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、英國和日本等發達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（波分複用）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，通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，是要通過光路補償器件，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，我們通過一個 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，通過偏振分束器，變成 x、y 兩個垂直方向偏振的光訊號；

3、通過 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，通過偏振合波器，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、通過相干檢測接收，X、Y 兩個垂直方面偏振的訊號，變成電流 / 電壓訊號；

7、通過 ADC 模數轉換，將電流電壓訊號變成 0101... 這樣的數字碼流；

8、通過數字訊號處理，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 波分複用系統的升級，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。

參考文獻：

1、相干光通訊技術，徐飛；

2、什麼是相干光通訊和非相干光通訊，通訊百科；

3、知否，知否，什麼是相干光通訊，是德科技；

4、PM-16QAM 相干光通訊中偏振複用及追蹤技術的研究，張曼麗；

5、相干光通訊的使命和基本原理，知乎，白銀之魔女；

6、超越 100G 速率的相干光傳輸技術探討，易飛揚通訊；

7、何為相干光通訊系統，CSDN；

8、相干光通訊，百度百科詞條。