相干光通信的主要優(yōu)點和技術(shù)現(xiàn)狀

在光通信領(lǐng)域，更大的帶寬、更長的傳輸距離、更高的接收靈敏度，永遠(yuǎn)都是科研者的追求目標(biāo)。盡管波分復(fù)用（WDM）技術(shù)和摻鉺光纖放大器（EDFA）的應(yīng)用已經(jīng)極大的提高了光通信系統(tǒng)的帶寬和傳輸距離，但是近十年來伴隨著視頻會議等通信技術(shù)的應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)的普及產(chǎn)生的信息爆炸式增長，對作為整個通信系統(tǒng)基礎(chǔ)的物理層提出了更高的傳輸性能要求。目前光通信系統(tǒng)采用強度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)，即發(fā)送端調(diào)制光載波強度，接收機對光載波進(jìn)行包絡(luò)檢測。盡管這種結(jié)構(gòu)具有簡單、容易集成等優(yōu)點，但是由于只能采用ASK調(diào)制格式，其單路信道帶寬很有限。因此這種傳統(tǒng)光通信技術(shù)勢必會被更先進(jìn)的技術(shù)所代替。然而在通信泡沫破滅的今天，新的光通信技術(shù)的應(yīng)用不可避免的會帶來對新型通信設(shè)備的需求，面對居高不下的光器件價格，大規(guī)模通信設(shè)備更換所需要的高額成本，是運營商所不能接受的，因此對設(shè)備制造商而言，光纖通信新技術(shù)的研發(fā)也面臨著很大的風(fēng)險。如何在現(xiàn)有的設(shè)備基礎(chǔ)上提高光通信系統(tǒng)的性能成為了切實的問題。在這樣的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技術(shù)，再一次被放到了桌面上。

相干光通信的理論和實驗始于80年代。由于相干光通信系統(tǒng)被公認(rèn)為具有靈敏度高的優(yōu)勢，各國在相干光傳輸技術(shù)上做了大量研究工作。經(jīng)過十年的研究，相干光通信進(jìn)入實用階段。英美日等國相繼進(jìn)行了一系列相干光通信實驗。AT&T及Bell公司于1989和1990年在賓州的羅靈—克里克地面站與森伯里樞紐站間先后進(jìn)行了1.3μm和1.55μm波長的1.7Gbit/s FSK現(xiàn)場無中繼相干傳輸實驗，相距35公里，接收靈敏度達(dá)到-41.5dBm。NTT公司于1990年在瀨戶內(nèi)陸海的大分—尹予和吳站之間進(jìn)行了2.5Gbit/s CPFSK相干傳輸實驗，總長431公里。直到19世紀(jì)80年代末，EDFA和WDM技術(shù)的發(fā)展，使得相干光通信技術(shù)的發(fā)展緩慢下來。在這段時期，靈敏度和每個通道的信息容量已經(jīng)不再備受關(guān)注。然而，直接檢測的WDM系統(tǒng)經(jīng)過二十年的發(fā)展和廣泛應(yīng)用后，新的征兆開始出現(xiàn)，標(biāo)志著相干光傳輸技術(shù)的應(yīng)用將再次受到重視。在數(shù)字通信方面，擴(kuò)大C波段放大器的容量，克服光纖色散效應(yīng)的惡化，以及增加自由空間傳輸?shù)娜萘亢头秶�已成為重要的考慮因素。在模擬通信方面，靈敏度和動態(tài)范圍成為系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，而他們都能通過相關(guān)光通信技術(shù)得到很大改善。

在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中， DPSK和DQPSK的使用已經(jīng)非常普遍，這就標(biāo)志著采用相位敏感的編碼和傳輸技術(shù)將成為一種趨勢。而檢測靈敏度和頻譜效率是這種趨勢的關(guān)鍵所在。其他影響選擇檢測方案的因素還包括物理層的安全可靠性和網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性，兩者都可得益于采用相干光技術(shù)的幅度，頻率和偏振編碼。相干模擬傳輸與非相干傳輸相比，也同樣具有很大的優(yōu)勢，其中在動態(tài)范圍方面最為顯著。雖然模擬通信不及數(shù)字通信應(yīng)用廣泛，但是模擬傳輸在很多特殊環(huán)境應(yīng)用上有很重要的作用。

同時，在這短短的二十年中，在光器件方面取得了很大的進(jìn)步，其中激光器的輸出功率，線寬，穩(wěn)定性和噪聲，以及光電探測器的帶寬，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波電子器件的性能也大幅提高。這些進(jìn)步使得相干光通信系統(tǒng)商用化變?yōu)榭赡堋?

1．相干光通信的基本工作原理：

相干光通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。在發(fā)送端，采用外調(diào)制方式將信號調(diào)制到光載波上進(jìn)行傳輸。當(dāng)信號光傳輸?shù)竭_(dá)接收端時，首先與一本振光信號進(jìn)行相干耦合，然后由平衡接收機進(jìn)行探測。相干光通信根據(jù)本振光頻率與信號光頻率不等或相等，可分為外差檢測和零差檢測。前者光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得的是中頻信號，還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號。后者光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號，不用二次解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號光的相位鎖定。 

2.相干光通信的主要優(yōu)點：

(1)靈敏度高，中繼距離長

相干光通信的一個最主要的優(yōu)點是相干檢測能改善接收機的靈敏度。在相同的條件下，相干接收機比普通接收機提高靈敏度約20dB，可以達(dá)到接近散粒噪聲極限的高性能，因此也增加了光信號的無中繼傳輸距離。

