什么是相干光通信？它的技术原理有哪些？

什么是相干光通信

相干光通信是指充分利用光纤通信的带宽，将无线电数字通信系统中外差检测的相干通信方式应用于光纤通信，在光纤通信系统中采用外差或零差检测方式，显著提高接收灵敏度和选择性。相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。

相干光通信的工作原理

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。

相干光通信的优点

相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点.与IM—DD系统相比，具有以下独特的优点.

1.灵敏度高，中继距离长

相干光通信的一个最主要的优点是相干探测能改善接收机的灵敏度.在相干光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比;由于本振光功率远大于信号光功率，从而使接收机的灵敏度大大提高，以致于可以达到探测器的点噪声极限，并因此也增加了光信号的传输距离.

2.选择性好，通信容量大

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，从而可充分利用光纤的低损耗光谱区(1.25～1.6/an)，提高光纤通信系统的信息容量.如利用相干光通信可实现信道间隔小于l～l0GHz的密集频分复用，充分利用了光纤的传输带宽，可实现超高容量的信息传输.

3.可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应

如将外差检测相干光通信中的中频滤波器的传输函数正好与光纤的传输函数相反，即可降低光纤色散对系统的影响.

4.具有多种调制方式.

在直接检测系统中，只能使用强度调制方式对光波进行调制.而在相干光通信中，除了可以对光波进行幅度调制外，还可以进行频率调制或相位调制，如ASK、FSK、PSK、DPSK、CPFSK等，具有多种调制方式.

在光通信行业里，我们经常听到400G和100G传输，而相干光通信和PAM4传输技术在数据中心及网络基础设施中是当下实现这两种速率的主要技术方向。按照这两种技术各自的优势，它们分别在线路侧骨干网传输和客户侧模块发挥着各自的优势。PAM4传输技术之前小K普及过很多次了，那么相干又怎么理解呢?

从传输技术来看，有三个维度可以用来增加传输的信息量：

更高符号速率 10 GBaud/s → 25 GBaud/s → 56G Baud/s……;

更多并行通道数 波分复用或者多路光纤1x → 4x → 8x → 32x……;

高阶复杂调制 如 PAM-4，QPSK，16QAM，64QAM……

PAM4可以看作是一种高阶幅度调制，在相同的符号速率下可以传输NRZ信号两倍的比特位数，而相干光通信则利用光波的更多维度，偏振，幅度，相位和频率来承载更多的调制信息，从而扩充了传输容量。

首先采用复杂调制的相干光通信节省了光带宽资源，提升了光纤传输效率，是进一步提高传输带宽的选择。传统概念上光纤的带宽是不受限制的，然而随着速率的提升和波分复用技术的实施，我们还是遇到了瓶颈。

左 右

左图 可以看到随着信号速率的提高，光信号的频谱也在变宽。当符号率提升至40 GBaud甚至100 GBaud时，OOK(把一个幅度取为0，另一个幅度为非0，就是OOK，On-Off Keying，该调制方式的实现简单)，信号占用的带宽变得大于50-GHz ITU信道的带宽。从图中可以看出，频谱加宽的信道开始与它们的相邻信道重叠，导致串扰的出现。

右图 给出了使用多种不同技术的组合如何提高频谱效率的想法。 举例来说，与NRZ-OOK调制格式相比，使用QPSK可以将符号利用率提升两倍。这样我们就使用一半的符号率传输同样速率的数据，占用的光谱带宽也减少了一半。然后通过上面我们说过的偏振复用PDM可以在同一个波长传递两个并行偏振通道，相当于提升两倍频谱效率。通过QPSK高阶调制和PDM偏振复用技术，我们将单波长通道的光信号频谱占用减小到了原来的四分之一。 后再利用脉冲整形滤波器进一步缩小占用频谱之后，可以在50GHz带宽的信道中传输112Gbps的数据。

02

光相干接收机的另一个优点是数字信号处理功能。数字相干接收机的解调过程是完全线性的;所有传输光信号的复杂幅度信息包括偏振态在检测后被保存分析，因此可以进行各种信号补偿处理，比如做色度色散补偿和偏振模式色散补偿。这就使得长距离传输的链路设计变得更加简单，因为传统的非相干光通信是要通过光路补偿器件来进行色散补偿等工作的。(传统传输链路的色散问题，即光信号各个组成成分在光纤中传输时，抵达时间不一样。)

图(2)

03

相干接收机比普通的接收机灵敏度高大约20dB,因此在传输系统中无中继的距离就会越长。得益于接收机的高灵敏度，我们可以减少在长距离传输光路上进行放大的次数。

基于以上原因，相干光通信可以减少长距离传输的光纤架设成本，简化光路放大和补偿设计，因此在长距离传输网上成为了主要的应用技术。