今天這篇文章，我們來聊聊一個“網紅”技術——相干光通信。

相干光通信，英文全稱叫做Coherent Optical Communication，是光纖通信領域的一項技術。

相比于傳統的非相干光通信，相干光通信具有傳輸距離更遠、傳輸容量更大的技術優勢，因此廣受行業各界的關注，研究熱度不斷攀升。

什么是相干光

在介紹相干光通信之前，我們先簡單了解一下什么是相干光。

我們口頭上經常說的“相干”，大家都理解，就是“互相關聯或牽涉”的意思。

光的相干(coherence)，是指兩個光波在傳輸的過程中，同時滿足以下3個條件：

1、頻率(波長)相同;

2、振動方向相同;

3、相位差恒定。

相干光

這樣的兩束光，在傳輸時，相互之間能產生穩定的干涉(interference)。

這種干涉，既可以是相長干涉(加強)，也可以是相消干涉(抵消)。

如下圖所示：

很顯然，相長干涉可以讓光波(信號)變得更強。

大家可以回憶一下著名的楊氏雙縫干涉實驗

什么是相干光通信

好了，接下來我們進入正題，說說什么是相干光通信。

很多人可能會認為，相干光通信，就是利用相干光進行傳輸通信。

其實，這個說法是不對的。相干光通信和非相干光通信，基本都是用的激光，沒有本質的區別。

相干光通信之所以叫“相干光通信”，并不是取決于傳輸過程中用的光，而是取決于在發送端使用了相干調制，在接收端使用了相干技術進行檢測。

上圖：非相干光通信

下圖：相干光通信

區別在兩端，不在傳輸路徑上

接收端的技術，是整個相干光通信的核心，也是它牛逼的主要原因。

我們可以先說結論：在相同條件下，相對于傳統非相干光通信，相干光通信的接收機可以提升靈敏度20db。

20db是什么概念?100倍!

這個提升非常驚人了，接近散粒噪聲極限。

在這個20db的幫助下，相干光通信的通信距離可以提升n倍，達到千公里級別(非相干光大約只有幾十公里)。你說香不香?

相干光通信的發展背景

相干光通信技術這么厲害，它是一個新技術嗎?

并不是。

早在上世紀80年代，光通信剛剛興起的時候，美國、英國和日本等發達國家就已經進行了相干光通信的理論研究和實驗，并取得了不錯的成果。

例如，美國AT&T及Bell公司，于1989和1990年在賓州的羅靈克里克地面站與森伯里樞紐站間，先后進行了1.3μm和1.55μm波長的1.7Gbps FSK現場無中繼相干傳輸實驗，傳輸距離達到35公里。

后來，進入90年代，專家們發現，日益成熟的EDFA(摻鉺光纖放大器)和WDM(波分復用)技術，可以更簡單、更有效地解決了光通信的中繼傳輸和擴容問題。

于是，相干光通信的技術研究，就被冷落了。

到了2008年左右，隨著移動互聯網的爆發，通信網絡的數據流量迅猛增長，骨干網面臨的壓力陡增。

此時，EDFA和WDM技術的潛力已經越來越小。光通信廠商們，迫切需要找到新的技術突破點，提升光通信的傳輸能力，滿足用戶需求，緩解壓力。

廠商們漸漸發現，隨著數字信號處理(DSP)、光器件制造等技術的成熟，基于這些技術的相干光通信，剛好適合打破長距離大帶寬光纖通信的技術瓶頸。

于是乎，順理成章地，相干光通信從幕后走向了臺前，迎來了自己的“第二春”。

相干光通信的技術原理

接下來進入硬核階段，我們詳細解析一下相干光通信的技術原理。

相干光通信主要利用了兩個關鍵技術，分別是相干調制和外差檢測。

我們先看看光發送機這邊的相干調制。

在落后的IM-DD(強度調制-直接檢測)系統中，只能使用強度(幅度)調制的方式，通過電流改變激光強度，產生0和1，以此實現對光波進行調制。

直接調制，非常簡單，但是能力弱，問題多

而在相干光通信系統中，除了可以對光進行幅度調制之外，還可以采用外調制的方式，進行頻率調制或相位調制，例如PSK、QPSK、QAM等。

更多的調制方式，不僅增加了信息攜帶能力(單個符號可以表示更多的比特)，也適合工程上的靈活應用。

下面這張圖，就是一個外調制的示意圖：

相干光通信的光發送機(偏振QAM)

