【硬核掃盲】到底什么是相干光通信？

大家好，我是小棗君。今天這篇文章，我們來(lái)聊聊一個(gè)“網(wǎng)紅”技術(shù)——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(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)。

相比于傳統(tǒng)的非相干光通信，相干光通信具有傳輸距離更遠(yuǎn)、傳輸容量更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此廣受行業(yè)各界的關(guān)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(jiǎn)單了解一下什么是相干光。

我們口頭上經(jīng)常說(shuō)的“相干”，大家都理解，就是“互相關(guān)聯(lián)或牽涉”的意思。

光的相干（coherence），是指兩個(gè)光波在傳輸?shù)倪^(guò)程中，同時(shí)滿足以下3個(gè)條件：

1、頻率（波長(zhǎng)）相同；

2、振動(dòng)方向相同；

3、相位差恒定。

相干光

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

這種干涉，既可以是相長(zhǎng)干涉（加強(qiáng)），也可以是相消干涉（抵消）。

如下圖所示：

很顯然，相長(zhǎng)干涉可以讓光波（信號(hào)）變得更強(qiáng)。

大家可以回憶一下著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

█ 什么是相干光通信

好了，接下來(lái)我們進(jìn)入正題，說(shuō)說(shuō)什么是相干光通信。

很多人可能會(huì)認(rèn)為，相干光通信，就是利用相干光進(jìn)行傳輸通信。

其實(shí)，這個(gè)說(shuō)法是不對(duì)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(zhì)的區(qū)別。

相干光通信之所以叫“相干光通信”，并不是取決于傳輸過(guò)程中用的光，而是取決于在發(fā)送端使用了相干調(diào)制，在接收端使用了相干技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

上圖：非相干光通信       下圖：相干光通信

區(qū)別在兩端，不在傳輸路徑上

接收端的技術(shù)，是整個(gè)相干光通信的核心，也是它牛逼的主要原因。

我們可以先說(shuō)結(jié)論：在相同條件下，相對(duì)于傳統(tǒng)非相干光通信，相干光通信的接收機(jī)可以提升靈敏度20db。

20db是什么概念？100倍！

這個(gè)提升非常驚人了，接近散粒噪聲極限。

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

█ 相干光通信的發(fā)展背景

相干光通信技術(shù)這么厲害，它是一個(gè)新技術(shù)嗎？

并不是。

早在上世紀(jì)80年代，光通信剛剛興起的時(shí)候，美國(guó)、英國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)進(jìn)行了相干光通信的理論研究和實(shí)驗(yàn)，并取得了不錯(cuò)的成果。

例如，美國(guó)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(jìn)行了1.3μm和1.55μm波長(zhǎng)的1.7Gbps FSK現(xiàn)場(chǎng)無(wú)中繼相干傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸距離達(dá)到35公里。

后來(lái)，進(jìn)入90年代，專家們發(fā)現(xiàn)，日益成熟的EDFA（摻鉺光纖放大器）和WDM（波分復(fù)用）技術(shù)，可以更簡(jiǎn)單、更有效地解決了光通信的中繼傳輸和擴(kuò)容問(wèn)題。

于是，相干光通信的技術(shù)研究，就被冷落了。

到了2008年左右，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)，通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量迅猛增長(zhǎng)，骨干網(wǎng)面臨的壓力陡增。

此時(shí)，EDFA和WDM技術(shù)的潛力已經(jīng)越來(lái)越小。光通信廠商們，迫切需要找到新的技術(shù)突破點(diǎn)，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(fā)現(xiàn)，隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、光器件制造等技術(shù)的成熟，基于這些技術(shù)的相干光通信，剛好適合打破長(zhǎng)距離大帶寬光纖通信的技術(shù)瓶頸。

于是乎，順理成章地，相干光通信從幕后走向了臺(tái)前，迎來(lái)了自己的“第二春”。

█ 相干光通信的技術(shù)原理

接下來(lái)進(jìn)入硬核階段，我們?cè)敿?xì)解析一下相干光通信的技術(shù)原理。

前面小棗君和大家說(shuō)了，相干光通信主要利用了兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別是相干調(diào)制和外差檢測(cè)。

我們先看看光發(fā)送機(jī)這邊的相干調(diào)制。

在此前的文章（鏈接）中，小棗君介紹過(guò)光載波調(diào)制的內(nèi)容。

我說(shuō)過(guò)，在落后的IM-DD（強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)）系統(tǒng)中，只能使用強(qiáng)度（幅度）調(diào)制的方式，通過(guò)電流改變激光強(qiáng)度，產(chǎn)生0和1，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。

