【硬核扫盲】到底什么是相干光通信?

大家好,今天这篇文章,我们来聊聊一个“网红”技术——相干光通信。

相干光通信,英文全称叫做Coherent Optical Communication,是光纤通信领域的一项技术。

相比于传统的非相干光通信,相干光通信具有传输距离更远、传输容量更大的技术优势,因此广受行业各界的关注,研究热度不断攀升。

█ 什么是相干光

在介绍相干光通信之前,我们先简单了解一下什么是相干光

我们口头上经常说的“相干”,大家都理解,就是“互相关联或牵涉”的意思。

光的相干(coherence),是指两个光波在传输的过程中,同时满足以下3个条件:

1、频率(波长)相同;

2、振动方向相同;

3、相位差恒定。

到底什么是相干光通信?

相干光

这样的两束光,在传输时,相互之间能产生稳定的干涉(interference)。

这种干涉,既可以是相长干涉(加强),也可以是相消干涉(抵消)。

如下图所示:

到底什么是相干光通信?

很显然,相长干涉可以让光波(信号)变得更强。

到底什么是相干光通信?

大家可以回忆一下著名的杨氏双缝干涉实验

█什么是相干光通信

好了,接下来我们进入正题,说说什么是相干光通信。

很多人可能会认为,相干光通信,就是利用相干光进行传输通信。

其实,这个说法是不对的。相干光通信和非相干光通信,基本都是用的激光,没有本质的区别。

相干光通信之所以叫“相干光通信”,并不是取决于传输过程中用的光,而是取决于在发送端使用了相干调制,在接收端使用了相干技术进行检测。

到底什么是相干光通信?

上图:非相干光通信

下图:相干光通信

区别在两端,不在传输路径上

接收端的技术,是整个相干光通信的核心,也是它牛逼的主要原因。

我们可以先说结论:在相同条件下,相对于传统非相干光通信,相干光通信的接收机可以提升灵敏度20db

20db是什么概念?100倍!

这个提升非常惊人了,接近散粒噪声极限。

在这个20db的帮助下,相干光通信的通信距离可以提升n倍,达到千公里级别(非相干光大约只有几十公里)。你说香不香?

█ 相干光通信的发展背景

相干光通信技术这么厉害,它是一个新技术吗?

并不是。

早在上世纪80年代,光通信刚刚兴起的时候,美国、英国和日本等发达国家就已经进行了相干光通信的理论研究和实验,并取得了不错的成果。

例如,美国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1.7Gbps FSK现场无中继相干传输实验,传输距离达到35公里。

后来,进入90年代,专家们发现,日益成熟的EDFA(掺铒光纤放大器)和WDM(波分复用)技术,可以更简单、更有效地解决了光通信的中继传输和扩容问题。

于是,相干光通信的技术研究,就被冷落了。

到了2008年左右,随着移动互联网的爆发,通信网络的数据流量迅猛增长,骨干网面临的压力陡增。

此时,EDFA和WDM技术的潜力已经越来越小。光通信厂商们,迫切需要找到新的技术突破点,提升光通信的传输能力,满足用户需求,缓解压力。

厂商们渐渐发现,随着数字信号处理(DSP)、光器件制造等技术的成熟,基于这些技术的相干光通信,刚好适合打破长距离大带宽光纤通信的技术瓶颈。

于是乎,顺理成章地,相干光通信从幕后走向了台前,迎来了自己的“第二春”。

█ 相干光通信的技术原理

接下来进入硬核阶段,我们详细解析一下相干光通信的技术原理。

前面小枣君和大家说了,相干光通信主要利用了两个关键技术,分别是相干调制外差检测

我们先看看光发送机这边的相干调制。

在此前的文章《关于光通信的最强进阶科普》中介绍过光载波调制的内容。

我说过,在落后的IM-DD(强度调制-直接检测)系统中,只能使用强度(幅度)调制的方式,通过电流改变激光强度,产生0和1,以此实现对光波进行调制。

到底什么是相干光通信?

