「硬核扫盲」到底什么是相干光通信？

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；

相干光传输的原理

大家周末好，上次和大家简单聊了一下相干光传输，今天我们来简单聊一下相干光传输的原理。

我们上次讲到，光波除了由振幅来定义之外，通过下面具有Ex和Ey两个偏振分量的电磁波公式中的光波的很多特征参量都可以用来对信息进行编码。

比如：

在偏振复用中，正交分量可以作为两个不同的通道传递独立信号；

在波分复用中应用不同的频率ω可以在不同渠道独立数据传输这些频率/波长；

对于复杂的调制方案，就可以用上振幅E，相位Ф等参数共同调制信号，这就是基本相干光传输。

I/Q调制用极坐标描述，I为in-phase同相或实部，Q为quadrature正交相位或虚部，如图所示蓝色矢量端点的位置对应一个点 (也称为“星座点”)在这个图中(这被称为“星座图”)，这个点其实就是振幅E和相位Ф的一对组合。

每一个载波都可以由振幅和相位两个参数来描述，两个参数都可以被调制以承载信号。

那么，如何进行光波的相位调制呢，在这，就需要先介绍材料的电光效应。什么是电光效应呢，在构建相位调制器时，我们可以受益于某些晶体(如铌酸锂、InP)的折射率n依赖于局部电场强度的效应。这就是所谓的“电光效应”。这对相位调制有什么帮助呢，如果n是电场强度的函数，那么通过晶体的光的速度和波长也是。因此，如果对晶体施加电压，那么通过晶体的光的波长就会减小，通过选择适当的电压就可以控制出射光的相位。

如果只有上图中一个Mach-Zehnder结构，那我们再调整一次相位，可以实现什么效果呢。这里我们介绍一个BPSK(Binary Phase Shift Keying)的概念。通过给M-Z的干涉臂施加电压Vπ，可以使光波出射相位相移π，如下图所示。

相干传输技术于传统上用的NRZ信号相比，要提高传输效率，就要使用多个符号表示多个位数，用一个MZM调制器只能实现BPSK调制，那么要实现QPSK，则要有两个正交的MZM调制器。

这意味着在Q路有90°的相移, 表现在时域上的波形为图所示，一共有4个符号，每一个时钟周期传输2比特。

好了，今天关于相干光传输的原理部分，我们就先介绍到这，下次我们再继续深入了解吧。

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