什么是相干光通信？它的技術(shù)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纖通信的帶寬，將無(wú)線電數(shù)字通信系統(tǒng)中外差檢測(cè)的相干通信方式應(yīng)用于光纖通信，在光纖通信系統(tǒng)中采用外差或零差檢測(cè)方式，顯著提高接收靈敏度和選擇性。相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調(diào)性等特點(diǎn)。

相干光通信的工作原理

在發(fā)送端，采用外調(diào)制方式將信號(hào)調(diào)制到光載波上進(jìn)行傳輸。當(dāng)信號(hào)光傳輸?shù)竭_(dá)接收端時(shí)，首先與一本振光信號(hào)進(jìn)行相干耦合，然后由平衡接收機(jī)進(jìn)行探測(cè)。相干光通信根據(jù)本振光頻率與信號(hào)光頻率不等或相等，可分為外差檢測(cè)和零差檢測(cè)。前者光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得的是中頻信號(hào)，還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。后者光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，不用二次解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定。

相干光通信的優(yōu)點(diǎn)

相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調(diào)性等特點(diǎn).與IM—DD系統(tǒng)相比，具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn).

1.靈敏度高，中繼距離長(zhǎng)

相干光通信的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是相干探測(cè)能改善接收機(jī)的靈敏度.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;由于本振光功率遠(yuǎn)大于信號(hào)光功率，從而使接收機(jī)的靈敏度大大提高，以致于可以達(dá)到探測(cè)器的點(diǎn)噪聲極限，并因此也增加了光信號(hào)的傳輸距離.

2.選擇性好，通信容量大

相干光通信的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高接收機(jī)的選擇性，從而可充分利用光纖的低損耗光譜區(qū)(1.25～1.6/an)，提高光纖通信系統(tǒng)的信息容量.如利用相干光通信可實(shí)現(xiàn)信道間隔小于l～l0GHz的密集頻分復(fù)用，充分利用了光纖的傳輸帶寬，可實(shí)現(xiàn)超高容量的信息傳輸.

3.可以使用電子學(xué)的均衡技術(shù)來(lái)補(bǔ)償光纖中光脈沖的色散效應(yīng)

如將外差檢測(cè)相干光通信中的中頻濾波器的傳輸函數(shù)正好與光纖的傳輸函數(shù)相反，即可降低光纖色散對(duì)系統(tǒng)的影響.

4.具有多種調(diào)制方式.

在直接檢測(cè)系統(tǒng)中，只能使用強(qiáng)度調(diào)制方式對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制.而在相干光通信中，除了可以對(duì)光波進(jìn)行幅度調(diào)制外，還可以進(jìn)行頻率調(diào)制或相位調(diào)制，如ASK、FSK、PSK、DPSK、CPFSK等，具有多種調(diào)制方式.

在光通信行業(yè)里，我們經(jīng)常聽(tīng)到400G和100G傳輸，而相干光通信和PAM4傳輸技術(shù)在數(shù)據(jù)中心及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中是當(dāng)下實(shí)現(xiàn)這兩種速率的主要技術(shù)方向。按照這兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，它們分別在線路側(cè)骨干網(wǎng)傳輸和客戶(hù)側(cè)模塊發(fā)揮著各自的優(yōu)勢(shì)。PAM4傳輸技術(shù)之前小K普及過(guò)很多次了，那么相干又怎么理解呢?

從傳輸技術(shù)來(lái)看，有三個(gè)維度可以用來(lái)增加傳輸?shù)男畔⒘浚?

更高符號(hào)速率 10 GBaud/s → 25 GBaud/s → 56G Baud/s……;

更多并行通道數(shù) 波分復(fù)用或者多路光纖1x → 4x → 8x → 32x……;

高階復(fù)雜調(diào)制 如 PAM-4，QPSK，16QAM，64QAM……

PAM4可以看作是一種高階幅度調(diào)制，在相同的符號(hào)速率下可以傳輸NRZ信號(hào)兩倍的比特位數(shù)，而相干光通信則利用光波的更多維度，偏振，幅度，相位和頻率來(lái)承載更多的調(diào)制信息，從而擴(kuò)充了傳輸容量。

首先采用復(fù)雜調(diào)制的相干光通信節(jié)省了光帶寬資源，提升了光纖傳輸效率，是進(jìn)一步提高傳輸帶寬的選擇。傳統(tǒng)概念上光纖的帶寬是不受限制的，然而隨著速率的提升和波分復(fù)用技術(shù)的實(shí)施，我們還是遇到了瓶頸。

左 右

左圖 可以看到隨著信號(hào)速率的提高，光信號(hào)的頻譜也在變寬。當(dāng)符號(hào)率提升至40 GBaud甚至100 GBaud時(shí)，OOK(把一個(gè)幅度取為0，另一個(gè)幅度為非0，就是OOK，On-Off Keying，該調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單)，信號(hào)占用的帶寬變得大于50-GHz ITU信道的帶寬。從圖中可以看出，頻譜加寬的信道開(kāi)始與它們的相鄰信道重疊，導(dǎo)致串?dāng)_的出現(xiàn)。

右圖 給出了使用多種不同技術(shù)的組合如何提高頻譜效率的想法。 舉例來(lái)說(shuō)，與NRZ-OOK調(diào)制格式相比，使用QPSK可以將符號(hào)利用率提升兩倍。這樣我們就使用一半的符號(hào)率傳輸同樣速率的數(shù)據(jù)，占用的光譜帶寬也減少了一半。然后通過(guò)上面我們說(shuō)過(guò)的偏振復(fù)用PDM可以在同一個(gè)波長(zhǎng)傳遞兩個(gè)并行偏振通道，相當(dāng)于提升兩倍頻譜效率。通過(guò)QPSK高階調(diào)制和PDM偏振復(fù)用技術(shù)，我們將單波長(zhǎng)通道的光信號(hào)頻譜占用減小到了原來(lái)的四分之一。 后再利用脈沖整形濾波器進(jìn)一步縮小占用頻譜之后，可以在50GHz帶寬的信道中傳輸112Gbps的數(shù)據(jù)。

02

光相干接收機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)處理功能。數(shù)字相干接收機(jī)的解調(diào)過(guò)程是完全線性的;所有傳輸光信號(hào)的復(fù)雜幅度信息包括偏振態(tài)在檢測(cè)后被保存分析，因此可以進(jìn)行各種信號(hào)補(bǔ)償處理，比如做色度色散補(bǔ)償和偏振模式色散補(bǔ)償。這就使得長(zhǎng)距離傳輸?shù)逆溌吩O(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的非相干光通信是要通過(guò)光路補(bǔ)償器件來(lái)進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)裙ぷ鞯摹?傳統(tǒng)傳輸鏈路的色散問(wèn)題，即光信號(hào)各個(gè)組成成分在光纖中傳輸時(shí)，抵達(dá)時(shí)間不一樣。)

圖(2)

03

相干接收機(jī)比普通的接收機(jī)靈敏度高大約20dB,因此在傳輸系統(tǒng)中無(wú)中繼的距離就會(huì)越長(zhǎng)。得益于接收機(jī)的高靈敏度，我們可以減少在長(zhǎng)距離傳輸光路上進(jìn)行放大的次數(shù)。

基于以上原因，相干光通信可以減少長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓饫w架設(shè)成本，簡(jiǎn)化光路放大和補(bǔ)償設(shè)計(jì)，因此在長(zhǎng)距離傳輸網(wǎng)上成為了主要的應(yīng)用技術(shù)。