「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；

科学家突破2微米波段的相干光传输技术，让电信设施容量再次飞跃

近日，丹麦技术大学光子工程系胡浩团队，制备出一种绝缘衬底铝镓砷（AlGaAsOI）纳米波导，绝缘衬底铝镓砷（AlGaAsOI），基于这一器件和频谱变换技术，再加上利用 C 波段的成熟相干收发机，其首次实现了 2 微米波段的相干光传输系统。

▲图 | 胡浩（来源：胡浩）

据介绍，基于 AlGaAsOI 的连续频谱变换，可提供一种绝佳的开启新波段的途径。利用这种频谱变换器，可在不开发新的发射机和接收机的情况下，构造新波段的相干发射机和接收机，并实现相干传输、即目标波段的高效频谱利用。

短期来看，该技术能拓展当前普通单模光纤的传输频段，开启诸如 O、E、S、U 等波段，直接用以提升当前电信基础设施的容量。

▲图 | 通过片上连续波带变换开启新的相干光通信波段（来源：Nature Communications）

长期来看，该技术可用于不同的光传输媒介中，例如自由空间光通信、深空光通信、以及基于新型光纤的光通信，从而高效利用、并匹配不同传输媒介的目标波段。

基于 AlGaAsOI 的时频连续频谱变换，还有望给信号处理设备和器件，提供工作波段之外的信号产生、探测以及处理的方法。

借此能构造出可实现当前光谱分析仪能力之外的光谱分析，实现无双光子吸收波段的大规模光集成，以及高灵敏度的红外天文信号处理等。

对于相关论文审稿人表示，该工作对光通信具有重大意义，比如可利用成熟光通信收发机实现当前传输光纤不同波段，甚至实现基于不同传输媒介比如无线光通信的传输系统。

无需耗时耗力，即可为每个新波段开发新的关键器件

长期以来，光通信被外界认为是一种可以提供无限带宽的理想通信系统，然而当前的光通信系统却正面临着严峻挑战。

20 世纪 70 年代以来，光通信先后历经数次重大技术突破和系统迭代，包括传输光纤的进步、掺铒光纤放大器的发明、波分复用技术的应用、以及相干光通信等。

过去几十年，这些技术进步和突破让光通信系统的容量均保持了较高的增速，大概是每四年翻十倍。其中，相干光通信由于具有高频谱效率和高灵敏度等优势，极大增加了光纤骨干网络的容量和传输距离。

近年来，相关电光集成器件的发展，使其功耗和成本都得到了极大降低。相干光通信已从长距离大容量的骨干网系统，应用到城域网、甚至短距传输系统。

在发射端，信息可以调制在光载波的复数域，并利用各个维度的复用技术增加容量；在接收端，强大的数字信号处理技术能完全恢复、诸如色散等效应导致的线性传输损伤，从而提升传输信号质量。

但是，当前基于单模光纤和相干光通信的通信系统容量正在逼近理论极限，即非线性香农极限。如何实现光通信系统容量的可持续增长，以满足不断增长的带宽需求，成为当前光通信研究的核心问题和研究热点。

近年来，基于多芯光纤或少模光纤的空分复用系统、光子带隙光纤、光电集成器件等，都在围绕这一核心问题开展。

最近，关于如何开启新的传输波段，得到了光通信研究者们的大量关注。当前的相干光通信系统，主要利用普通单模光纤中常规的 C 波段和 L 波段。

比如，2017 年欧洲光通信会议上，来自诺基亚-贝尔实验室等机构的研究者，首次报道了结合 S、C、L 三个波段的超宽带光通信，在 100 纳米的连续波段上实现了 115 Tbit/s、100 km 的相干光传输。

然而胡浩注意到，从通常意义来讲，新波段的开启十分困难。原因在于，当前相干光通信系统的关键器件，均是针对 C 或 L 波段设计的。其他波段则缺少电信级的关键器件，比如窄线宽激光器、I/Q 调制器，以及相干接收机包括 90° 光混频器和平衡探测器等。这也让关键器件的研发费时费力，严重影响了新波段的启动。

另一方面，胡浩和团队认为开启新波段的努力，不应只局限于普通单模光纤里的潜在波段，比如 O、E、S、U 等波段。还应为包括未来新型光纤通信、或无线光通信中更广阔的波段考虑，例如 2 微米波段（这也是当前的研究热点）。

因此，其希望开发一种具有普适性方法的集成器件，利用当前成熟的电信 C 波段的相干发射机和接收机，打造工作在新波段的相干发射机和接收机。这样一来，无需耗时耗力即可为每个新波段开发新的关键器件。

▲图 | 空芯光子带隙光纤（来源：Nature Communications）

要想实现上述目标，则需要对当前 C 波段发射机和接收机的信号进行频谱变换，而频谱变换可由四波混频效应实现。

课题组注意到，此前基于硅纳米波导的研究，验证了电信波段和 2 微米波段之间的相互转换。然而，硅波导固有的材料特性和双光子吸收效应带来的非线性损耗，使得这类频谱变换效率很低，所以必须使用具有很高峰值功率的皮秒脉冲激光器作为泵浦。

这样一来，不仅拉高了复杂度和成本，还极大限制了信号光的速率，改变了信号光的时间连续特性。

最近，一种使用直流光泵浦氮化硅微环的方法，实现了 650 纳米波长间隔的频谱变换。然而，这类基于腔结构的方案不可避会免造成频谱变换的频域不连续性，并限制了信号光的带宽。

