也是它牛逼的主要原因。

我们可以先说结论：在相同条件下，相对于传统非相干光通信，相干光通信的接收机可以提升灵敏度20db。

20db是什么概念？100倍！

这个提升非常惊人了，接近散粒噪声极限。

在这个20db的帮助下，相干光通信的通信距离可以提升n倍，达到千公里级别（非相干光大约只有几十公里）。你说香不香？

█ 相干光通信的发展背景

相干光通信技术这么厉害，它是一个新技术吗？

并不是。

早在上世纪80年代，光通信刚刚兴起的时候，美国、英国和日本等发达国家就已经进行了相干光通信的理论研究和实验，并取得了不错的成果。

例如，美国AT&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1.7Gbps FSK现场无中继相干传输实验，传输距离达到35公里。

后来，进入90年代，专家们发现，日益成熟的EDFA（掺铒光纤放大器）和WDM（波分复用）技术，可以更简单、更有效地解决了光通信的中继传输和扩容问题。

于是，相干光通信的技术研究，就被冷落了。

到了2008年左右，随着移动互联网的爆发，通信网络的数据流量迅猛增长，骨干网面临的压力陡增。

此时，EDFA和WDM技术的潜力已经越来越小。光通信厂商们，迫切需要找到新的技术突破点，提升光通信的传输能力，满足用户需求，缓解压力。

厂商们渐渐发现，随着数字信号处理（DSP）、光器件制造等技术的成熟，基于这些技术的相干光通信，刚好适合打破长距离大带宽光纤通信的技术瓶颈。

于是乎，顺理成章地，相干光通信从幕后走向了台前，迎来了自己的“第二春”。

█ 相干光通信的技术原理

接下来进入硬核阶段，我们详细解析一下相干光通信的技术原理。

前面小枣君和大家说了，相干光通信主要利用了两个关键技术，分别是相干调制和外差检测。

我们先看看光发送机这边的相干调制。

在此前的文章（链接）中，小枣君介绍过光载波调制的内容。

我说过，在落后的IM-DD（强度调制-直接检测）系统中，只能使用强度（幅度）调制的方式，通过电流改变激光强度，产生0和1，以此实现对光波进行调制。

直接调制，非常简单，但是能力弱，问题多

而在相干光通信系统中，除了可以对光进行幅度调制之外，还可以采用外调制的方式，进行频率调制或相位调制，例如PSK、QPSK、QAM等。

更多的调制方式，不仅增加了信息携带能力（单个符号可以表示更多的比特），也适合工程上的灵活应用。

下面这张图，就是一个外调制的示意图：

相干光通信的光发送机（偏振QAM）

如图所示，在发送端，采用外调制方式，使用基于马赫-曾德尔调制器（MZM）的IQ调制器，实现高阶调制格式，将信号调制到光载波上，发送出去。（具体原理，还是请参考刚才的文章链接：链接）

到了接收端，正如前文所说，进入关键环节了。

首先，利用一束本机振荡产生的激光信号（本振光），与输入信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。

光接收机的大致结构

放大来看

这其实是一个“放大”的过程。

在相干光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小，与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。由于本振光的功率远大于信号光的功率，所以，输出光电流大幅增加，检测灵敏度也就随之提升了。

换句话说，非相干光通信，是在传输过程中，使用很多的放大器，不断中继和放大信号。而相干光通信，直接在接收端，对微弱的到达信号进行混频放大。这就是相干光通信技术的本质。

混频之后，用平衡接收机进行检测。

根据本振光信号频率与信号光频率的不等或相等，相干光通信可分为外差检测、内差检测、零差检测。

外差检测相干光通信，经光电检波器获得的是中频信号。还需要进行二次解调，才能被转换成基带信号。

零差和内差检测两种方式带来的噪声较小，减小了后续数字信号处理的功率开销和对相关器件的要求，所以最为常用。

零差检测相干光通信，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号，不需要进行二次解调。但它要求本振光频率与信号光频率要求严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

