相干光通信

在光通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接收灵敏度，永远都是科研者的追求目标。尽管波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的应用已经极大的提高了光通信系统的带宽和传输距离，伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用ASK调制格式，其单路信道带宽很有限。因此这种传统光通信技术势必会被更先进的技术所代替。然而在通信泡沫破灭的今天，新的光通信技术的应用不可避免的会带来对新型通信设备的需求，面对居高不下的光器件价格，大规模通信设备更换所需要的高额成本，是运营商所不能接受的，因此对设备制造商而言，光纤通信新技术的研发也面临着很大的风险。如何在现有的设备基础上提高光通信系统的性能成为了切实的问题。在这样的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技术，再一次被放到了桌面上。

相干光通信

相干光通信的理论和实验始于80年代。由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高的优势，各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。经过十年的研究，相干光通信进入实用阶段。英美日等国相继进行了一系列相干光通信实验。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1.7Gbit/s FSK现场无中继相干传输实验，相距35公里，接收灵敏度达到-41.5dBm。NTT公司于1990年在濑户内陆海的大分—尹予和吴站之间进行了2.5Gbit/s CPFSK相干传输实验，总长431公里。直到19世纪80年代末，EDFA和WDM技术的发展，使得相干光通信技术的发展缓慢下来。在这段时期，灵敏度和每个通道的信息容量已经不再备受关注。然而，直接检测的WDM系统经过二十年的发展和广泛应用后，新的征兆开始出现，标志着相干光传输技术的应用将再次受到重视。在数字通信方面，扩大C波段放大器的容量，克服光纤色散效应的恶化，以及增加自由空间传输的容量和范围已成为重要的考虑因素。在模拟通信方面，灵敏度和动态范围成为系统的关键参数，而他们都能通过相关光通信技术得到很大改善。

在数字传输系统中，DPSK和DQPSK的使用已经非常普遍，这就标志着采用相位敏感的编码和传输技术将成为一种趋势。而检测灵敏度和频谱效率是这种趋势的关键所在。其他影响选择检测方案的因素还包括物理层的安全可靠性和网络的自适应性，两者都可得益于采用相干光技术的幅度，频率和偏振编码。相干模拟传输与非相干传输相比，也同样具有很大的优势，其中在动态范围方面最为显著。虽然模拟通信不及数字通信应用广泛，但是模拟传输在很多特殊环境应用上有很重要的作用。

同时，在这短短的二十年中，在光器件方面取得了很大的进步，其中激光器的输出功率，线宽，稳定性和噪声，以及光电探测器的带宽，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波电子器件的性能也大幅提高。这些进步使得相干光通信系统商用化变为可能。

在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

相干光通信的一个最主要的优点是相干检测能改善接收机的灵敏度。在相同的条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约20dB，可以达到接近散粒噪声极限的高性能，因此也增加了光信号的无中继传输距离。

相干光通信

相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。在直接探测中, 接收波段较大，为抑制噪声的干扰，探测器前通常需要放置窄带滤光片, 但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的噪声才可以进入系统，而其它噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好的滤波性能，这在星间光通信的应用中会发挥重大作用。此外，由于相干探测优良的波长选择性，相干接收机可以使频分复用系统的频率间隔大大缩小，即密集波分复用（DWDM），取代传统光复用技术的大频率间隔，具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。

在传统光通信系统中，只能使用强度调制方式对光进行调制。而在相干光通信中，除了可以对光进行幅度调制外，还可以使用PSK、DPSK、QAM等多种调制格式，利于灵活的工程应用，虽然这样增加了系统的复杂性，但是相对于传统光接收机只响应光功率的变化，相干探测可探测出光的振幅、频率、位相、偏振态携带的所有信息，因此相干探测是一种全息探测技术，这是传统光通信技术不具备的。

为了实现准确、有效、可靠的相干光通信，应采用以下关键技术。

由于半导体激光器光载波的某一参数直接调制时，总会附带对其他参数的寄生振荡，如ASK直接调制伴随着相位的变化，而且调制深度也会受到限制。另外，还会遇到频率特性不平坦及张迟振荡等问题。因此，在相干光通信系统中，除FSK 可以采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用外光调制方式。

