【硬核掃盲】到底什麼是相干光通訊？

引言：大家好，我是小棗君。今天這篇文章，我們來聊聊一個“網紅”技術——相干光通訊。

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

相比於傳統的非相干光通訊，相干光通訊具有傳輸距離更遠、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。

█ 什麼是相干光

在介紹相干光通訊之前，我們先簡單瞭解一下什麼是相干光。

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、相位差恆定。

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(訊號)變得更強。

大家可以回憶一下著名的楊氏雙縫干涉實驗

█ 什麼是相干光通訊

好了，接下來我們進入正題，說說什麼是相干光通訊。

很多人可能會認為，相干光通訊，就是利用相干光進行傳輸通訊。

其實，這個說法是不對的。相干光通訊和非相干光通訊，基本都是用的鐳射，沒有本質的區別。

相干光通訊之所以叫“相干光通訊”，並不是取決於傳輸過程中用的光，而是取決於在傳送端使用了相干調製，在接收端使用了相干技術進行檢測。

上圖：非相干光通訊

下圖：相干光通訊

區別在兩端，不在傳輸路徑上

接收端的技術，是整個相干光通訊的核心，也是它牛逼的主要原因。

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

20db是什麼概念?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，相干光通訊的通訊距離可以提升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?

█ 相干光通訊的發展背景

相干光通訊技術這麼厲害，它是一個新技術嗎?

並不是。

早在上世紀80年代，光通訊剛剛興起的時候，美國、英國和日本等已開發國家就已經進行了相干光通訊的理論研究和實驗，並取得了不錯的成果。

例如，美國AT&T及Bell公司，於1989和1990年在賓州的羅靈克里克地面站與森伯裡樞紐站間，先後進行了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。

後來，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(波長分波多工)技術，可以更簡單、更有效地解決了光通訊的中繼傳輸和擴容問題。

於是，相干光通訊的技術研究，就被冷落了。

到了2008年左右，隨著移動網際網路的爆發，通訊網路的資料流量迅猛增長，骨幹網面臨的壓力陡增。

此時，EDFA和WDM技術的潛力已經越來越小。光通訊廠商們，迫切需要找到新的技術突破點，提升光通訊的傳輸能力，滿足使用者需求，緩解壓力。

廠商們漸漸發現，隨著數字訊號處理(DSP)、光器件製造等技術的成熟，基於這些技術的相干光通訊，剛好適合打破長距離大頻寬光纖通訊的技術瓶頸。

於是乎，順理成章地，相干光通訊從幕後走向了臺前，迎來了自己的“第二春”。

█ 相干光通訊的技術原理

接下來進入硬核階段，我們詳細解析一下相干光通訊的技術原理。

前面小棗君和大家說了，相干光通訊主要利用了兩個關鍵技術，分別是相干調製和外差檢測。

我們先看看光傳送機這邊的相干調製。

在此前的文章(連結)中，小棗君介紹過光載波調製的內容。

我說過，在落後的IM-DD(強度調製-直接檢測)系統中，只能使用強度(幅度)調製的方式，透過電流改變鐳射強度，產生0和1，以此實現對光波進行調製。

直接調製，非常簡單，但是能力弱，問題多

而在相干光通訊系統中，除了可以對光進行幅度調製之外，還可以採用外調變的方式，進行頻率調製或相位調製，例如PSK、QPSK、QAM等。

更多的調製方式，不僅增加了資訊攜帶能力(單個符號可以表示更多的位元)，也適合工程上的靈活應用。

下面這張圖，就是一個外調變的示意圖：

相干光通訊的光傳送機(偏振QAM)

如圖所示，在傳送端，採用外調變方式，使用基於馬赫-曾德爾調製器(MZM)的IQ調製器，實現高階調製格式，將訊號調製到光載波上，傳送出去。(具體原理，還是請參考剛才的文章連結：連結)

到了接收端，正如前文所說，進入關鍵環節了。

首先，利用一束本機振盪產生的鐳射訊號(本振光)，與輸入訊號光在光混頻器中進行混頻，得到與訊號光的頻率、相位和振幅按相同規律變化的中頻訊號。

光接收機的大致結構

放大來看

這其實是一個“放大”的過程。

在相干光通訊系統中，經相干混合後的輸出光電流的大小，與訊號光功率和本振光功率的乘積成正比。由於本振光的功率遠大於訊號光的功率，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，非相干光通訊，是在傳輸過程中，使用很多的放大器，不斷中繼和放大訊號。而相干光通訊，直接在接收端，對微弱的到達訊號進行混頻放大。這就是相干光通訊技術的本質。

