相干光通信

在相干光通信中主要利用了相干調製和外差檢測技術。所謂相干調製，就是利用要傳輸的信號來改變光載波的頻率、相位和振幅（而不象強度檢測那樣只是改變光的強度），這就需要光信號有確定的頻率和相位（而不象自然光那樣沒有確定的頻率和相位），即應是相干光。雷射就是一種相干光。所謂外差檢測，就是利用一束本機振蕩產生的雷射與輸入的信號光在光混頻器中進行混頻，得到與信號光的頻率、位相和振幅按相同規律變化的中頻信號。

基本介紹

• 中文名：相干光通信
• 技術：相干調製和外差檢測技術
• 類型：通信
• 優點：靈敏度高，中繼距離長

發展過程

光通信領域

在光通信領域，更大的頻寬、更長的傳輸距離、更高的接收靈敏度，永遠都是科研者的追求目標。儘管波分復用（WDM）技術和摻鉺光纖放大器（EDFA）的套用已經極大的提高了光通信系統的頻寬和傳輸距離，伴隨著視頻會議等通信技術的套用和網際網路的普及產生的信息爆炸式增長，對作為整個通信系統基礎的物理層提出了更高的傳輸性能要求。光通信系統採用強度調製/直接檢測(IM/DD)，即傳送端調製光載波強度，接收機對光載波進行包絡檢測。儘管這種結構具有簡單、容易集成等優點，但是由於只能採用ASK調製格式，其單路信道頻寬很有限。因此這種傳統光通信技術勢必會被更先進的技術所代替。然而在通信泡沫破滅的今天，新的光通信技術的套用不可避免的會帶來對新型通信設備的需求，面對居高不下的光器件價格，大規模通信設備更換所需要的高額成本，是運營商所不能接受的，因此對設備製造商而言，光纖通信新技術的研發也面臨著很大的風險。如何在現有的設備基礎上提高光通信系統的性能成為了切實的問題。在這樣的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技術，再一次被放到了桌面上。

相干光通信

相干光通信的理論和實驗始於80年代。由於相干光通信系統被公認為具有靈敏度高的優勢，各國在相干光傳輸技術上做了大量研究工作。經過十年的研究，相干光通信進入實用階段。英美日等國相繼進行了一系列相干光通信實驗。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里樞紐站間先後進行了1.3μm和1.55μm波長的1.7Gbit/s FSK現場無中繼相干傳輸實驗，相距35公里，接收靈敏度達到-41.5dBm。NTT公司於1990年在瀨戶內陸海的大分—尹予和吳站之間進行了2.5Gbit/s CPFSK相干傳輸實驗，總長431公里。直到19世紀80年代末，EDFA和WDM技術的發展，使得相干光通信技術的發展緩慢下來。在這段時期，靈敏度和每個通道的信息容量已經不再備受關注。然而，直接檢測的WDM系統經過二十年的發展和廣泛套用後，新的徵兆開始出現，標誌著相干光傳輸技術的套用將再次受到重視。在數字通信方面，擴大C波段放大器的容量，克服光纖色散效應的惡化，以及增加自由空間傳輸的容量和範圍已成為重要的考慮因素。在模擬通信方面，靈敏度和動態範圍成為系統的關鍵參數，而他們都能通過相關光通信技術得到很大改善。

數字傳輸系統中

在數字傳輸系統中， DPSK和DQPSK的使用已經非常普遍，這就標誌著採用相位敏感的編碼和傳輸技術將成為一種趨勢。而檢測靈敏度和頻譜效率是這種趨勢的關鍵所在。其他影響選擇檢測方案的因素還包括物理層的安全可靠性和網路的自適應性，兩者都可得益於採用相干光技術的幅度，頻率和偏振編碼。相干模擬傳輸與非相干傳輸相比，也同樣具有很大的優勢，其中在動態範圍方面最為顯著。雖然模擬通信不及數字通信套用廣泛，但是模擬傳輸在很多特殊環境套用上有很重要的作用。

同時，在這短短的二十年中，在光器件方面取得了很大的進步，其中雷射器的輸出功率，線寬，穩定性和噪聲，以及光電探測器的頻寬，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波電子器件的性能也大幅提高。這些進步使得相干光通信系統商用化變為可能。