如圖所示，在發送端，采用外調制方式，使用基于馬赫-曾德爾調制器(MZM)的IQ調制器，實現高階調制格式，將信號調制到光載波上，發送出去。

到了接收端，正如前文所說，進入關鍵環節了。

首先，利用一束本機振蕩產生的激光信號(本振光)，與輸入信號光在光混頻器中進行混頻，得到與信號光的頻率、相位和振幅按相同規律變化的中頻信號。

光接收機的大致結構

放大來看

這其實是一個“放大”的過程。

在相干光通信系統中，經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。由于本振光的功率遠大于信號光的功率，所以，輸出光電流大幅增加，檢測靈敏度也就隨之提升了。

換句話說，非相干光通信，是在傳輸過程中，使用很多的放大器，不斷中繼和放大信號。而相干光通信，直接在接收端，對微弱的到達信號進行混頻放大。這就是相干光通信技術的本質。

混頻之后，用平衡接收機進行檢測。

根據本振光信號頻率與信號光頻率的不等或相等，相干光通信可分為外差檢測、內差檢測、零差檢測。

外差檢測相干光通信，經光電檢波器獲得的是中頻信號。還需要進行二次解調，才能被轉換成基帶信號。

零差和內差檢測兩種方式帶來的噪聲較小，減小了后續數字信號處理的功率開銷和對相關器件的要求，所以最為常用。

零差檢測相干光通信，光信號經光電檢波器后被直接轉換成基帶信號，不需要進行二次解調。但它要求本振光頻率與信號光頻率要求嚴格匹配，并且要求本振光與信號光的相位鎖定。

接下來，是同樣非常重要的數字信號處理(DSP)環節了。

光信號在光纖鏈路中傳輸時，會產生失真，也就是不利的變化。

數字信號處理技術，說白了，就是利用數字信號比較容易處理的特點，去對抗和補償失真，降低失真對系統誤碼率的影響。

它開創了光通信系統的數字時代，是相干光通信技術的重要支撐。

數字信號處理(DSP)技術，不僅用于接收機，也用于發送機。如下圖所示：

再來一張圖，幫助理解：

數字轉模擬，模擬轉數字

從上面的圖可以看出，DSP技術進行了各種信號補償處理，比如色度色散補償和偏振模式色散補償(PMD)等。

DSP的各種補償和估算

DSP各模塊的作用

傳統的非相干光通信，是要通過光路補償器件，進行色散補償等工作的。它的補償效果遠遠不如DSP。

DSP技術的引入，簡化了系統設計，節約了成本，省去了系統中原有的色散補償模塊(DCM)或色散補償光纖等，使得長距離傳輸的鏈路設計變得更加簡單。

隨著DSP的更迭發展，更多的算法和功能在不斷的加入，如非線性補償技術、多編碼調制解調技術。

常用的補償算法

DSP處理之后，就輸出了最終的電信號。

接下來，我們通過一個100G相干傳輸的案例，回顧一下整個過程。

圖片來自網絡

在這個案例中，發送端采用了ePDM-QPSK高階調制，接收端采用了相干檢測接收技術。

具體過程如下：

1、經過數字信號處理和數模轉換后的112Gbps信號碼流，進入光發送端后，經過“串行-并行”轉換，變成4路28Gbps的信號;

2、激光器發射的信號，通過偏振分束器，變成x、y兩個垂直方向偏振的光信號;

3、通過MZM調制器組成的高階調制器，對x、y偏振方向的光信號進行QPSK高階調制;

4、調制好的偏振光信號，通過偏振合波器，合路到一根光纖上，進行傳輸;