因此，该团队设计并实现了一种基于绝缘衬底铝镓砷（AlGaAsOI）纳米波导的、时频连续的片上频谱变换。

利用高阶相位匹配，AlGaAsOI 纳米波导的频谱变换连续带宽超过一个倍频程，从 111.37 THz 到 233.27 THz（>1400 纳米）。基于此，课题组制备出了上述 AlGaAsOI 纳米波导。

（来源：Nature Communications）

近日，相关论文以《超宽带片上连续光谱转换解锁超越传统电信频段的相干光通信》（Super-broadband on-chip continuous spectral translation unlocking coherent optical communications beyond conventional telecom bands）为题发在 Nature Communications 上 [1]，丹麦技术大学光子工程系博士后孔德明担任一作兼通讯，胡浩担任共同通讯作者。

▲图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

投稿中，审稿人点赞了该技术的其他应用前景，比如在光纤传感、多波段高精频谱分析、红外高灵敏度天文学上的潜在用途等，也对论文中的概念和方案予以积极评价。

开启 2 微米波段的光通信高效频谱利用

该研究从 2017 年立项。开局第一步是得找到一种能进行大范围频谱变换的非线性光子集成平台，以便同时实现时域和频域的连续性。

因此，该光子集成平台需要提供很高的变换效率。为此，课题组在实验中使用了绝缘衬底铝镓砷（AlGaAsOI）纳米波导。

接下来是在 1.74 微米的波长上，实现大功率的窄线宽泵浦光源，从而辅助完成光子频谱变换。在实验中，该团队使用 1.74 微米半导体激光器，并用自制的同尺寸掺铥光纤放大器实现了大功率的光输出。

最后一个阶段是利用传统 1.5 微米波段的相干收发装置和频谱变换技术。期间，在 2 微米的新波段上，课题组首次实现了相干光通信。在传输光纤上，则使用低损耗的 2 微米空芯光子带隙光纤。

（来源：Nature Communications）

另据悉，他们还在 2 微米的新波段上，传输了四路 32 G 波特的 16 QAM 奈奎斯特波分复用信号，净速率达 318.25 Gbit/s、频谱效率 2.4 bit/s/Hz、传输距离 1.15 km，这意味着 2 微米波段的光通信高效频谱的利用得以开启。

胡浩说：“该工作是我们与英国南安普顿大学光电子研究中心教授大卫·理查森（David J. Richardson）团队密切合作完成的，他们制作提供了传输用的 2 微米空芯光子带隙光纤，以及用于泵浦的 1.74 微米掺铥光纤放大器。”

▲图 | 大卫·理查森（David J. Richardson）（来源：资料图）

整体来看，该工作提供了一种开启新波段的普适方案，无需开发新波段的电信级关键器件和收发机，利用成熟 C 波段的收发机，即可开启新波段的光通信。

同时，AlGaAsOI 纳米波导器件的超宽带性能，可支持开启众多新波段。此外，AlGaAsOI 本身透光波长范围很宽，即从 500 纳米到 10 微米，因此通过不同的波导结构设计，该频谱变换方案也能扩展到更宽的频谱范围。

（来源：Nature Communications）

“雪中送炭”的理查森教授

据悉，在实验中使用的绝缘衬底铝镓砷（AlGaAsOI）纳米波导，是胡浩联合蒲敏皓团队在丹麦技术大学设计并制作的，不过为实现大范围频谱变换，还需要 1.74 微米的大功率窄线宽泵浦光源，这让他们有些犯难。

因为 1.74 微米并不是常用的波段，故在该波段内同时实现大功率和窄线宽并非易事，实验工作也一度因此陷入停滞。

一个偶然的机会，胡浩和理查森教授在交流中，提到他正在进行的研究缺少这样的一个泵浦光源，后者马上表示可以想办法实现这样的泵浦光源，这让胡浩瞬间感到柳暗花明。

后来，理查森教授不仅给胡浩提供了用于实现泵浦的 1.74 微米掺铥光纤放大器，还提供了可用于 2 微米新波段传输的低损耗空芯光子带隙光纤。

说到双方的合作，要回溯到 2016 年。当时，他们的合作还获得了欧盟的一个科研奖项，以表彰其对于光传输瓶颈的突破。

“时隔几年，我们再次合作实现了新波段的相干光通信。可以说，研究人员通常是专注在某一个领域，通过和其他领域的专家合作，更容易实现技术突破。”胡浩说。

其还表示，在和审稿人的通信中，对于新波段的描述和定义的完善还挺有意思的。在论文的初稿中，胡浩把新波段描述为 unconventional wavelength bands，但是审稿人对此有异议。

其认为，这样的词组给人第一反应是普通单模光纤里面的非常用波段，也就是前面说过的 O、E、S、U 等波段。实际上，论文中已经对这个词组做出限定和说明，并非单指某些特定波段。

但是，审稿人建议论文的题目应该修改成 beyond S+C+L。最后，胡浩把这一部分的表述在题目里改成 beyond conventional telecom bands，即使用和原版近乎于反义词组的方式解决了这一问题。

总体来说，该研究为胡浩课题组开启了在新波段进行先进的信号处理的能力。未来，其研究领域将扩展到自由空间光通信，包括星地光通信、探索未来 6G 无线通信在新波段传输的可能性。

参考资料：

1.Kong, D., Liu, Y., Ren, Z. et al. Super-broadband on-chip continuous spectral translation unlocking coherent optical communications beyond conventional telecom bands. Nat Commun 13, 4139 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31884-2

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