工作原理

在傳送端，採用外調製方式將信號調製到光載波上進行傳輸。當信號光傳輸到達接收端時，首先與一本振光信號進行相干耦合，然後由平衡接收機進行探測。相干光通信根據本振光頻率與信號光頻率不等或相等，可分為外差檢測和零差檢測。前者光信號經光電轉換後獲得的是中頻信號，還需二次解調才能被轉換成基帶信號。後者光信號經光電轉換後被直接轉換成基帶信號，不用二次解調，但它要求本振光頻率與信號光頻率嚴格匹配，並且要求本振光與信號光的相位鎖定。

主要優點

靈敏度高，中繼距離長

相干光通信的一個最主要的優點是相干檢測能改善接收機的靈敏度。在相同的條件下，相干接收機比普通接收機提高靈敏度約20dB，可以達到接近散粒噪聲極限的高性能，因此也增加了光信號的無中繼傳輸距離。

相干光通信

選擇性好，通信容量大

相干光通信的另一個主要優點是可以提高接收機的選擇性。在直接探測中, 接收波段較大，為抑制噪聲的干擾，探測器前通常需要放置窄帶濾光片, 但其頻帶仍然很寬。在相干外差探測中，探測的是信號光和本振光的混頻光，因此只有在中頻頻帶內的噪聲才可以進入系統，而其它噪聲均被頻寬較窄的微波中頻放大器濾除。可見，外差探測有良好的濾波性能，這在星間光通信的套用中會發揮重大作用。此外，由於相干探測優良的波長選擇性，相干接收機可以使頻分復用系統的頻率間隔大大縮小，即密集波分復用（DWDM），取代傳統光復用技術的大頻率間隔，具有以頻分復用實現更高傳輸速率的潛在優勢。

具有多種調製方式

在傳統光通信系統中，只能使用強度調製方式對光進行調製。而在相干光通信中，除了可以對光進行幅度調製外，還可以使用PSK、DPSK、QAM等多種調製格式，利於靈活的工程套用，雖然這樣增加了系統的複雜性，但是相對於傳統光接收機只回響光功率的變化，相干探測可探測出光的振幅、頻率、位相、偏振態攜帶的所有信息，因此相干探測是一種全息探測技術，這是傳統光通信技術不具備的。

關鍵技術

為了實現準確、有效、可靠的相干光通信，應採用以下關鍵技術。

外光調製技術

由於半導體雷射器光載波的某一參數直接調製時，總會附帶對其他參數的寄生振盪，如ASK直接調製伴隨著相位的變化，而且調製深度也會受到限制。另外，還會遇到頻率特性不平坦及張遲振盪等問題。因此，在相干光通信系統中，除FSK 可以採用直接注入電流進行頻率調製外，其他都是採用外光調製方式。

相干光通信

外光調製是根據某些電光或聲光晶體的光波傳輸特性隨電壓或聲壓等外界因素的變化而變化的物理現象而提出的。外光調製器主要包括三種：利用電光效應製成的電光調製器、利用聲光效應製成的聲光調製器和利用磁光效應製成的磁光調製器。採用以上外調製器，可以完成對光載波的振幅、頻率和相位的調製。對外光調製器的研究比較廣泛，如利用T1擴散LiNbO3馬赫干涉儀或定向耦合式的調製器可實現ASK 調製，利用量子阱半導體相位外調製器或LiNbO3相位調製器實現PSK調製等。

偏振保持技術

在相干光通信中，相干探測要求信號光束與本振光束必須有相同的偏振方向，也就是說，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。否則，會使相干探測靈敏度下降。因為在這種情況下，只有信號光波電矢量在本振光波電矢量方向上的投影，才真正對混頻產生的中頻信號電流有貢獻。若失配角度超過60°，則接收機的靈敏度幾乎得不到任何改善，從而失去相干接收的優越性。因此，為了充分發揮相干接收的優越性，在相干光通信中應採取光波偏振穩定措施。主要有兩種方法：一是採用“保偏光纖”使光波在傳輸過程中保持光波的偏振態不變。而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。“保偏光纖”與單模光纖相比，其損耗比較大，價格比較昂貴。二是使用普通的單模光纖，在接收端採用偏振分集技術，信號光與本振光混合後首先分成兩路作為平衡接收，對每一路信號又採用偏振分束鏡分成正交偏振的兩路信號分別檢測，然後進行平方求和，最後對兩路平衡接收信號進行判決，選擇較好的一路作為輸出信號。此時的輸出信號已與接收信號的偏振態無關，從而消除了信號在傳輸過程中偏振態的隨機變化。

