相干光通信

1發(fā)展過程

　　光通信領(lǐng)域

　　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，伴隨著視頻會(huì)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(gè)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)的物理層提出了更高的傳輸性能要求。光通信系統(tǒng)采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)，即發(fā)送端調(diào)制光載波強(qiáng)度，接收機(jī)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(diǎn)，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(huì)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(huì)帶來對新型通信設(shè)備的需求，面對居高不下的光器件價(jià)格，大規(guī)模通信設(shè)備更換所需要的高額成本，是運(yùn)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(xiǎn)。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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)用階段。英美日等國相繼進(jìn)行了一系列相干光通信實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，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(shí)期，靈敏度和每個(gè)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殉蔀橹匾目紤]因素。在模擬通信方面，靈敏度和動(dòng)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。

　　數(shù)字傳輸系統(tǒng)中

　　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(dòng)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(shí)，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?/p>

2工作原理

　　在發(fā)送端，采用外調(diào)制方式將信號(hào)調(diào)制到光載波上進(jìn)行傳輸。當(dāng)信號(hào)光傳輸?shù)竭_(dá)接收端時(shí)，首先與一本振光信號(hào)進(jìn)行相干耦合，然后由平衡接收機(jī)進(jìn)行探測。相干光通信根據(jù)本振光頻率與信號(hào)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(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得的是中頻信號(hào)，還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。后者光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，不用二次解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定。

3主要優(yōu)點(diǎn)

　　靈敏度高，中繼距離長

　　相干光通信的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是相干檢測能改善接收機(jī)的靈敏度。在相同的條件下，相干接收機(jī)比普通接收機(jī)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(hào)的無中繼傳輸距離。

　　選擇性好，通信容量大

　　相干光通信的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高接收機(jī)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(hào)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?？梢?，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(huì)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(jī)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(shí)現(xiàn)更高傳輸速率的潛在優(yōu)勢。

　　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(qiáng)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(jī)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。

4關(guān)鍵技術(shù)

　　為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效、可靠的相干光通信，應(yīng)采用以下關(guān)鍵技術(shù)。

　　外光調(diào)制技術(shù)

　　由于半導(dǎo)體激光器光載波的某一參數(shù)直接調(diào)制時(shí)，總會(huì)附帶對其他參數(shù)的寄生振蕩，如ASK直接調(diào)制伴隨著相位的變化，而且調(diào)制深度也會(huì)受到限制。另外，還會(huì)遇到頻率特性不平坦及張遲振蕩等問題。因此，在相干光通信系統(tǒng)中，除FSK 可以采用直接注入電流進(jìn)行頻率調(diào)制外，其他都是采用外光調(diào)制方式。

　　外光調(diào)制是根據(jù)某些電光或聲光晶體的光波傳輸特性隨電壓或聲壓等外界因素的變化而變化的物理現(xiàn)象而提出的。外光調(diào)制器主要包括三種：利用電光效應(yīng)制成的電光調(diào)制器、利用聲光效應(yīng)制成的聲光調(diào)制器和利用磁光效應(yīng)制成的磁光調(diào)制器。采用以上外調(diào)制器，可以完成對光載波的振幅、頻率和相位的調(diào)制。對外光調(diào)制器的研究比較廣泛，如利用T1擴(kuò)散LiNbO3馬赫干涉儀或定向耦合式的調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)ASK 調(diào)制，利用量子阱半導(dǎo)體相位外調(diào)制器或LiNbO3相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)PSK調(diào)制等。

　　偏振保持技術(shù)

　　在相干光通信中，相干探測要求信號(hào)光束與本振光束必須有相同的偏振方向，也就是說，兩者的電矢量方向必須相同，才能獲得相干接收所能提供的高靈敏度。否則，會(huì)使相干探測靈敏度下降。因?yàn)樵谶@種情況下，只有信號(hào)光波電矢量在本振光波電矢量方向上的投影，才真正對混頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)電流有貢獻(xiàn)。若失配角度超過60°，則接收機(jī)的靈敏度幾乎得不到任何改善，從而失去相干接收的優(yōu)越性。因此，為了充分發(fā)揮相干接收的優(yōu)越性，在相干光通信中應(yīng)采取光波偏振穩(wěn)定措施。主要有兩種方法：一是采用“保偏光纖”使光波在傳輸過程中保持光波的偏振態(tài)不變。而普通的單模光纖會(huì)由于光纖的機(jī)械振動(dòng)或溫度變化等因素使光波的偏振態(tài)發(fā)生變化。“保偏光纖”與單模光纖相比，其損耗比較大，價(jià)格比較昂貴。二是使用普通的單模光纖，在接收端采用偏振分集技術(shù)，信號(hào)光與本振光混合后首先分成兩路作為平衡接收，對每一路信號(hào)又采用偏振分束鏡分成正交偏振的兩路信號(hào)分別檢測，然后進(jìn)行平方求和，最后對兩路平衡接收信號(hào)進(jìn)行判決，選擇較好的一路作為輸出信號(hào)。此時(shí)的輸出信號(hào)已與接收信號(hào)的偏振態(tài)無關(guān)，從而消除了信號(hào)在傳輸過程中偏振態(tài)的隨機(jī)變化。