接下来，是同样非常重要的数字信号处理（DSP）环节了。

光信号在光纤链路中传输时，会产生失真，也就是不利的变化。

数字信号处理技术，说白了，就是利用数字信号比较容易处理的特点，去对抗和补偿失真，降低失真对系统误码率的影响。

它开创了光通信系统的数字时代，是相干光通信技术的重要支撑。

数字信号处理（DSP）技术，不仅用于接收机，也用于发送机。如下图所示：

再来一张图，帮助理解：

数字转模拟，模拟转数字

从上面的图可以看出，DSP技术进行了各种信号补偿处理，比如色度色散补偿和偏振模式色散补偿（PMD）等。

DSP的各种补偿和估算

DSP各模块的作用

传统的非相干光通信，是要通过光路补偿器件，进行色散补偿等工作的。它的补偿效果远远不如DSP。

DSP技术的引入，简化了系统设计，节约了成本，省去了系统中原有的色散补偿模块（DCM）或色散补偿光纤等，使得长距离传输的链路设计变得更加简单。

随着DSP的更迭发展，更多的算法和功能在不断的加入，如非线性补偿技术、多编码调制解调技术。

常用的补偿算法

DSP处理之后，就输出了最终的电信号。

接下来，我们通过一个100G相干传输的案例，回顾一下整个过程。

图片来自网络

在这个案例中，发送端采用了ePDM-QPSK高阶调制，接收端采用了相干检测接收技术。

具体过程如下：

1、经过数字信号处理和数模转换后的112Gbps信号码流，进入光发送端后，经过“串行-并行”转换，变成4路28Gbps的信号；

2、激光器发射的信号，通过偏振分束器，变成x、y两个垂直方向偏振的光信号；

3、通过MZM调制器组成的高阶调制器，对x、y偏振方向的光信号进行QPSK高阶调制；

4、调制好的偏振光信号，通过偏振合波器，合路到一根光纤上，进行传输；

5、接收端收到信号后，将信号分离到X、Y两个垂直的偏振方向上；

6、通过相干检测接收，X、Y两个垂直方面偏振的信号，变成电流/电压信号；

7、通过ADC模数转换，将电流电压信号变成0101...这样的数字码流；

8、通过数字信号处理，去除色散、噪声、非线性等干扰因素，还原出112Gbps的电信号码流，结束。

█ 相干光通信的其它支撑技术

相干光通信的性能强大，但是系统复杂度高，技术实现难度大。

非相干光 VS 相干光（图片来自通信百科）

想要实现相干光通信的实际应用，还要依赖以下几项技术：

• 偏振保持技术

在相干光通信中，相干检测要求信号光与本振光的偏振方向相同，即两者的电矢量方向必须相同，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。

因为，在这种情况下，只有信号光电矢量在本振光电矢量方向上的投影，才能真正对混频产生的中频信号电流有贡献。

为了保证搞灵敏度，必须采取光波偏振稳定措施。

目前主要有两种方法：

一，采用“保偏光纤”，使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。（普通的单模光纤，会由于光纤的机械振动或温度变化等因素，使光波的偏振态发生变化。）

二，使用普通的单模光纤，但是在接收端采用偏振分集技术。

• 频率稳定技术

在相干光通信中，半导体激光器的频率稳定性非常重要。而激光器的频率，对工作温度与电流变化非常敏感。

如果激光器的频率随工作条件的不同而发生漂移，就会影响中频电流，进而提升误码率。

• 频谱压缩技术

在相干光通信中，光源的频谱宽度也非常重要。

只有保证光波的窄线宽，才能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响。而且，其线宽越窄，由相位漂移而产生的相位噪声越小。

为了满足相干光通信对光源谱宽的要求，通常会采取谱宽压缩技术。

█ 相干光通信的应用

看到这里，大家对相干光通信技术的特点应该是非常了解了。

简而言之，它是一种先进且复杂的光传输系统，适用于更长距离、更大容量的信息传输。

在光纤的长距离传输中，一般每80km的跨度，就会采用EDFA（掺铒光纤放大器）。

EDFA

这玩意价格不便宜，野外环境还容易坏

有了相干光通信，长距离传输就省事多了。而且，相干光通信改造，可以直接利旧现有的光纤光缆，成本可控。

在现实应用中，相干光通信可以用于现有骨干网WDM波分复用系统的升级，也可以用于5G的中回传场景。甚至城域FTTx光纤接入，都开始研究相干光通信的引入。

目前，对相干光通信最热门的讨论，集中在“数据中心互联”场景，也就是我们现在常说的DCI（Data Center Interconnect）。

数据中心

DCI互联对长距离相干光模块的需求非常强烈。尤其是今年国家大力推动“东数西算”，对相干光通信市场有不小的刺激作用。

另外值得一提的是，相干光通信在星间自由空间光链路通信领域（也就是卫星通信），也是研究热门。

光载波的传送带宽大、质量体积小、功耗低、抗干扰和抗截获性能强，非常适合用于卫星通信。相干光通信技术，已经成为卫星通信领域的“潜力股”。

█ 结语

总而言之，相干光通信技术的回归和普及，有利于进一步挖掘光通信的性能潜力，提升极限带宽，降低部署成本。

目前，相干光通信技术的研究还在持续进行中。相干光模块工艺复杂、体积大、功耗大的问题，并没有得到彻底的解决。针对相干光通信各个关键环节的技术创新，还有很大的空间。

未来，相干光通信究竟会走向何方？让我们拭目以待吧。

—— The End ——

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参考文献：

1、相干光通信技术，徐飞；

2、什么是相干光通信和非相干光通信，通信百科；

3、知否，知否，什么是相干光通信，是德科技；

4、PM-16QAM相干光通信中偏振复用及追踪技术的研究，张曼丽；

5、相干光通信的使命和基本原理，知乎，白银之魔女；

6、超越100G速率的相干光传输技术探讨，易飞扬通信；

7、何为相干光通信系统，CSDN；

8、相干光通信，百度百科词条；