技术文章 | 相干光通信初探

  最近相干光通信越来越火，虽然大部分工程师都知道它传输距离长的优势，但不知道其机制。笔者期望通过该文章在原理对其进行解析。

  光通信从字面上理解就是利用光作为载波进行信号传输。其本质是通过对光载波进行调制的带通传输技术，这点和无线通信可以类比。由于光纤的衰减和色散特性，850nm / 1310nm / 1550nm 为三个主要应用的载波波长，对应频率为352.9 THz / 229.0 THz / 193.5 THz。调制信号的频率最高只有几十GHz量级，仅为载波频率的万分之一量级。波分复用技术，就是在光纤上同时利用多路不同波长的光载波传输信号而不会相互影响。

  相干调制和解调技术早已经在无线通信领域广泛应用，但是在光通信领域的应用却不广泛。究其原因就是光载波频率高达几百THz，远高于无线通信中的几十GHz量级，因此需要更复杂的技术和更高的成本才能从光信号中提取相位信息。得益于DSP技术的发展和大容量中长距离传输的需求，相干光传输技术在未来会扮演更重要的角色。

  一、非相干光通信

  我们首先从非相干光通信说起，其包含非相干调制和非相干解调两部分。非相干调制会对光信号的幅度进行模拟调制(AM)，需要激光器(或光调制器)尽量工作在线性区间。在传输NRZ数字信号时，我们用OOK(2ASK)做为一个简化版的调制模型以利于计算。下图中上面的绿色方波为调制信号(光通信中对应基频为几十GHz量级)，中间的粉色正弦波为载波信号(光通信中为几百THz)，下面的红色波形即为OOK调制后的信号。

  我们也可以从频域上对其进行分析。下图中载波信号为1310nm波长光源。我们用光谱仪就可以找到其对应的光谱的峰值频率为229THz。调制信号我们假设为20THz的方波周期信号以利于观察。其FFT对应峰值频率为(2n+1)*20THz，0Hz位置的峰对应直流分量。调制后信号频谱为载波和调制信号频谱的卷积，因此我们用高精度光谱仪可以同时观察到229THz处调制信号的直流分量以及其两侧(2n+1)*20THz处调制信号的交流分量对应的波峰。

  非相干解调是采用包络检测法来恢复信号。光探测器上就是一个低通滤波器以检测光信号的包络信息并将其转换为电信号。整个系统框图如下，误码率受信噪比影响。经过一通复杂的计算可得到在大信噪比情况下，

  r为解调器输入端的信噪比。

  注意这里我们只考虑了信道噪声，实际场景下每一部分器件都会引入或者过滤一部分噪声，导致误码率偏离理论值。

  二、相干光通信

  非相干光通信只是使用了幅度调制，虽然简单但是带宽利用率不高。在长距离大容量场景下，相干光通信渐成主流。其主要也包含相干调制和相干解调两部分。目前主流的两种调制方式是DP-QPSK和DP-16QAM，未来可能会用到DP-64QAM以进一步提升传输速率。这里DP是指利用光载波正交偏振态不相关的特性达到信号传输速率翻倍的效果。为了同时表征信号的幅度和相位信息，我们引入了星座图的概念。星座图的横坐标对应调制信号的同相分量I，纵坐标对应调制信号的正交分量Q。(前文中的OOK就是将坐标原点作为信号0，I轴上值为1的点作为信号1的调制技术)QPSK、16QAM和64QAM的矢量图如下所示：

  我们通过下图的架构即可实现IQ调制的效果。在相干光调制中，Osc是由本地未调制的窄线宽激光器加偏振分束器构成，然后通过外置的调相器实现编码和定量的相位延迟，最后合路输出。需要注意的一点是偏振分束器会产生两路相互正交的偏振光，每一路均可以进行QAM调制，从而达到DP的效果。因此DP-QPSK的带宽利用率是相同波特率NRZ幅度调制的4倍。

  既然可以通过输入NRZ信号来产生QPSK信号，我们也能通过输入高阶幅度调制信号生成更高阶的QAM信号。下图中即为通过输入一对PAM4信号来调制输出16QAM信号的原理图。借助飞速发展的DSP芯片技术，我们可以很方便地生成更高阶QAM信号。

  类比无线通信，我们也是通过EVM(Error Vector Magnitude)来评估相干光发射机信号的质量。如下图所示，实际输出的信号会在相位和幅度上偏离理想位置，我们通过EVM反映了实际信号偏离其理想位置的比例。

  在考虑存在EVM后，我们实际测到的发送端QPSK、16QAM和64QAM的矢量图可能会劣化到下图这个样子。不难发现，越是高阶调制对EVM的要求越高，目前主流的400G相干光调制不会超过16QAM，同时我们也会像PAM4一样借助FEC算法降低QAM调制对EVM的要求。未来64QAM能否在800G以上速率得以广泛应用需要综合考虑市场需求以及光电芯片的性能和成本。

  上面介绍的矢量图看起来都比较复杂，但是其本质上都是通过对光载波进行相位调制得到的，只是调制的复杂程度不一样而已。为了和OOK进行对比，我们分析一下2PSK场景下的误码率。其星座图和波形如下所示，和OOK相比2PSK的1对应载波不变，0对应载波由消失变成幅度不变的180度反向输出。

  相干光解调方式也比上面的包络检测要复杂一些。典型的零差检测系统如下所示，会需要用到和发送光源相干的光源2cosωc(t)进行混频以提取光信号中的相位成分。由于本地相干光源功率可以调的非常高，灵敏度只和经过信道衰减后载波的幅度呈线性相关。而上面的包络检测却是和衰减后载波幅度平方(光功率)相关联。这个混频效应可以大大提升相干光解调的灵敏度(20dB以上)。经过复杂的计算，我们可以得到2PSK的误码率为

  r为解调器输入端的信噪比。

  最后一步我们以 信噪比r为横坐标，误码率Pe为纵坐标分别画出OOK和2PSK对应的曲线，并对比差异。可以发现为了达到相同误码率，2PSK比OOK对高斯白噪声的容忍能力要好6dB以上。同时我们也考虑到非相干通信远距离传输场景需要用到大量EDFA等器件进行中继以补偿光纤衰减和色散等效应，提升了成本并降低了可靠性。而相干传输可以十分方便地利用DSP算法进行相位补偿，理论上可以将灵敏度做到量子极限。

  安立公司紧随相干光发展的趋势，在40/100G DP-QPSK时代即推出了MP1800A误码仪用于同时输出和检测多路相干调制信号。通过最新推出的MP1900A误码仪搭配Quantifi Photonics的相干光发射/接收器以及Tektronix高带宽实时示波器即可满足当前400G相干光需求，且未来可通过板卡升级支持800G、1.6T的应用。

  另外安立公司的模块化光电矢量网络分析仪ME7848A也可以用于评估相干光器件的带宽，测量范围高达70kHz~70GHz。其矢量网络分析仪主机部分最高支持到220GHz，随着未来更高带宽外置OE/EO的推出，可不断扩展更高速光器件的测试能力。

  参考文献：

  1.Trends in Telecommunications Technologies

  作者：张昊，安立公司高级应用工程师