直接调制,非常简单,但是能力弱,问题多

而在相干光通信系统中,除了可以对光进行幅度调制之外,还可以采用外调制的方式,进行频率调制或相位调制,例如PSK、QPSK、QAM等。

更多的调制方式,不仅增加了信息携带能力(单个符号可以表示更多的比特),也适合工程上的灵活应用。

下面这张图,就是一个外调制的示意图:

到底什么是相干光通信?

相干光通信的光发送机(偏振QAM)

如图所示,在发送端,采用外调制方式,使用基于马赫-曾德尔调制器(MZM)的IQ调制器,实现高阶调制格式,将信号调制到光载波上,发送出去。(具体原理,回顾前文

到了接收端,正如前文所说,进入关键环节了。

首先,利用一束本机振荡产生的激光信号(本振光),与输入信号光在光混频器中进行混频,得到与信号光的频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。

到底什么是相干光通信?

光接收机的大致结构

到底什么是相干光通信?

放大来看

这其实是一个“放大”的过程。

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。由于本振光的功率远大于信号光的功率,所以,输出光电流大幅增加,检测灵敏度也就随之提升了。

换句话说,非相干光通信,是在传输过程中,使用很多的放大器,不断中继和放大信号。而相干光通信,直接在接收端,对微弱的到达信号进行混频放大。这就是相干光通信技术的本质。

混频之后,用平衡接收机进行检测。

根据本振光信号频率与信号光频率的不等或相等,相干光通信可分为外差检测、内差检测、零差检测。

到底什么是相干光通信?

外差检测相干光通信,经光电检波器获得的是中频信号。还需要进行二次解调,才能被转换成基带信号。

零差和内差检测两种方式带来的噪声较小,减小了后续数字信号处理的功率开销和对相关器件的要求,所以最为常用。

零差检测相干光通信,光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号,不需要进行二次解调。但它要求本振光频率与信号光频率要求严格匹配,并且要求本振光与信号光的相位锁定。

接下来,是同样非常重要的数字信号处理(DSP)环节了。

到底什么是相干光通信?

光信号在光纤链路中传输时,会产生失真,也就是不利的变化。

数字信号处理技术,说白了,就是利用数字信号比较容易处理的特点,去对抗和补偿失真,降低失真对系统误码率的影响。

它开创了光通信系统的数字时代,是相干光通信技术的重要支撑。

数字信号处理(DSP)技术,不仅用于接收机,也用于发送机。如下图所示:

到底什么是相干光通信?

再来一张图,帮助理解:

到底什么是相干光通信?

数字转模拟,模拟转数字

从上面的图可以看出,DSP技术进行了各种信号补偿处理,比如色度色散补偿和偏振模式色散补偿(PMD)等。

到底什么是相干光通信?

DSP的各种补偿和估算

到底什么是相干光通信?

DSP各模块的作用

传统的非相干光通信,是要通过光路补偿器件,进行色散补偿等工作的。它的补偿效果远远不如DSP。

DSP技术的引入,简化了系统设计,节约了成本,省去了系统中原有的色散补偿模块(DCM)或色散补偿光纤等,使得长距离传输的链路设计变得更加简单。

随着DSP的更迭发展,更多的算法和功能在不断的加入,如非线性补偿技术、多编码调制解调技术。

到底什么是相干光通信?

常用的补偿算法

DSP处理之后,就输出了最终的电信号。

接下来,我们通过一个100G相干传输的案例,回顾一下整个过程。

到底什么是相干光通信?

图片来自网络

在这个案例中,发送端采用了ePDM-QPSK高阶调制,接收端采用了相干检测接收技术。

具体过程如下:

1、经过数字信号处理和数模转换后的112Gbps信号码流,进入光发送端后,经过“串行-并行”转换,变成4路28Gbps的信号;

2、激光器发射的信号,通过偏振分束器,变成x、y两个垂直方向偏振的光信号;

3、通过MZM调制器组成的高阶调制器,对x、y偏振方向的光信号进行QPSK高阶调制;

4、调制好的偏振光信号,通过偏振合波器,合路到一根光纤上,进行传输;

5、接收端收到信号后,将信号分离到X、Y两个垂直的偏振方向上;

6、通过相干检测接收,X、Y两个垂直方面偏振的信号,变成电流/电压信号;

7、通过ADC模数转换,将电流电压信号变成0101…这样的数字码流;

8、通过数字信号处理,去除色散、噪声、非线性等干扰因素,还原出112Gbps的电信号码流,结束。

█ 相干光通信的其它支撑技术

相干光通信的性能强大,但是系统复杂度高,技术实现难度大。

到底什么是相干光通信?