頻率穩定技術

在相干光通信中，雷射器的頻率穩定性是相當重要的。如，對於零差檢測相干光通信系統來說，若雷射器的頻率(或波長)隨工作條件的不同而發生漂移，就很難保證本振光與接收光信號之間的頻率相對穩定性。外差相干光通信系統也是如此。一般外差中頻選擇在0。2～2 GHz之間，當光載波的波長為1。5 μm時，其頻率為200 THz，中頻為載頻的 10-6～10-5。光載波與本振光的頻率只要產生微小的變化，都將對中頻產生很大的影響。因此，只有保證光載波振盪器和光本振振盪器的高頻率穩定性，才能保證相干光通信系統的正常工作。

雷射器的頻率穩定技術主要有三種：

(1)將雷射器的頻率穩定在某種原子或分子的諧振頻率上。在1.5μm波長上，已經利用氨、氪等氣體分子實現了對半導體雷射器的頻率穩定；

(2) 利用光生伏特效應、鎖相環技術、主雷射器調頻邊帶的方法實現穩頻；

(3)利用半導體雷射器工作溫度的自動控制、注入電流的自動控制等方法實現穩頻。

頻譜壓縮技術

在相干光通信中，光源的頻譜寬度也是非常重要的。只有保證光波的窄線寬，才能克服半導體雷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。

相干光通信

為了滿足相干光通信對光源譜寬的要求，通常採取譜寬壓縮技術。主要有兩種實現方法：

(1) 注入鎖模法，即利用一個以單模工作的頻率穩定、譜線很窄的主雷射器的光功率，注入到需要寬度壓縮的從雷射器，從而使從雷射器保持和主雷射器一致的譜線寬度、單模性及頻率穩定度；

(2) 外腔反饋法。外腔反饋是將雷射器的輸出通過一個外部反射鏡和光柵等色散元件反射回腔內，並用外腔的選模特性獲得動態單模運用以及依靠外腔的高Q值壓縮譜線寬度。

非線性串擾控制技術

由於在相干光通信中，常採用密集頻分復用技術。因此，光纖中的非線性效應可能使相干光通信中的某一信道的信號強度和相位受到其他信道信號的影響，而形成非線性串擾。光纖中對相干光通信可能產生影響的非線性效應包括受激拉曼散射(SRS)、受激布里淵散射(SBS)、非線性折射和四波混合。由於SRS的拉曼增益譜很寬(～10 THz)，因此當信道能量超過一定值時，多信道復用相干光通信系統中必然出現高低頻率信道之間的能量轉移，而形成信道間的串擾，從而使接收噪聲增大，接收機靈敏度下降。SBS的閾值為幾 mW，增益譜很窄，若信道功率小於一定值時，並且對信號載頻設計的好，可以很容易地避免 SBS引起的串擾。但SBS 對信道功率卻構成了限制。光纖中的非線性折射通過自相位調製效應而引起相位噪聲，在信號功率大於10 mW 或採用光放大器進行長距離傳輸的相干光通信系統中要考慮這種效應。當信道間隔和光纖的色散足夠小時，四波混頻的相位條件可能得到滿足，FWM成為系統非線性串擾的一個重要因素。FWM 是通過信道能量的減小和使信道受到干擾而構成對系統性能的限制。當信道功率低到一定值時，可避免FWM 引起對系統的影響。由於受到上述這些非線性因素的限制，採用密集頻分復用的相干光通信系統的信道發射功率通常只有零點幾毫瓦。