5、接收端收到信號后，將信號分離到X、Y兩個垂直的偏振方向上;

6、通過相干檢測接收，X、Y兩個垂直方面偏振的信號，變成電流/電壓信號;

7、通過ADC模數轉換，將電流電壓信號變成0101...這樣的數字碼流;

8、通過數字信號處理，去除色散、噪聲、非線性等干擾因素，還原出112Gbps的電信號碼流，結束。

相干光通信的其它支撐技術

相干光通信的性能強大，但是系統復雜度高，技術實現難度大。

非相干光 VS 相干光(圖片來自通信百科)

想要實現相干光通信的實際應用，還要依賴以下幾項技術：

偏振保持技術

在相干光通信中，相干檢測要求信號光與本振光的偏振方向相同，即兩者的電矢量方向必須相同，才能獲得相干接收所能提供的高靈敏度。

因為，在這種情況下，只有信號光電矢量在本振光電矢量方向上的投影，才能真正對混頻產生的中頻信號電流有貢獻。

為了保證搞靈敏度，必須采取光波偏振穩定措施。

目前主要有兩種方法：

一，采用“保偏光纖”，使光波在傳輸過程中保持光波的偏振態不變。(普通的單模光纖，會由于光纖的機械振動或溫度變化等因素，使光波的偏振態發生變化。)

二，使用普通的單模光纖，但是在接收端采用偏振分集技術。

頻率穩定技術

在相干光通信中，半導體激光器的頻率穩定性非常重要。而激光器的頻率，對工作溫度與電流變化非常敏感。

如果激光器的頻率隨工作條件的不同而發生漂移，就會影響中頻電流，進而提升誤碼率。

頻譜壓縮技術

在相干光通信中，光源的頻譜寬度也非常重要。

只有保證光波的窄線寬，才能克服半導體激光器量子調幅和調頻噪聲對接收機靈敏度的影響。而且，其線寬越窄，由相位漂移而產生的相位噪聲越小。

為了滿足相干光通信對光源譜寬的要求，通常會采取譜寬壓縮技術。

相干光通信的應用

看到這里，大家對相干光通信技術的特點應該是非常了解了。

簡而言之，它是一種先進且復雜的光傳輸系統，適用于更長距離、更大容量的信息傳輸。

在光纖的長距離傳輸中，一般每80km的跨度，就會采用EDFA(摻鉺光纖放大器)。

EDFA

這玩意價格不便宜，野外環境還容易壞

有了相干光通信，長距離傳輸就省事多了。而且，相干光通信改造，可以直接利舊現有的光纖光纜，成本可控。

在現實應用中，相干光通信可以用于現有骨干網WDM波分復用系統的升級，也可以用于5G的中回傳場景。甚至城域FTTx光纖接入，都開始研究相干光通信的引入。

目前，對相干光通信最熱門的討論，集中在“數據中心互聯”場景，也就是我們現在常說的DCI(Data Center Interconnect)。

數據中心

DCI互聯對長距離相干光模塊的需求非常強烈。尤其是今年國家大力推動“東數西算”，對相干光通信市場有不小的刺激作用。

另外值得一提的是，相干光通信在星間自由空間光鏈路通信領域(也就是衛星通信)，也是研究熱門。

光載波的傳送帶寬大、質量體積小、功耗低、抗干擾和抗截獲性能強，非常適合用于衛星通信。相干光通信技術，已經成為衛星通信領域的“潛力股”。

結語

總而言之，相干光通信技術的回歸和普及，有利于進一步挖掘光通信的性能潛力，提升極限帶寬，降低部署成本。

目前，相干光通信技術的研究還在持續進行中。相干光模塊工藝復雜、體積大、功耗大的問題，并沒有得到徹底的解決。針對相干光通信各個關鍵環節的技術創新，還有很大的空間。

未來，相干光通信究竟會走向何方?讓我們拭目以待吧。

原文標題：【硬核掃盲】到底什么是相干光通信?

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審核編輯：湯梓紅