「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；

烽火相干100G，助运营商简化网设、提升网络运维效率

自2013年起，烽火通信基于数字相干接收PM-QPSK调制技术的100G POTN解决方案已经在全球范围内广泛大规模商用。相干接收PM-QPSK调制 100G技术凭借着超长距离、超大容量、全业务统一灵活调度与透明传送的巨大优势，在光传输技术史上具有里程碑意义。这不仅仅体现在100G光传输性能的巨大提升以及建网运维的显著优势上，更是由于其为后续更高速率传输技术的发展奠定了基础。

100G数字相干接收，独具匠心

目前光电二极管只对光强度变化敏感，而对光相位不敏感，接收机需要将相位调制的光信号通过相干转换为强度调制的光信号以便于光电二极管检测。40G DPSK和DQPSK采用差分调制就是在接收机采用成本和复杂度较低的延时线干涉器将相位调制转换为强度调制。

数字相干接收技术一方面采用数字相干接收机通过相位分集和偏振态分集将光信号的所有光学属性映射到电域，另一方面利用成熟的数字信号处理技术在电域实现偏振解复用和通道线性损伤（CD、PMD）补偿，时序恢复、偏振解复用、载波相位估计、符号估计和线性解码。数字相干接收技术将传输通道设计的复杂度转移到了接收机，它简化了传输通道光学色散补偿和偏振解复用设计，消除了光传输系统对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖。

如图1所示，数字相干检测的数字信号处理部分一般由一对固定的前置数字FIR均衡器、四个FIR蝶形连接构成的自适应数字均衡器以及载波频率相位恢复单元构成，时钟恢复和软判决功能也可通过数字信号处理实现。数字信号处理算法的复杂度直接关系到其功耗以及现有芯片集成密度和处理速度的可行性。前置数字FIR均衡器用于实现缓变量大的长距离累积色度色散补偿，四个FIR蝶形连接构成的自适应数字均衡器用于实现偏振恢复和解复用、偏振态色散和本地色度色散自适应补偿以及窄带滤波所引起的信号损伤补偿。

图1：数字相干接收机实现结构

相干检测，多样化灵活选择

相干检测可将光信号的所有光学属性（偏振态、幅度、相位）映射到电域，可解析任意光调制格式的信息。相干检测在实现上可采用零差检测、外差检测和内差检测三种方式。其中，零差检测具有最优的接收灵敏度和波长选择能力，但要求通过锁频控制确保本振激光器的频率相位与所接收光信号保持一致，对激光器的线宽和稳定性要求极高；外差检测经中频转换将频率相位恢复的难题转移至电域，可以降低对激光器线宽的要求，但要求接收机光电器件带宽至少为信号基带带宽的两倍；内差检测与零差检测结构相似，放宽了对本振激光器与发射机激光器的频率相位一致性要求而通过正交分量信号相位分集接收和电信号处理获取频率相位信息，兼具零差检测和外差检测的优点。

（1）零差检测

当信号频率与本振激光器频率一致时，称为零差检测。如图2所示，若本振激光器能追踪信号传输过程中所叠加的相位噪声，则可以实现相位的正确检测。该解调方式仅能提取信号复数包络的同相分量(cos)，若能同时提取信号复数包络的正交分量(sin)，则可以通过数字信号处理的方式估计信号的相位，消除相位噪声的影响。

图2：零差检测数字模型

（2）相位分集内差检测

如图3所示，内差检测利用90°光混频器与本征混频同时提取信号的同相分量和正交分量，通过电信号处理消除相位噪声，从而实现信号调制相位的检测和解调；内差检测允许信号频率与本振频率存在一定偏移，可以缓解对本振激光器线宽和频移的要求。

图3：相位分集内差检测数字模型

（3）偏振分集内差检测

相干检测可通过相位分集和偏振态分集将光信号的所有光学属性映射到电域以解析任意光调制格式的信息，其难点在于载波同步以及混合器等关键光器件的制作；差分相位调制可采用延时相干检测，避免了相干检测对本振激光器以及混频器的要求。

如图4所示，零差检测具有最优灵敏度，但要求本振激光器的频率和相位与发射信号保持一致；外差检测可以降低对激光器线宽的要求，但要求接收机带宽至少为信号基带带宽的两倍；内差检测通过90°混频器检测信号的I、Q分量经电信号处理获取相位信息。

图4：偏振分集内差检测数字模型

相干100G，简化网络设计、提升运维效率

数字相干接收100G技术使光传输系统具有足够的色散容限和偏振模容限，无需考虑线路传输上的色度色散和偏振模色散的影响，这给网络设计与建设、网络运维带来以下好处：

Ø 简化了传输线路上的光学色散补偿和偏振解复用设计，线路设计更简单。

Ø 消除了对低PMD光纤的依赖，适配各种传输光纤，方便光纤线路速率升级。

Ø 消除了DCF光纤非线性效应的影响，减少了线路放大器的数量和ASE噪声的影响，降低了线路成本，提升了系统长距传输能力。

Ø 减小了线路传输时延，按照1km光纤5us的时延计算，消除DCF光纤所带来的时延减少非常可观，这对时延敏感的应用环境意义重大。

Ø 保护恢复时间小于50ms，（不同于40G系统）100G数字信号处理自适应色散补偿算法收敛迅速，完全满足电信级恢复时延要求。

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