非相干光 VS 相干光(图片来自通信百科)

想要实现相干光通信的实际应用,还要依赖以下几项技术:

  • 偏振保持技术

在相干光通信中,相干检测要求信号光与本振光的偏振方向相同,即两者的电矢量方向必须相同,才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。

因为,在这种情况下,只有信号光电矢量在本振光电矢量方向上的投影,才能真正对混频产生的中频信号电流有贡献。

为了保证高灵敏度,必须采取光波偏振稳定措施。

目前主要有两种方法:

一,采用“保偏光纤”,使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。(普通的单模光纤,会由于光纤的机械振动或温度变化等因素,使光波的偏振态发生变化。)

二,使用普通的单模光纤,但是在接收端采用偏振分集技术。

  • 频率稳定技术

在相干光通信中,半导体激光器的频率稳定性非常重要。而激光器的频率,对工作温度与电流变化非常敏感。

如果激光器的频率随工作条件的不同而发生漂移,就会影响中频电流,进而提升误码率。

  • 频谱压缩技术

在相干光通信中,光源的频谱宽度也非常重要。

只有保证光波的窄线宽,才能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响。而且,其线宽越窄,由相位漂移而产生的相位噪声越小。

为了满足相干光通信对光源谱宽的要求,通常会采取谱宽压缩技术。

█ 相干光通信的应用

看到这里,大家对相干光通信技术的特点应该是非常了解了。

简而言之,它是一种先进且复杂的光传输系统,适用于更长距离、更大容量的信息传输。

在光纤的长距离传输中,一般每80km的跨度,就会采用EDFA(掺铒光纤放大器)。

【硬核扫盲】到底什么是相干光通信?

EDFA

这玩意价格不便宜,野外环境还容易坏

有了相干光通信,长距离传输就省事多了。而且,相干光通信改造,可以直接利旧现有的光纤光缆,成本可控。

在现实应用中,相干光通信可以用于现有骨干网WDM波分复用系统的升级,也可以用于5G的中回传场景。甚至城域FTTx光纤接入,都开始研究相干光通信的引入。

目前,对相干光通信最热门的讨论,集中在“数据中心互联”场景,也就是我们现在常说的DCI(Data Center Interconnect)。

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数据中心

DCI互联对长距离相干光模块的需求非常强烈。尤其是今年国家大力推动“东数西算”,对相干光通信市场有不小的刺激作用。

另外值得一提的是,相干光通信在星间自由空间光链路通信领域(也就是卫星通信),也是研究热门。

光载波的传送带宽大、质量体积小、功耗低、抗干扰和抗截获性能强,非常适合用于卫星通信。相干光通信技术,已经成为卫星通信领域的“潜力股”。

█ 结语

总而言之,相干光通信技术的回归和普及,有利于进一步挖掘光通信的性能潜力,提升极限带宽,降低部署成本。

目前,相干光通信技术的研究还在持续进行中。相干光模块工艺复杂、体积大、功耗大的问题,并没有得到彻底的解决。针对相干光通信各个关键环节的技术创新,还有很大的空间。

未来,相干光通信究竟会走向何方?让我们拭目以待吧。

-End-

——本文转自@鲜枣课堂

参考文献:

1、相干光通信技术,徐飞;

2、什么是相干光通信和非相干光通信,通信百科;

3、知否,知否,什么是相干光通信,是德科技;

4、PM-16QAM相干光通信中偏振复用及追踪技术的研究,张曼丽;

5、相干光通信的使命和基本原理,知乎,白银之魔女;

6、超越100G速率的相干光传输技术探讨,易飞扬通信;

7、何为相干光通信系统,CSDN;

8、相干光通信,百度百科词条;

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