　　頻率穩(wěn)定技術(shù)

　　在相干光通信中，激光器的頻率穩(wěn)定性是相當(dāng)重要的。如，對于零差檢測相干光通信系統(tǒng)來說，若激光器的頻率(或波長)隨工作條件的不同而發(fā)生漂移，就很難保證本振光與接收光信號(hào)之間的頻率相對穩(wěn)定性。外差相干光通信系統(tǒng)也是如此。一般外差中頻選擇在0。2～2 GHz之間，當(dāng)光載波的波長為1。5 μm時(shí)，其頻率為200 THz，中頻為載頻的 10-6～10-5。光載波與本振光的頻率只要產(chǎn)生微小的變化，都將對中頻產(chǎn)生很大的影響。因此，只有保證光載波振蕩器和光本振振蕩器的高頻率穩(wěn)定性，才能保證相干光通信系統(tǒng)的正常工作。

　　激光器的頻率穩(wěn)定技術(shù)主要有三種：

　　(1)將激光器的頻率穩(wěn)定在某種原子或分子的諧振頻率上。在1.5μm波長上，已經(jīng)利用氨、氪等氣體分子實(shí)現(xiàn)了對半導(dǎo)體激光器的頻率穩(wěn)定；

　　(2) 利用光生伏特效應(yīng)、鎖相環(huán)技術(shù)、主激光器調(diào)頻邊帶的方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻；

　　(3)利用半導(dǎo)體激光器工作溫度的自動(dòng)控制、注入電流的自動(dòng)控制等方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。

　　頻譜壓縮技術(shù)

　　在相干光通信中，光源的頻譜寬度也是非常重要的。只有保證光波的窄線寬，才能克服半導(dǎo)體激光器量子調(diào)幅和調(diào)頻噪聲對接收機(jī)靈敏度的影響，而且，其線寬越窄，由相位漂移而產(chǎn)生的相位噪聲越小。

　　為了滿足相干光通信對光源譜寬的要求，通常采取譜寬壓縮技術(shù)。主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法：

　　(1) 注入鎖模法，即利用一個(gè)以單模工作的頻率穩(wěn)定、譜線很窄的主激光器的光功率，注入到需要寬度壓縮的從激光器，從而使從激光器保持和主激光器一致的譜線寬度、單模性及頻率穩(wěn)定度；

　　(2) 外腔反饋法。外腔反饋是將激光器的輸出通過一個(gè)外部反射鏡和光柵等色散元件反射回腔內(nèi)，并用外腔的選模特性獲得動(dòng)態(tài)單模運(yùn)用以及依靠外腔的高Q值壓縮譜線寬度。

　　非線性串?dāng)_控制技術(shù)

　　由于在相干光通信中，常采用密集頻分復(fù)用技術(shù)。因此，光纖中的非線性效應(yīng)可能使相干光通信中的某一信道的信號(hào)強(qiáng)度和相位受到其他信道信號(hào)的影響，而形成非線性串?dāng)_。光纖中對相干光通信可能產(chǎn)生影響的非線性效應(yīng)包括受激拉曼散射(SRS)、受激布里淵散射(SBS)、非線性折射和四波混合。由于SRS的拉曼增益譜很寬(～10 THz)，因此當(dāng)信道能量超過一定值時(shí)，多信道復(fù)用相干光通信系統(tǒng)中必然出現(xiàn)高低頻率信道之間的能量轉(zhuǎn)移，而形成信道間的串?dāng)_，從而使接收噪聲增大，接收機(jī)靈敏度下降。SBS的閾值為幾 mW，增益譜很窄，若信道功率小于一定值時(shí)，并且對信號(hào)載頻設(shè)計(jì)的好，可以很容易地避免 SBS引起的串?dāng)_。但SBS 對信道功率卻構(gòu)成了限制。光纖中的非線性折射通過自相位調(diào)制效應(yīng)而引起相位噪聲，在信號(hào)功率大于10 mW 或采用光放大器進(jìn)行長距離傳輸?shù)南喔晒馔ㄐ畔到y(tǒng)中要考慮這種效應(yīng)。當(dāng)信道間隔和光纖的色散足夠小時(shí)，四波混頻的相位條件可能得到滿足，F(xiàn)WM成為系統(tǒng)非線性串?dāng)_的一個(gè)重要因素。FWM 是通過信道能量的減小和使信道受到干擾而構(gòu)成對系統(tǒng)性能的限制。當(dāng)信道功率低到一定值時(shí)，可避免FWM 引起對系統(tǒng)的影響。由于受到上述這些非線性因素的限制，采用密集頻分復(fù)用的相干光通信系統(tǒng)的信道發(fā)射功率通常只有零點(diǎn)幾毫瓦。