直接調(diào)制，非常簡(jiǎn)單，但是能力弱，問(wèn)題多

而在相干光通信系統(tǒng)中，除了可以對(duì)光進(jìn)行幅度調(diào)制之外，還可以采用外調(diào)制的方式，進(jìn)行頻率調(diào)制或相位調(diào)制，例如PSK、QPSK、QAM等。

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

下面這張圖，就是一個(gè)外調(diào)制的示意圖：

相干光通信的光發(fā)送機(jī)（偏振QAM）

如圖所示，在發(fā)送端，采用外調(diào)制方式，使用基于馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）的IQ調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制格式，將信號(hào)調(diào)制到光載波上，發(fā)送出去。（具體原理，還是請(qǐng)參考剛才的文章鏈接：鏈接）

到了接收端，正如前文所說(shuō)，進(jìn)入關(guān)鍵環(huán)節(jié)了。

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

光接收機(jī)的大致結(jié)構(gòu)
 

放大來(lái)看

這其實(shí)是一個(gè)“放大”的過(guò)程。

在相干光通信系統(tǒng)中，經(jīng)相干混合后的輸出光電流的大小，與信號(hào)光功率和本振光功率的乘積成正比。由于本振光的功率遠(yuǎn)大于信號(hào)光的功率，所以，輸出光電流大幅增加，檢測(cè)靈敏度也就隨之提升了。

換句話說(shuō)，非相干光通信，是在傳輸過(guò)程中，使用很多的放大器，不斷中繼和放大信號(hào)。而相干光通信，直接在接收端，對(duì)微弱的到達(dá)信號(hào)進(jìn)行混頻放大。這就是相干光通信技術(shù)的本質(zhì)。

混頻之后，用平衡接收機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

根據(jù)本振光信號(hào)頻率與信號(hào)光頻率的不等或相等，相干光通信可分為外差檢測(cè)、內(nèi)差檢測(cè)、零差檢測(cè)。

外差檢測(cè)相干光通信，經(jīng)光電檢波器獲得的是中頻信號(hào)。還需要進(jìn)行二次解調(diào)，才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。

零差和內(nèi)差檢測(cè)兩種方式帶來(lái)的噪聲較小，減小了后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理的功率開銷和對(duì)相關(guān)器件的要求，所以最為常用。

零差檢測(cè)相干光通信，光信號(hào)經(jīng)光電檢波器后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，不需要進(jìn)行二次解調(diào)。但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率要求嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定。

接下來(lái)，是同樣非常重要的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）環(huán)節(jié)了。

光信號(hào)在光纖鏈路中傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生失真，也就是不利的變化。

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，說(shuō)白了，就是利用數(shù)字信號(hào)比較容易處理的特點(diǎn)，去對(duì)抗和補(bǔ)償失真，降低失真對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。

它開創(chuàng)了光通信系統(tǒng)的數(shù)字時(shí)代，是相干光通信技術(shù)的重要支撐。

數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，不僅用于接收機(jī)，也用于發(fā)送機(jī)。如下圖所示：

再來(lái)一張圖，幫助理解：

數(shù)字轉(zhuǎn)模擬，模擬轉(zhuǎn)數(shù)字

從上面的圖可以看出，DSP技術(shù)進(jìn)行了各種信號(hào)補(bǔ)償處理，比如色度色散補(bǔ)償和偏振模式色散補(bǔ)償（PMD）等。

DSP的各種補(bǔ)償和估算
 

DSP各模塊的作用

傳統(tǒng)的非相干光通信，是要通過(guò)光路補(bǔ)償器件，進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)裙ぷ鞯摹Ｋ难a(bǔ)償效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如DSP。

DSP技術(shù)的引入，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本，省去了系統(tǒng)中原有的色散補(bǔ)償模塊（DCM）或色散補(bǔ)償光纖等，使得長(zhǎng)距離傳輸?shù)逆溌吩O(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單。

隨著DSP的更迭發(fā)展，更多的算法和功能在不斷的加入，如非線性補(bǔ)償技術(shù)、多編碼調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

常用的補(bǔ)償算法

DSP處理之后，就輸出了最終的電信號(hào)。

接下來(lái)，我們通過(guò)一個(gè)100G相干傳輸?shù)陌咐?，回顧一下整個(gè)過(guò)程。

圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

在這個(gè)案例中，發(fā)送端采用了ePDM-QPSK高階調(diào)制，接收端采用了相干檢測(cè)接收技術(shù)。

具體過(guò)程如下：

1、經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換后的112Gbps信號(hào)碼流，進(jìn)入光發(fā)送端后，經(jīng)過(guò)“串行-并行”轉(zhuǎn)換，變成4路28Gbps的信號(hào)；