相干光通信

外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。外光调制器主要包括三种：利用电光效应制成的电光调制器、利用声光效应制成的声光调制器和利用磁光效应制成的磁光调制器。采用以上外调制器，可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。对外光调制器的研究比较广泛，如利用T1扩散LiNbO3马赫干涉仪或定向耦合式的调制器可实现ASK 调制，利用量子阱半导体相位外调制器或LiNbO3相位调制器实现PSK调制等。

在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须有相同的偏振方向，也就是说，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。否则，会使相干探测灵敏度下降。因为在这种情况下，只有信号光波电矢量在本振光波电矢量方向上的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。若失配角度超过60°，则接收机的灵敏度几乎得不到任何改善，从而失去相干接收的优越性。因此，为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施。主要有两种方法：一是采用“保偏光纤”使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。而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。“保偏光纤”与单模光纤相比，其损耗比较大，价格比较昂贵。二是使用普通的单模光纤，在接收端采用偏振分集技术，信号光与本振光混合后首先分成两路作为平衡接收，对每一路信号又采用偏振分束镜分成正交偏振的两路信号分别检测，然后进行平方求和，最后对两路平衡接收信号进行判决，选择较好的一路作为输出信号。此时的输出信号已与接收信号的偏振态无关，从而消除了信号在传输过程中偏振态的随机变化。

在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。如，对于零差检测相干光通信系统来说，若激光器的频率(或波长)随工作条件的不同而发生漂移，就很难保证本振光与接收光信号之间的频率相对稳定性。外差相干光通信系统也是如此。一般外差中频选择在0。2～2 GHz之间，当光载波的波长为1。5 μm时，其频率为200 THz，中频为载频的 10-6～10-5。光载波与本振光的频率只要产生微小的变化，都将对中频产生很大的影响。因此，只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性，才能保证相干光通信系统的正常工作。

激光器的频率稳定技术主要有三种：

(1)将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上。在1.5μm波长上，已经利用氨、氪等气体分子实现了对半导体激光器的频率稳定；

(2) 利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边带的方法实现稳频；

(3)利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电流的自动控制等方法实现稳频。

在相干光通信中，光源的频谱宽度也是非常重要的。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。

相干光通信

为了满足相干光通信对光源谱宽的要求，通常采取谱宽压缩技术。主要有两种实现方法：

(1) 注入锁模法，即利用一个以单模工作的频率稳定、谱线很窄的主激光器的光功率，注入到需要宽度压缩的从激光器，从而使从激光器保持和主激光器一致的谱线宽度、单模性及频率稳定度；

(2) 外腔反馈法。外腔反馈是将激光器的输出通过一个外部反射镜和光栅等色散元件反射回腔内，并用外腔的选模特性获得动态单模运用以及依靠外腔的高Q值压缩谱线宽度。

由于在相干光通信中，常采用密集频分复用技术。因此，光纤中的非线性效应可能使相干光通信中的某一信道的信号强度和相位受到其他信道信号的影响，而形成非线性串扰。光纤中对相干光通信可能产生影响的非线性效应包括受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、非线性折射和四波混合。由于SRS的拉曼增益谱很宽(～10 THz)，因此当信道能量超过一定值时，多信道复用相干光通信系统中必然出现高低频率信道之间的能量转移，而形成信道间的串扰，从而使接收噪声增大，接收机灵敏度下降。SBS的阈值为几 mW，增益谱很窄，若信道功率小于一定值时，并且对信号载频设计的好，可以很容易地避免 SBS引起的串扰。但SBS 对信道功率却构成了限制。光纤中的非线性折射通过自相位调制效应而引起相位噪声，在信号功率大于10 mW 或采用光放大器进行长距离传输的相干光通信系统中要考虑这种效应。当信道间隔和光纤的色散足够小时，四波混频的相位条件可能得到满足，FWM成为系统非线性串扰的一个重要因素。FWM 是通过信道能量的减小和使信道受到干扰而构成对系统性能的限制。当信道功率低到一定值时，可避免FWM 引起对系统的影响。由于受到上述这些非线性因素的限制，采用密集频分复用的相干光通信系统的信道发射功率通常只有零点几毫瓦。

