由于光纤资源有限，相干光通信技术正在逐步成熟并被广泛应用。近年来，由于带宽需求的持续增长，而光纤资源无法跟上这种增长速度，因此如何在不增加光纤数量的情况下提高传输容量和传输距离已成为业界的一大挑战。随着相干技术成本和系统复杂性的逐渐降低，以及光器件性能的提升和数字信号处理(DSP)技术的成熟，其应用开始扩展到数据中心和接入网络。
什么是相干光通信
相干光通信是一种基于相干检测机制的光通信技术。与传统的强度调制/直接检测系统不同，相干系统中的接收器并非简单地测量光的强度;而是引入一束参考光束，用于与接收到的光信号进行比较和分析。
在相干系统中，接收器配备了一个本地振荡器激光器，该激光器产生的光与接收器处接收到的信号光混合。通过这种混合过程，系统不仅可以恢复信号的幅度信息，还可以提取相位和频率相关的信息。而传统直接检测系统则不具备这种恢复和提取信息的能力。
相干检测的工作原理
我们可以从接收端的处理流程入手，理解相干收发器的工作原理。
首先，光信号经过长距离光纤传输后到达接收端。在传输过程中，信号通常会受到各种因素的影响，导致信号质量下降，例如光纤色散、相位噪声和偏振变化，而且光功率也相对较低。此时，接收器内部的本地振荡器激光器会产生一束频率稳定、线宽较窄的参考光，并与光信号叠加。
这两束光在光混频器中叠加后，由于光的波动性，会发生干涉效应。干涉后，光信号由平衡光电探测器转换为电信号。与传统的直接检测不同，这种电信号不仅包含强度变化，还保留了光信号相对于本地振荡器光的相位和频率信息。
电信号转换完成后，进入数字信号处理器(DSP)进行处理。DSP利用复杂精密的算法，补偿传输过程中引入的色散、偏振变化和相位漂移，最终恢复原始数据信号。
实现相干检测的关键条件
为了实现稳定的相干检测，光信号和本地振荡器光之间必须满足几个基本条件;否则，相干检测无法有效地对光信号进行干涉。
首先，光信号和本地振荡器光的频率需要足够接近。如果它们之间的频率差过大，混频后会产生难以处理的频率偏移。相位差也必须在可跟踪的范围内，以确保数字信号处理器(DSP)能够进行相位恢复。此外，光的偏振状态直接影响相干效率;如果偏振不匹配，会导致信号质量显著下降。
在早期阶段，由于这些条件的限制，相干光通信难以实现。然而，随着DSP技术的成熟，其动态补偿能力使得这些条件不再那么关键，而是依靠DSP的动态补偿而非光学精度。这是相干光通信大规模部署的关键技术基础。
相干光通信系统的典型架构
相干光通信系统由两部分组成：发射机和接收机。
发射机使用可调谐窄线宽激光器作为光源，并结合IQ调制器等相干调制结构，将电信号映射到光载波的幅度和相位上。这使得系统能够支持QPSK和16QAM等高阶调制格式，从而实现100G、400G、800G甚至1.6T模块的传输，在有限的带宽内传输更多数据。
接收机由本地振荡器激光器、光混频器、平衡探测器和DSP芯片组成。DSP芯片是整个系统的核心，其性能直接决定了相干系统在传输距离、速度和稳定性方面的性能。简而言之，DSP芯片的质量直接决定了相干光通信系统的质量。
为什么相干光通信不可替代
与传统的强度调制/直接检测(IM/DD)系统相比，相干光通信系统的改进之处不仅仅在于数据速率的提高。通过在检测过程中使用本地振荡器，系统的接收灵敏度显著增强。这意味着在相同的光功率条件下，相干光通信系统可以支持更长的传输距离。此外，应用高阶调制格式可以显著提高光信号的频谱效率。
而且，结合数字信号处理(DSP)芯片，相干系统具备强大的光纤色散和偏振相关损伤补偿能力。这使得它们即使在复杂的链路环境中也能保持稳定可靠的传输性能，这也是相干光通信逐渐成为骨干网、城域网和数据中心主流选择的原因。
结论
相干光通信不仅仅是一种不同于传统方法的全新检测方法。它通过引入相位和偏振维度，并将其与高性能数据信号处理相结合，实现了光通信系统整体性能的提升。此外，随着技术的不断发展和成本的降低，相干光通信系统正从传统的长距离传输场景扩展到更多的网络层级，并将在未来的高速光通信网络中发挥至关重要的作用。
来源：QSFPTEK
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