　　除了以上關(guān)鍵技術(shù)外，對于本振光和信號(hào)光之間產(chǎn)生的相位漂移，在接收端還可采用相位分集接收技術(shù)以消除相位噪聲；為了減小本振光的相對強(qiáng)度噪聲對系統(tǒng)的影響，可以采用雙路平衡接收技術(shù)；零差檢測中為保證本振光與信號(hào)光同步而采用的光鎖相環(huán)技術(shù)，以及用于本振頻率穩(wěn)定的AFC等。

5廣泛應(yīng)用

　　相干光通信得到迅速的發(fā)展，特別是對于超長波長(2～10 μm)光纖通信來說，相干光通信最具吸引力。因?yàn)樵诔L波段，由瑞利散射決定的光纖固有損耗將進(jìn)一步大幅度降低(瑞利散射損耗與1/λ？4成正比)，故從理論上講，在超長波段可實(shí)現(xiàn)光纖跨洋無中繼通信。而在超長波段，直接探測接收機(jī)的性能很差，于是相干探測方式自然而然地成為唯一的選擇了。

　　超長波長光纖通信系統(tǒng)是以超長波長光纖作為傳輸介質(zhì)，利用相干光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)超長距離通信。在該系統(tǒng)中超長波長光纖是至關(guān)重要的。它是一種更為理想的傳輸媒介，其主要特性是損耗特低，只有石英材料的千萬分之一。因此，超長波長光纖可以實(shí)現(xiàn)數(shù)萬公里傳輸，而不要中繼站。它可以大幅度降低通信成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對海底通信和沙漠地區(qū)更具有特別重要的意義。

　　研究的超長波長光纖主要是氟化物玻璃光纖，其理論損耗值非常低，如Ba-F2-Gd-ZrF4-ALF3光纖在3μm左右的理論最低損耗為10-3dB/km，GaF2-BaF2-YF2-ALF3光纖的透明范圍為27μm，在3μm左右的最低理論損耗為10-2dB/km。

　　從光纖的色散特性來看，氟化玻璃材料光纖也可以實(shí)現(xiàn)零色散。例如，由鎬、鋁和鑭組成的氟化物光纖，在1.7μm可實(shí)現(xiàn)零色散，在4μm波長的色散也很小，只有45ps/nm km。而且，氟化物玻璃光纖在較寬的波長范內(nèi)，比石英光纖的色散要低。這樣，可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波份復(fù)用。

　　隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，利用超長波長光纖實(shí)現(xiàn)超長距離通信是今后光纖通信發(fā)展的重要方向之一。但是，超長波長光纖通信系統(tǒng)還存在許多需要進(jìn)一步解決的技術(shù)問題，如超長波長光纖的材料提純與拉制，采用相干光通信技術(shù)所要求的超長波長光源及超長波長相干光電檢波器等。

　　除以上應(yīng)用外，由于相干光通信的出色的信道選擇性和靈敏度，在頻分復(fù)用CATV分配網(wǎng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

6研究現(xiàn)狀

　　簡介

　　相干光通信技術(shù)經(jīng)過二十年的蟄伏期，越來越受到國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注。從2005年現(xiàn)在，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(huì)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(hào)處理，以及相干光接收機(jī)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。2006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(jī)，在帶寬為10Gbit/s誤碼率為10-9時(shí)靈敏度可達(dá)-30dBm，集成的相干接收機(jī)體積比普通電腦機(jī)箱小，便于運(yùn)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(jī)。

　　發(fā)展

　　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，但是其實(shí)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(fèi)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(fèi)用。此外，相干光通信一大熱點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)。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(xiàng)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(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)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(shí)，麻省理工林肯實(shí)驗(yàn)室研究了各種相干通信方案在LEO星間平臺(tái)振動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置通信距離3000km，誤碼率1.0E-6.碼速率2Gbit/s。

　　總結(jié)

　　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(huì)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(gè)研究相對成熟，潛在優(yōu)勢明顯的選擇，必定會(huì)受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)越來越多的關(guān)注。