除了以上关键技术外，对于本振光和信号光之间产生的相位漂移，在接收端还可采用相位分集接收技术以消除相位噪声；为了减小本振光的相对强度噪声对系统的影响，可以采用双路平衡接收技术；零差检测中为保证本振光与信号光同步而采用的光锁相环技术，以及用于本振频率稳定的AFC等。

40G/100G相干光传输系统的组成如图所示。

100G相干光传输系统组成示意图

40G相干光传输系统组成示意图

在发送端，就像为方便货物运输时，需要将货物放到集装箱，客户侧40 G/100 G信号也需要装到OTU3/OTU4信号“集装箱”。OTU3/OTU4其实就是大小不一样的信号集装箱，其中OTU3可以装40 G的信号，OTU4可以装100 G的信号。激光器发出的激光被偏振分光器分成X、Y两个垂直方向的偏振光。

对于100G相干光传输系统，OTU4信号转换为4路信号，分别对两个偏振方向的激光信号进行PM-QPSK调制，调制后的偏振光经偏振合波器合成一束激光，传到光纤线路，并送到远端。类似，对于40G相干光传输系统，OTU3信号转换为2路信号，分别对两个偏振方向的激光信号进行PM-BPSK调制。PM-QPSK(Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying，偏振复用正交相移键控)和PM-BPSK（Polarization Multiplexed Binary Phase Shift Keying，偏振复用的二进制相移键控）都是将信息信号转换成适合线路传输信号的方式。这里就不深入探讨了，有兴趣了解的读者，可以查阅数字调制技术中的相关技术书籍。

在接收端，接收到的信号光经偏振分光器被分到X和Y两个偏振方向。本振激光器也分出X和Y两个方向的偏振光，与接收的信号光进行相干。相干后的信号经光电转换和ADC（Analog to Digital Converter，数模转换器）模块的模数处理后，进入DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)模块。DSP模块对光路上出现的色散、偏振模色散等信号畸变进行数字化补偿，在以后恢复出原始信号。

采用了相干接收技术，40G/100G相干光传输系统无需配置固定的色散补偿模块（DCM）和可调色散补偿模块（TDCM），减少系统中光纤放大器的配置，无需进行光纤链路长度和色散的精细测量，不仅降低系统配置成本和人力投入，而且提升光纤传输网络性能。

40G/100G相干信号可以与传统10G/40G波长信号混合传送，实现配置了DCM的传统网络平滑升级到40G/100G相干网络。

相干光通信得到迅速的发展，特别是对于超长波长(2～10 μm)光纤通信来说，相干光通信最具吸引力。因为在超长波段，由瑞利散射决定的光纤固有损耗将进一步大幅度降低(瑞利散射损耗与1/λ?4成正比)，故从理论上讲，在超长波段可实现光纤跨洋无中继通信。而在超长波段，直接探测接收机的性能很差，于是相干探测方式自然而然地成为唯一的选择了。

超长波长光纤通信系统是以超长波长光纤作为传输介质，利用相干光通信技术实现超长距离通信。在该系统中超长波长光纤是至关重要的。它是一种更为理想的传输媒介，其主要特性是损耗特低，只有石英材料的千万分之一。因此，超长波长光纤可以实现数万公里传输，而不要中继站。它可以大幅度降低通信成本，提高系统的稳定性和可靠性，对海底通信和沙漠地区更具有特别重要的意义。

研究的超长波长光纤主要是氟化物玻璃光纤，其理论损耗值非常低，如Ba-F2-Gd-ZrF4-ALF3光纤在3μm左右的理论最低损耗为10-3dB/km，GaF2-BaF2-YF2-ALF3光纤的透明范围为27μm，在3μm左右的最低理论损耗为10-2dB/km。

