相干光通信的应用

（光纤在线特约编辑SPIE北邮学生俱乐部朱冉)在光通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接收灵敏度，永远都是科研者的追求目标。尽管波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的应用已经极大的提高了光通信系统的带宽和传输距离，但是近十年来伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。目前光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用ASK调制格式，其单路信道带宽很有限。因此这种传统光通信技术势必会被更先进的技术所代替。然而在通信泡沫破灭的今天，新的光通信技术的应用不可避免的会带来对新型通信设备的需求，面对居高不下的光器件价格，大规模通信设备更换所需要的高额成本，是运营商所不能接受的，因此对设备制造商而言，光纤通信新技术的研发也面临着很大的风险。如何在现有的设备基础上提高光通信系统的性能成为了切实的问题。在这样的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技术，再一次被放到了桌面上。
    相干光通信的理论和实验始于80年代。由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高的优势，各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。经过十年的研究，相干光通信进入实用阶段。英美日等国相继进行了一系列相干光通信实验。AT&T及Bell公司于1989和1990年在宾州的罗灵—克里克地面站与森伯里枢纽站间先后进行了1.3μm和1.55μm波长的1.7Gbit/s FSK现场无中继相干传输实验，相距35公里，接收灵敏度达到-41.5dBm。NTT公司于1990年在濑户内陆海的大分—尹予和吴站之间进行了2.5Gbit/s CPFSK相干传输实验，总长431公里。直到19世纪80年代末，EDFA和WDM技术的发展，使得相干光通信技术的发展缓慢下来。在这段时期，灵敏度和每个通道的信息容量已经不再备受关注。然而，直接检测的WDM系统经过二十年的发展和广泛应用后，新的征兆开始出现，标志着相干光传输技术的应用将再次受到重视。在数字通信方面，扩大C波段放大器的容量，克服光纤色散效应的恶化，以及增加自由空间传输的容量和范围已成为重要的考虑因素。在模拟通信方面，灵敏度和动态范围成为系统的关键参数，而他们都能通过相关光通信技术得到很大改善。
    在数字传输系统中， DPSK和DQPSK的使用已经非常普遍，这就标志着采用相位敏感的编码和传输技术将成为一种趋势。而检测灵敏度和频谱效率是这种趋势的关键所在。其他影响选择检测方案的因素还包括物理层的安全可靠性和网络的自适应性，两者都可得益于采用相干光技术的幅度，频率和偏振编码。相干模拟传输与非相干传输相比，也同样具有很大的优势，其中在动态范围方面最为显著。虽然模拟通信不及数字通信应用广泛，但是模拟传输在很多特殊环境应用上有很重要的作用。
    同时，在这短短的二十年中，在光器件方面取得了很大的进步，其中激光器的输出功率，线宽，稳定性和噪声，以及光电探测器的带宽，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波电子器件的性能也大幅提高。这些进步使得相干光通信系统商用化变为可能。

1．相干光通信的基本工作原理：

    相干光通信系统的基本结构如下图所示。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。 
          

2.相干光通信的主要优点：

(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检测能改善接收机的灵敏度。在相同的条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约20dB，可以达到接近散粒噪声极限的高性能，因此也增加了光信号的无中继传输距离。
(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。在直接探测中, 接收波段较大，为抑制噪声的干扰，探测器前通常需要放置窄带滤光片, 但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的噪声才可以进入系统，而其它噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好的滤波性能，这在星间光通信的应用中会发挥重大作用。此外，由于相干探测优良的波长选择性，相干接收机可以使频分复用系统的频率间隔大大缩小，即密集波分复用（DWDM），取代传统光复用技术的大频率间隔，具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。
(3)具有多种调制方式
    在传统光通信系统中，只能使用强度调制方式对光进行调制。而在相干光通信中，除了可以对光进行幅度调制外，还可以使用PSK、DPSK、QAM等多种调制格式，利于灵活的工程应用，虽然这样增加了系统的复杂性，但是相对于传统光接收机只响应光功率的变化，相干探测可探测出光的振幅、频率、位相、偏振态携带的所有信息，因此相干探测是一种全息探测技术，这是传统光通信技术不具备的。

3.相干光通信技术的研究现状：

    相干光通信技术经过近二十年的蛰伏期，在最近几年越来越受到国际学术界的关注。从05年至今，每年都有大量关于相干光通信技术的文章在国际高水平会议和期刊上发表，内容包括各种新型调制码型，如正交频分复用（OFDM）、偏振差分四相移相键控（POLMUX-DQPSK），相干光通信关键技术的研究，相干光通信中的高速数字信号处理，以及相干光接收机集成化的研究等。此类研究多集中于美国、日本、德国、荷兰、英国等发达国家，中国也有相关研究文章发表，但数量较少。相干光通信方面的理论研究正在逐年升温，商品化研发也在缓慢进行。06年美国DISCOVERY公司推出了带宽2.5Gbit/s及10Gbit/s的外差检测相干光接收机，在带宽为10Gbit/s误码率为10-9时灵敏度可达-30dBm，集成的相干接收机体积比普通电脑机箱小，便于运输和野外工作。相干光通信的一些关键器件及技术也在近几年得到了很大的发展，如DISCOVERY、德国u2t等公司可提供高速高输入功率的平衡接收机。
    虽然相干光通信系统的潜在优势使它具备取代传统光通信系统的可能，但是目前其实用化研究多集中在特殊环境的应用，如跨洋通信、沙漠通信、星间通信等。传统光通信系统需要使用大量EDFA、SOA等中继设备，但是在海底和沙漠等条件非常恶劣的环境中，这些精密设备容易损坏，且修理和更换费用昂贵。相干光通信由于其无中继距离远大于传统光通信系统，可以大量减少中继设备，降低维护和修理费用。此外，相干光通信一大热点在于星间光链路通信。理论上，与RF载波相比，光载波在卫星通信中具有极强的优势，包括传送带宽大、质量体积功耗小等，通信光极窄的波束宽度也带来了很好的抗干扰和抗截获性能，可以极大地提高通信系统的信息安全。因此，相干光通信技术是星间激光通信链路技术发展极具潜力的选择。在1980-1995年间，相干光通信是国际光通信领域的研究热点。1995年前后，随着EDFA和WDM的成熟，在光纤通信的商用领域，传统光通信系统已足以保证通信性能，而在无法使用EDFA做中继的星间光通信领域，相干光技术则一直被视为满足功率受限的卫星光通信系统的高灵敏度高带宽要求的必然选择，国外对此进行了大量的研究。1997年开始，ESA与德国航天中心合作进行OGS研究项目，研究星地激光通信中光学地面站的1.06µm光外差探测技术。日本国家宇宙开发事业团自1998年以来进行了大量星间相干光通信的研究，对各种相干通信方案进行了星间通信的对比研究。从1999年左右，加州理工JPL实验室重点研究通过相干光通信技术扩展星间光通信链路的信道容量。与此同时，麻省理工林肯实验室研究了各种相干通信方案在LEO星间平台振动条件下的信噪比、误码率等通信性能，并提出了发射功率自适应技术方案，其实验装置通信距离3000km，误码率1.0E-6.码速率2Gbit/s。 
    总之，相干光通信技术还有很多方向需要更多的研究，大规模的应用也不会在短期内出现。但是需求决定市场，在不久的将来，传统光通信系统过于简单的结构必定无法满足高速增长的带宽需求，而相干光通信技术作为一个研究相对成熟，潜在优势明显的选择，必定会受到学术界和企业越来越多的关注。