2、激光器發(fā)射的信號(hào)，通過(guò)偏振分束器，變成x、y兩個(gè)垂直方向偏振的光信號(hào)；

3、通過(guò)MZM調(diào)制器組成的高階調(diào)制器，對(duì)x、y偏振方向的光信號(hào)進(jìn)行QPSK高階調(diào)制；

4、調(diào)制好的偏振光信號(hào)，通過(guò)偏振合波器，合路到一根光纖上，進(jìn)行傳輸；

5、接收端收到信號(hào)后，將信號(hào)分離到X、Y兩個(gè)垂直的偏振方向上；

6、通過(guò)相干檢測(cè)接收，X、Y兩個(gè)垂直方面偏振的信號(hào)，變成電流/電壓信號(hào)；

7、通過(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，將電流電壓信號(hào)變成0101...這樣的數(shù)字碼流；

8、通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，去除色散、噪聲、非線性等干擾因素，還原出112Gbps的電信號(hào)碼流，結(jié)束。

█ 相干光通信的其它支撐技術(shù)

相干光通信的性能強(qiáng)大，但是系統(tǒng)復(fù)雜度高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大。

非相干光 VS 相干光（圖片來(lái)自通信百科）

想要實(shí)現(xiàn)相干光通信的實(shí)際應(yīng)用，還要依賴以下幾項(xiàng)技術(shù)：

偏振保持技術(shù)

在相干光通信中，相干檢測(cè)要求信號(hào)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?yàn)?，在這種情況下，只有信號(hào)光電矢量在本振光電矢量方向上的投影，才能真正對(duì)混頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)電流有貢獻(xiàn)。

為了保證搞靈敏度，必須采取光波偏振穩(wěn)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(guò)程中保持光波的偏振態(tài)不變。（普通的單模光纖，會(huì)由于光纖的機(jī)械振動(dòng)或溫度變化等因素，使光波的偏振態(tài)發(fā)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(shù)。

頻率穩(wěn)定技術(shù)

在相干光通信中，半導(dǎo)體激光器的頻率穩(wěn)定性非常重要。而激光器的頻率，對(duì)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(fā)生漂移，就會(huì)影響中頻電流，進(jìn)而提升誤碼率。

頻譜壓縮技術(shù)

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(dǎo)體激光器量子調(diào)幅和調(diào)頻噪聲對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響。而且，其線寬越窄，由相位漂移而產(chǎn)生的相位噪聲越小。

為了滿足相干光通信對(duì)光源譜寬的要求，通常會(huì)采取譜寬壓縮技術(shù)。

█ 相干光通信的應(yīng)用

看到這里，大家對(duì)相干光通信技術(shù)的特點(diǎn)應(yīng)該是非常了解了。

簡(jiǎn)而言之，它是一種先進(jìn)且復(fù)雜的光傳輸系統(tǒng)，適用于更長(zhǎng)距離、更大容量的信息傳輸。

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

EDFA

這玩意價(jià)格不便宜，野外環(huán)境還容易壞

有了相干光通信，長(zhǎng)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(xiàn)有的光纖光纜，成本可控。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，相干光通信可以用于現(xiàn)有骨干網(wǎng)WDM波分復(fù)用系統(tǒng)的升級(jí)，也可以用于5G的中回傳場(chǎng)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(duì)相干光通信最熱門的討論，集中在“數(shù)據(jù)中心互聯(lián)”場(chǎng)景，也就是我們現(xiàn)在常說(shuō)的DCI（Data Center Interconnect）。

DCI互聯(lián)對(duì)長(zhǎng)距離相干光模塊的需求非常強(qiáng)烈。尤其是今年國(guó)家大力推動(dòng)“東數(shù)西算”，對(duì)相干光通信市場(chǎng)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(lǐng)域（也就是衛(wèi)星通信），也是研究熱門。

光載波的傳送帶寬大、質(zhì)量體積小、功耗低、抗干擾和抗截獲性能強(qiáng)，非常適合用于衛(wèi)星通信。相干光通信技術(shù)，已經(jīng)成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域的“潛力股”。

█ 結(jié)語(yǔ)

總而言之，相干光通信技術(shù)的回歸和普及，有利于進(jìn)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(shù)的研究還在持續(xù)進(jìn)行中。相干光模塊工藝復(fù)雜、體積大、功耗大的問(wèn)題，并沒有得到徹底的解決。針對(duì)相干光通信各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新，還有很大的空間。

未來(lái)，相干光通信究竟會(huì)走向何方？讓我們拭目以待吧。

參考文獻(xiàn)：

1、相干光通信技術(shù)，徐飛；

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相干光通信中偏振復(fù)用及追蹤技術(shù)的研究，張曼麗；

5、相干光通信的使命和基本原理，知乎，白銀之魔女；

6、超越100G速率的相干光傳輸技術(shù)探討，易飛揚(yáng)通信；

7、何為相干光通信系統(tǒng)，CSDN；

8、相干光通信，百度百科詞條；