从光纤的色散特性来看，氟化玻璃材料光纤也可以实现零色散。例如，由镐、铝和镧组成的氟化物光纤，在1.7μm可实现零色散，在4μm波长的色散也很小，只有45ps/nm km。而且，氟化物玻璃光纤在较宽的波长范内，比石英光纤的色散要低。这样，可在大范围内实现波份复用。

随着光纤通信技术的发展，利用超长波长光纤实现超长距离通信是今后光纤通信发展的重要方向之一。但是，超长波长光纤通信系统还存在许多需要进一步解决的技术问题，如超长波长光纤的材料提纯与拉制，采用相干光通信技术所要求的超长波长光源及超长波长相干光电检波器等。

除以上应用外，由于相干光通信的出色的信道选择性和灵敏度，在频分复用CATV分配网中也得到了广泛的应用。

相干光通信技术经过二十年的蛰伏期，越来越受到国际学术界的关注。从2005年现在，每年都有大量关于相干光通信技术的文章在国际高水平会议和期刊上发表，内容包括各种新型调制码型，如正交频分复用（OFDM）、偏振差分四相移相键控（POLMUX-DQPSK），相干光通信关键技术的研究，相干光通信中的高速数字信号处理，以及相干光接收机集成化的研究等。此类研究多集中于美国、日本、德国、荷兰、英国等发达国家，中国也有相关研究文章发表，但数量较少。相干光通信方面的理论研究正在逐年升温，商品化研发也在缓慢进行。2006年美国DISCOVERY公司推出了带宽2.5Gbit/s及10Gbit/s的外差检测相干光接收机，在带宽为10Gbit/s误码率为10-9时灵敏度可达-30dBm，集成的相干接收机体积比普通电脑机箱小，便于运输和野外工作。相干光通信的一些关键器件及技术也在近几年得到了很大的发展，如DISCOVERY、德国u2t等公司可提供高速高输入功率的平衡接收机。

相干光通信

虽然相干光通信系统的潜在优势使它具备取代传统光通信系统的可能，但是其实用化研究多集中在特殊环境的应用，如跨洋通信、沙漠通信、星间通信等。传统光通信系统需要使用大量EDFA、SOA等中继设备，但是在海底和沙漠等条件非常恶劣的环境中，这些精密设备容易损坏，且修理和更换费用昂贵。相干光通信由于其无中继距离远大于传统光通信系统，可以大量减少中继设备，降低维护和修理费用。此外，相干光通信一大热点在于星间光链路通信。理论上，与RF载波相比，光载波在卫星通信中具有极强的优势，包括传送带宽大、质量体积功耗小等，通信光极窄的波束宽度也带来了很好的抗干扰和抗截获性能，可以极大地提高通信系统的信息安全。因此，相干光通信技术是星间激光通信链路技术发展极具潜力的选择。在1980-1995年间，相干光通信是国际光通信领域的研究热点。1995年前后，随着EDFA和WDM的成熟，在光纤通信的商用领域，传统光通信系统已足以保证通信性能，而在无法使用EDFA做中继的星间光通信领域，相干光技术则一直被视为满足功率受限的卫星光通信系统的高灵敏度高带宽要求的必然选择，国外对此进行了大量的研究。1997年开始，ESA与德国航天中心合作进行OGS研究项目，研究星地激光通信中光学地面站的1.06μm光外差探测技术。日本国家宇宙开发事业团自1998年以来进行了大量星间相干光通信的研究，对各种相干通信方案进行了星间通信的对比研究。从1999年左右，加州理工JPL实验室重点研究通过相干光通信技术扩展星间光通信链路的信道容量。与此同时，麻省理工林肯实验室研究了各种相干通信方案在LEO星间平台振动条件下的信噪比、误码率等通信性能，并提出了发射功率自适应技术方案，其实验装置通信距离3000km，误码率1.0E-6.码速率2Gbit/s。

总之，相干光通信技术还有很多方向需要更多的研究，大规模的应用也不会在短期内出现。但是需求决定市场，在不久的将来，传统光通信系统过于简单的结构必定无法满足高速增长的带宽需求，而相干光通信技术作为一个研究相对成熟，潜在优势明显的选择，必定会受到学术界和企业越来越多的关注。