（光纖在線特約編輯SPIE北郵學(xué)生俱樂部朱冉)在光通信領(lǐng)域，更大的帶寬、更長(zhǎng)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(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(zhǎng)，對(duì)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。目前光通信系統(tǒng)采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)，即發(fā)送端調(diào)制光載波強(qiáng)度，接收機(jī)對(duì)光載波進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè)。盡管這種結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)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(shì)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(duì)新型通信設(shè)備的需求，面對(duì)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(duì)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(shì)，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(zhǎng)的1.7Gbit/s FSK現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(cè)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(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。
    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(shì)。而檢測(cè)靈敏度和頻譜效率是這種趨勢(shì)的關(guān)鍵所在。其他影響選擇檢測(cè)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(shì)，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(cè)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(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(cè)。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(cè)和零差檢測(cè)。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。 
          

2.相干光通信的主要優(yōu)點(diǎn)：

(1)靈敏度高，中繼距離長(zhǎng)
    相干光通信的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是相干檢測(cè)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。
(2)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(cè)中, 接收波段較大，為抑制噪聲的干擾，探測(cè)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(cè)中，探測(cè)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�？梢姡�外差探測(cè)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(cè)優(yōu)良的波長(zhǎng)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(shì)。
(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(qiáng)度調(diào)制方式對(duì)光進(jìn)行調(diào)制。而在相干光通信中，除了可以對(duì)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(duì)于傳統(tǒng)光接收機(jī)只響應(yīng)光功率的變化，相干探測(cè)可探測(cè)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(cè)是一種全息探測(cè)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(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。06年美國DISCOVERY公司推出了帶寬2.5Gbit/s及10Gbit/s的外差檢測(cè)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)。
    雖然相干光通信系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢(shì)使它具備取代傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)的可能，但是目前其實(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(shì)，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(duì)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(cè)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(duì)各種相干通信方案進(jìn)行了星間通信的對(duì)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(chǎng)，在不久的將來，傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)過于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)必定無法滿足高速增長(zhǎng)的帶寬需求，而相干光通信技術(shù)作為一個(gè)研究相對(duì)成熟，潛在優(yōu)勢(shì)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。