光纤通信系统升级：相干探测突破容量与距离限制

光纤通信系统升级：相干探测突破容量与距离限制

光纤通信系统是支撑当今社会信息传输的重要技术力量。从二十世纪七十年代至今，光通信技术经历了从直接探测系统到相干探测系统的演进。本文将探讨相干光通信技术的发展背景、历史以及其在提升系统容量和传输距离方面的优势。

1.1 研究背景

如今光纤通信系统成为了支撑当今社会的主要技术力量之一，无数的科学家与工程师贡献出自己的智慧，其实，通信系统的使命非常简单——在同样的时间内将更多的信息不失真地传输到更远的地方，也就是说通信系统始终追求的目标是更大容量和更远的传输距离。

如同其他技术一样，通信技术的发展也经历了许多阶段，然而从同质的电缆到硅质的光缆无疑是一次质的改变。

图1 光纤通信系统容量与传输距离积的发展趋势

根据上图可以看到，在二十世纪七十年代，也就是1970年的年代，基于单模光纤和多模光纤的直接探测系统是占主导地位的，传输的波长一般选择在800nm和1300nm附近。到了二十几八十年代，也就是十年后，人们在光通信领域提出了相干探测的概念，并且随着技术的发展，传输的波长也选择在了损耗更小的1550nm附近。当时的相干系统使用的多是外差接收和模拟电信号处理，其整体性能的提升相较于基于单模光纤的直接探测系统并不明显。在二十世纪八十年代中期，掺饵光纤放大器（EDFA）的出现改变了光纤通信系统的发展方向。因为EDFA基于单模光纤来说，损耗小，并且免去了以往的光-电-光复杂的信号再生方式，有足够大的增益带宽允许C波段和L波段的信号通过，这良好的性能吸引了研究人员的注意，并且在二十世纪九十年代基于EDFA和SMF的波分复用系统得到了长足的发展，系统容量和传输距离都得到了空前的提升。

表1-1 光通信传输窗口

1.2 研究历史与前期情况

在光纤中传输的信号收到众多因素的限制，例如线路中的滤波器，EDFA的增益带宽以及光纤非线性等，并且光纤作为一种媒介，其材料本身会决定带宽的极限。在目前波长资源枯竭情况下，信号单通道的频谱利用率（SE）成为关键。此外，光纤的损耗使得信号每传输一定的距离就必须使用能量中继，例如光纤放大器，放大能量以提高传输距离。然而，目前所有类型的光放大器都会给信号引入额外的噪声，因此我们肯定希望能用相同能量的光信号可以传的更远，换句话说，能满足接收机要求的信号能量密度越小越好。

传统的强度调制和直接探测主要存在如下几点问题：

1、传统的平方率检测主要用的是光的强度信息并且对偏振不敏感，因此，在保证接收机不过分复杂的同时很难利用光的相位及偏振等自由度，从而导致很难使直接探测系统实现大于1.0的频谱利用率；

2、直接探测接收机的灵敏度一般只能到达热噪声极限；

3、直接探测对信号中残留的损伤无能为力，因为信号的缺失、光信号的损伤需要在光信道中加以补偿，而不能在接收之后再处理，这就增加了额外的补偿器件，甚至诸如非线性等损伤甚至没有相应的补偿器件。

相比之下，相干系统对于以上几点都有应对的解决方法：

1、相干探测基于信号光与参考光的干涉，充分利用了光信号的强度、相位及偏振等信息，从而使高阶调制格式可以在这种系统中得以运用，使得在现有WDM系统波长通道设置下频谱利用率得到成倍的增加。

2、相干探测可以通过使用大功率的本地参考激光使得相干接收机的灵敏度达到散射噪声极限，也就是说理论上相干接收机的灵敏度可以达到量子噪声极限，从而降低对系统光信噪比的要求，等效于增加了传输距离；

3、高速模数转换器（ADC）可以将光电转化后的信号近乎无损的采样成离散的数据点，而可软件自定义的数字信号处理器（DSP）可以用极少的代价甚至无损的对这些离散的数据进行处理，传统方法中的需要物理器件补偿的信号损伤以及时变性较强、需要自适应跟踪的信道损伤都可以在高度集成的芯片中以算法的形式来实现，并且由于DSP可软件定义的本质，数字化的相干接收机对未来光交换网络中的动态路由、混合调制格式以及前向纠错码（FEC）等技术有很强的适应能力。这些都是传统的直接探测系统无法想象的。

近代的相干系统的研究应该始于2003年，并逐渐成为光通信领域的主导。很多在无线领域中已经相对成熟的算法被借鉴到光通信系统来，但是光纤信道相对于无线通信，有着许多独特的特性，如较大的色散、偏振摸色散、大的载波线宽波特率以及光纤非线性等。

表1-2总结了前期光通信行业在会议上展示的大容量、高频谱利用率的相干光通信系统展示。

表1-2 前期高频谱利用率相干光通信波分复用系统展示

我们可以看到相干光通信的研究在调制格式阶数、单载波比特率及频谱利用率上均呈现持续增长的趋势，并且随着单波长可实现的比特率接近极限，新的技术如超级通道、正交频分复用（OFDM）、模分复用以及空分复用相继被用来进一步提升系统的频谱利用率。随着各大机构的研究工作逐渐展开，相信更高速的实时相干系统展示会紧随其后。