(2)選擇性好，通信容量大
　　
    相干光通信的另一個主要優(yōu)點是可以提高接收機的選擇性。在直接探測中, 接收波段較大，為抑制噪聲的干擾，探測器前通常需要放置窄帶濾光片, 但其頻帶仍然很寬。在相干外差探測中，探測的是信號光和本振光的混頻光，因此只有在中頻頻帶內(nèi)的噪聲才可以進(jìn)入系統(tǒng)，而其它噪聲均被帶寬較窄的微波中頻放大器濾除。可見，外差探測有良好的濾波性能，這在星間光通信的應(yīng)用中會發(fā)揮重大作用。此外，由于相干探測優(yōu)良的波長選擇性，相干接收機可以使頻分復(fù)用系統(tǒng)的頻率間隔大大縮小，即密集波分復(fù)用（DWDM），取代傳統(tǒng)光復(fù)用技術(shù)的大頻率間隔，具有以頻分復(fù)用實現(xiàn)更高傳輸速率的潛在優(yōu)勢。

(3)具有多種調(diào)制方式

在傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)中，只能使用強度調(diào)制方式對光進(jìn)行調(diào)制。而在相干光通信中，除了可以對光進(jìn)行幅度調(diào)制外，還可以使用PSK、DPSK、QAM等多種調(diào)制格式，利于靈活的工程應(yīng)用，雖然這樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是相對于傳統(tǒng)光接收機只響應(yīng)光功率的變化，相干探測可探測出光的振幅、頻率、位相、偏振態(tài)攜帶的所有信息，因此相干探測是一種全息探測技術(shù)，這是傳統(tǒng)光通信技術(shù)不具備的。

3.相干光通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀：

相干光通信技術(shù)經(jīng)過近二十年的蟄伏期，在最近幾年越來越受到國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注。從05年至今，每年都有大量關(guān)于相干光通信技術(shù)的文章在國際高水平會議和期刊上發(fā)表，內(nèi)容包括各種新型調(diào)制碼型，如正交頻分復(fù)用（OFDM）、偏振差分四相移相鍵控（POLMUX-DQPSK），相干光通信關(guān)鍵技術(shù)的研究，相干光通信中的高速數(shù)字信號處理，以及相干光接收機集成化的研究等。此類研究多集中于美國、日本、德國、荷蘭、英國等發(fā)達(dá)國家，中國也有相關(guān)研究文章發(fā)表，但數(shù)量較少。相干光通信方面的理論研究正在逐年升溫，商品化研發(fā)也在緩慢進(jìn)行。06年美國DISCOVERY公司推出了帶寬2.5Gbit/s及10Gbit/s的外差檢測相干光接收機，在帶寬為10Gbit/s誤碼率為10-9時靈敏度可達(dá)-30dBm，集成的相干接收機體積比普通電腦機箱小，便于運輸和野外工作。相干光通信的一些關(guān)鍵器件及技術(shù)也在近幾年得到了很大的發(fā)展，如DISCOVERY、德國u2t等公司可提供高速高輸入功率的平衡接收機。

雖然相干光通信系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢使它具備取代傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)的可能，但是目前其實用化研究多集中在特殊環(huán)境的應(yīng)用，如跨洋通信、沙漠通信、星間通信等。傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)需要使用大量EDFA、SOA等中繼設(shè)備，但是在海底和沙漠等條件非常惡劣的環(huán)境中，這些精密設(shè)備容易損壞，且修理和更換費用昂貴。相干光通信由于其無中繼距離遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)，可以大量減少中繼設(shè)備，降低維護(hù)和修理費用。此外，相干光通信一大熱點在于星間光鏈路通信。理論上，與RF載波相比，光載波在衛(wèi)星通信中具有極強的優(yōu)勢，包括傳送帶寬大、質(zhì)量體積功耗小等，通信光極窄的波束寬度也帶來了很好的抗干擾和抗截獲性能，可以極大地提高通信系統(tǒng)的信息安全。因此，相干光通信技術(shù)是星間激光通信鏈路技術(shù)發(fā)展極具潛力的選擇。在1980-1995年間，相干光通信是國際光通信領(lǐng)域的研究熱點。1995年前后，隨著EDFA和WDM的成熟，在光纖通信的商用領(lǐng)域，傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)已足以保證通信性能，而在無法使用EDFA做中繼的星間光通信領(lǐng)域，相干光技術(shù)則一直被視為滿足功率受限的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的高靈敏度高帶寬要求的必然選擇，國外對此進(jìn)行了大量的研究。1997年開始，ESA與德國航天中心合作進(jìn)行OGS研究項目，研究星地激光通信中光學(xué)地面站的1.06μm光外差探測技術(shù)。日本國家宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)自1998年以來進(jìn)行了大量星間相干光通信的研究，對各種相干通信方案進(jìn)行了星間通信的對比研究。從1999年左右，加州理工JPL實驗室重點研究通過相干光通信技術(shù)擴(kuò)展星間光通信鏈路的信道容量。與此同時，麻省理工林肯實驗室研究了各種相干通信方案在LEO星間平臺振動條件下的信噪比、誤碼率等通信性能，并提出了發(fā)射功率自適應(yīng)技術(shù)方案，其實驗裝置通信距離3000km，誤碼率1.0E-6.碼速率2Gbit/s。 

總之，相干光通信技術(shù)還有很多方向需要更多的研究，大規(guī)模的應(yīng)用也不會在短期內(nèi)出現(xiàn)。但是需求決定市場，在不久的將來，傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)過于簡單的結(jié)構(gòu)必定無法滿足高速增長的帶寬需求，而相干光通信技術(shù)作為一個研究相對成熟，潛在優(yōu)勢明顯的選擇，必定會受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)越來越多的關(guān)注。