混頻之後，用平衡接收機進行檢測。

根據本振光訊號頻率與訊號光頻率的不等或相等，相干光通訊可分為外差檢測、內差檢測、零差檢測。

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

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

零差檢測相干光通訊，光訊號經光電檢波器後被直接轉換成基帶訊號，不需要進行二次解調。但它要求本振光頻率與訊號光頻率要求嚴格匹配，並且要求本振光與訊號光的相位鎖定。

接下來，是同樣非常重要的數字訊號處理(DSP)環節了。

光訊號在光纖鏈路中傳輸時，會產生失真，也就是不利的變化。

數字訊號處理技術，說白了，就是利用數字訊號比較容易處理的特點，去對抗和補償失真，降低失真對系統誤位元速率的影響。

它開創了光通訊系統的數字時代，是相干光通訊技術的重要支撐。

數字訊號處理(DSP)技術，不僅用於接收機，也用於傳送機。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技術進行了各種訊號補償處理，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各模組的作用

傳統的非相干光通訊，是要透過光路補償器件，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組(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，更多的演算法和功能在不斷的加入，如非線性補償技術、多編碼調製解調技術。

常用的補償演算法

DSP處理之後，就輸出了最終的電訊號。

接下來，我們透過一個100G相干傳輸的案例，回顧一下整個過程。

圖片來自網路

在這個案例中，傳送端採用了ePDM-QPSK高階調製，接收端採用了相干檢測接收技術。

具體過程如下：

1、經過數字訊號處理和數模轉換後的112Gbps訊號碼流，進入光傳送端後，經過“序列-並行”轉換，變成4路28Gbps的訊號;

2、鐳射器發射的訊號，透過偏振分束器，變成x、y兩個垂直方向偏振的光訊號;

3、透過MZM調製器組成的高階調製器，對x、y偏振方向的光訊號進行QPSK高階調製;

4、調製好的偏振光訊號，透過偏振合波器，合路到一根光纖上，進行傳輸;

5、接收端收到訊號後，將訊號分離到X、Y兩個垂直的偏振方向上;

6、透過相干檢測接收，X、Y兩個垂直方面偏振的訊號，變成電流/電壓訊號;

7、透過ADC模數轉換，將電流電壓訊號變成0101...這樣的數字碼流;

8、透過數字訊號處理，去除色散、噪聲、非線性等干擾因素，還原出112Gbps的電訊號碼流，結束。

█ 相干光通訊的其它支撐技術

相干光通訊的效能強大，但是系統複雜度高，技術實現難度大。

非相干光 VS 相干光(圖片來自通訊百科)

想要實現相干光通訊的實際應用，還要依賴以下幾項技術：

偏振保持技術

在相干光通訊中，相干檢測要求訊號光與本振光的偏振方向相同，即兩者的電向量方向必須相同，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，只有訊號光電向量在本振光電向量方向上的投影，才能真正對混頻產生的中頻訊號電流有貢獻。

為了保證搞靈敏度，必須採取光波偏振穩定措施。

目前主要有兩種方法：

一，採用“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，會由於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，但是在接收端採用偏振分集技術。

頻率穩定技術

在相干光通訊中，半導體鐳射器的頻率穩定性非常重要。而鐳射器的頻率，對工作溫度與電流變化非常敏感。

如果鐳射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，進而提升誤位元速率。

頻譜壓縮技術

在相干光通訊中，光源的頻譜寬度也非常重要。

只有保證光波的窄線寬，才能克服半導體鐳射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。

為了滿足相干光通訊對光源譜寬的要求，通常會採取譜寬壓縮技術。

█ 相干光通訊的應用

看到這裡，大家對相干光通訊技術的特點應該是非常瞭解了。

簡而言之，它是一種先進且複雜的光傳輸系統，適用於更長距離、更大容量的資訊傳輸。

在光纖的長距離傳輸中，一般每80km的跨度，就會採用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

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

在現實應用中，相干光通訊可以用於現有骨幹網WDM波長分波多工系統的升級，也可以用於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訊的引入。

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

資料中心

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

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

光載波的傳送頻寬大、質量體積小、功耗低、抗干擾和抗截獲效能強，非常適合用於衛星通訊。相干光通訊技術，已經成為衛星通訊領域的“潛力股”。

█ 結語

總而言之，相干光通訊技術的迴歸和普及，有利於進一步挖掘光通訊的效能潛力，提升極限頻寬，降低部署成本。

目前，相干光通訊技術的研究還在持續進行中。相干光模組工藝複雜、體積大、功耗大的問題，並沒有得到徹底的解決。針對相干光通訊各個關鍵環節的技術創新，還有很大的空間。

未來，相干光通訊究竟會走向何方?讓我們拭目以待吧。