除了以上關鍵技術外，對於本振光和信號光之間產生的相位漂移，在接收端還可採用相位分集接收技術以消除相位噪聲；為了減小本振光的相對強度噪聲對系統的影響，可以採用雙路平衡接收技術；零差檢測中為保證本振光與信號光同步而採用的光鎖相環技術，以及用於本振頻率穩定的AFC等。

40G&100G相干光通信系統

40G/100G相干光傳輸系統的組成如圖所示。

100G相干光傳輸系統組成示意圖

40G相干光傳輸系統組成示意圖

在傳送端，就像為方便貨物運輸時，需要將貨物放到貨櫃，客戶側40 G/100 G信號也需要裝到OTU3/OTU4信號“貨櫃”。OTU3/OTU4其實就是大小不一樣的信號貨櫃，其中OTU3可以裝40 G的信號，OTU4可以裝100 G的信號。雷射器發出的雷射被偏振分光器分成X、Y兩個垂直方向的偏振光。

對於100G相干光傳輸系統，OTU4信號轉換為4路信號，分別對兩個偏振方向的雷射信號進行PM-QPSK調製，調製後的偏振光經偏振合波器合成一束雷射，傳到光纖線路，並送到遠端。類似，對於40G相干光傳輸系統，OTU3信號轉換為2路信號，分別對兩個偏振方向的雷射信號進行PM-BPSK調製。PM-QPSK(Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying，偏振復用正交相移鍵控)和PM-BPSK（Polarization Multiplexed Binary Phase Shift Keying，偏振復用的二進制相移鍵控）都是將信息信號轉換成適合線路傳輸信號的方式。這裡就不深入探討了，有興趣了解的讀者，可以查閱數字調製技術中的相關技術書籍。

在接收端，接收到的信號光經偏振分光器被分到X和Y兩個偏振方向。本振雷射器也分出X和Y兩個方向的偏振光，與接收的信號光進行相干。相干後的信號經光電轉換和ADC（Analog to Digital Converter，數模轉換器）模組的模數處理後，進入DSP(Digital Signal Processing，數位訊號處理)模組。DSP模組對光路上出現的色散、偏振模色散等信號畸變進行數位化補償，在以後恢復出原始信號。

採用了相干接收技術，40G/100G相干光傳輸系統無需配置固定的色散補償模組（DCM）和可調色散補償模組（TDCM），減少系統中光纖放大器的配置，無需進行光纖鏈路長度和色散的精細測量，不僅降低系統配置成本和人力投入，而且提升光纖傳輸網路性能。

40G/100G相干信號可以與傳統10G/40G波長信號混合傳送，實現配置了DCM的傳統網路平滑升級到40G/100G相干網路。

廣泛套用

相干光通信得到迅速的發展，特別是對於超長波長(2～10 μm)光纖通信來說，相干光通信最具吸引力。因為在超長波段，由瑞利散射決定的光纖固有損耗將進一步大幅度降低(瑞利散射損耗與1/λ?4成正比)，故從理論上講，在超長波段可實現光纖跨洋無中繼通信。而在超長波段，直接探測接收機的性能很差，於是相干探測方式自然而然地成為唯一的選擇了。

超長波長光纖通信系統是以超長波長光纖作為傳輸介質，利用相干光通信技術實現超長距離通信。在該系統中超長波長光纖是至關重要的。它是一種更為理想的傳輸媒介，其主要特性是損耗特低，只有石英材料的千萬分之一。因此，超長波長光纖可以實現數萬公里傳輸，而不要中繼站。它可以大幅度降低通信成本，提高系統的穩定性和可靠性，對海底通信和沙漠地區更具有特別重要的意義。

研究的超長波長光纖主要是氟化物玻璃光纖，其理論損耗值非常低，如Ba-F2-Gd-ZrF4-ALF3光纖在3μm左右的理論最低損耗為10-3dB/km，GaF2-BaF2-YF2-ALF3光纖的透明範圍為27μm，在3μm左右的最低理論損耗為10-2dB/km。

從光纖的色散特性來看，氟化玻璃材料光纖也可以實現零色散。例如，由鎬、鋁和鑭組成的氟化物光纖，在1.7μm可實現零色散，在4μm波長的色散也很小，只有45ps/nm km。而且，氟化物玻璃光纖在較寬的波長范內，比石英光纖的色散要低。這樣，可在大範圍內實現波份復用。

