相干光通信系统

这一篇笔记主要调研相干光通信的基本原理。

传统的光通信系统，采用强度调制/直接检测方案（intensity modulation and direct detection, 简称IMDD）。这一方案中，发送端通过MZI调制光的强度，接收端直接探测光的强度，示意图如下，

相干光通信(coherent optical comunication)，从字面上看，重点是“相干”二字。在光学实验中，为了得到稳定的干涉条纹，需要光源有固定的相位差和稳定的频率，这一性质被称为相干性(coherence)。对于相干光通信，也需要精确控制光的相位差与频率。不同于IMDD方案，相干光采用的是相干调制和相干检测。

相干调制，同时对光波的振幅和相位进行调制，增加了一个维度，单个脉冲可以携带更多的信息。典型的IQ调制(in phase, quadrature)结构示意图如下图所示。该结构上下两臂的相位差为90度。以此结构为基本单元，可以构建更复杂的调制方案，例如8QAM, 16QAM等。

（图片来自https://www.infinera.com/wpcontent/uploads/2015/07/Infinera_Coherent_Tech.pdf）

所谓相干检测，是指将发送端发射的信号光与本振光(local oscillator)进行耦合，再经过平衡接收机（balanced receiver）进行探测 。其典型的结构如下图所示，

（图片来自文献1）

其中信号光为Es, 本振光为LO laser, 对应的表达式为，

经过50/50分束的定向耦合器后，

由E1和E2可以求得PD处的电流强度I1和I2，进一步得到输出电流I的表达式，

其中R为PD的响应度，P_s为信号光的功率，P_LO为本振光的功率，w_IF=|w_s-w_LO|为信号光与本振光的频率差。

根据信号光与本振光的频率是否相同，相干检测还可进一步细分为外差检测(heterodyne detection)与零拍检测(homodyne detection)。对于外差检测，可以通过一定的方法解调中间频率（intermediate frequency）信号， 包括包络检测、差分检测和同步检测，如下图所示，

（图片来自文献1）

对于零拍测量，顾名思义，此时本振光与信号光的频率相等，I(t)的表达式变为，

上式中cos项是相位因子exp(...)的实数部分，为了得到信号光复振幅的完全信息，通常添加另一路LO, 得到sin项，光路结构如下图所示，

（图片来自文献1）

考虑到光的偏振在传输过程中会发生变化，在接收端通常采用偏振分集（polarization diversity）的方案。为了弥补传输过程中的损耗、相位、偏振偏差等，需要使用DSP进行信号处理。最终的相干光通信系统如下图所示，相比IMDD方案，复杂度提高了很多。

（图片来自文献2）

最后列举一下相干光通信的主要优势，

1）灵敏度高，提高了信号的传输距离；

2）可采用复杂的高阶调制方式，提高了频谱的利用效率和信号的容量；

3）可通过DSP补偿模式色散、偏振色散、非线性效应等。

补充一点，Acacia公司推出了基于硅光的相干光模块，其芯片内结构如下图所示，

（图片来自https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2015.00037/full）

以上是对相干光通信的简单介绍，得益于窄线宽激光器和高速DSP的发展，相干光通信技术目前已广泛应用于长距离光通信。 虽然相干光技术在上世纪80年代就已提出，但是受限于当时的技术，其并没有得到很好的发展。很多类似的案例，值得思考。不仅仅需要有好的想法，也需要其他技术的辅助，比如在智能手机普及前，共享单车是不可能大范围推广的。

参考文献：

1. K. Kikuchi, Coherent Optical Communications: Historical Perspectives and Future Directions

2. 谢崇进，数据中心光通信技术