隨著光纖通信技術的發展，利用超長波長光纖實現超長距離通信是今後光纖通信發展的重要方向之一。但是，超長波長光纖通信系統還存在許多需要進一步解決的技術問題，如超長波長光纖的材料提純與拉制，採用相干光通信技術所要求的超長波長光源及超長波長相干光電檢波器等。

除以上套用外，由於相干光通信的出色的信道選擇性和靈敏度，在頻分復用CATV分配網中也得到了廣泛的套用。

研究現狀

簡介

相干光通信技術經過二十年的蟄伏期，越來越受到國際學術界的關注。從2005年現在，每年都有大量關於相干光通信技術的文章在國際高水平會議和期刊上發表，內容包括各種新型調製碼型，如正交頻分復用（OFDM）、偏振差分四相移相鍵控（POLMUX-DQPSK），相干光通信關鍵技術的研究，相干光通信中的高速數位訊號處理，以及相干光接收機集成化的研究等。此類研究多集中於美國、日本、德國、荷蘭、英國等已開發國家，中國也有相關研究文章發表，但數量較少。相干光通信方面的理論研究正在逐年升溫，商品化研發也在緩慢進行。2006年美國DISCOVERY公司推出了頻寬2.5Gbit/s及10Gbit/s的外差檢測相干光接收機，在頻寬為10Gbit/s誤碼率為10-9時靈敏度可達-30dBm，集成的相干接收機體積比普通電腦機箱小，便於運輸和野外工作。相干光通信的一些關鍵器件及技術也在近幾年得到了很大的發展，如DISCOVERY、德國u2t等公司可提供高速高輸入功率的平衡接收機。

相干光通信

發展

雖然相干光通信系統的潛在優勢使它具備取代傳統光通信系統的可能，但是其實用化研究多集中在特殊環境的套用，如跨洋通信、沙漠通信、星間通信等。傳統光通信系統需要使用大量EDFA、SOA等中繼設備，但是在海底和沙漠等條件非常惡劣的環境中，這些精密設備容易損壞，且修理和更換費用昂貴。相干光通信由於其無中繼距離遠大於傳統光通信系統，可以大量減少中繼設備，降低維護和修理費用。此外，相干光通信一大熱點在於星間光鏈路通信。理論上，與RF載波相比，光載波在衛星通信中具有極強的優勢，包括傳送頻寬大、質量體積功耗小等，通信光極窄的波束寬度也帶來了很好的抗干擾和抗截獲性能，可以極大地提高通信系統的信息安全。因此，相干光通信技術是星間雷射通信鏈路技術發展極具潛力的選擇。在1980-1995年間，相干光通信是國際光通信領域的研究熱點。1995年前後，隨著EDFA和WDM的成熟，在光纖通信的商用領域，傳統光通信系統已足以保證通信性能，而在無法使用EDFA做中繼的星間光通信領域，相干光技術則一直被視為滿足功率受限的衛星光通信系統的高靈敏度高頻寬要求的必然選擇，國外對此進行了大量的研究。1997年開始，ESA與德國航天中心合作進行OGS研究項目，研究星地雷射通信中光學地面站的1.06μm光外差探測技術。日本國家宇宙開發事業團自1998年以來進行了大量星間相干光通信的研究，對各種相干通信方案進行了星間通信的對比研究。從1999年左右，加州理工JPL實驗室重點研究通過相干光通信技術擴展星間光通信鏈路的信道容量。與此同時，麻省理工林肯實驗室研究了各種相干通信方案在LEO星間平台振動條件下的信噪比、誤碼率等通信性能，並提出了發射功率自適應技術方案，其實驗裝置通信距離3000km，誤碼率1.0E-6.碼速率2Gbit/s。

總結

總之，相干光通信技術還有很多方向需要更多的研究，大規模的套用也不會在短期內出現。但是需求決定市場，在不久的將來，傳統光通信系統過於簡單的結構必定無法滿足高速增長的頻寬需求，而相干光通信技術作為一個研究相對成熟，潛在優勢明顯的選擇，必定會受到學術界和企業越來越多的關注。