浅论相干光通信
一、研究背景
尽管波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的应用已经极大的提高了光通信系统的带宽和传输距离，伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用ASK调制格式，其单路信道带宽很有限。因此这种传统光通信技术势必会被更先进的技术所代替。
然而在通信泡沫破灭的今天，新的光通信技术的应用不可避免的会带来对新型通信设备的需求，面对居高不下的光器件价格，大规模通信设备更换所需要的高额成本，是运营商所不能接受的，因此对设备制造商而言，光纤通信新技术的研发也面临着很大的风险。
如何在现有的设备基础上提高光通信系统的性能成为了切实的问题。在这样的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技术，再一次被放到了桌面上。
相干光通信的理论和实验始于80年代。由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高的优势，各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。经过十年的研究，相干光通信进入实用阶段。英美日等国相继进行了一系列相干光通信实验。直到20世纪80年代末，EDFA和WDM技术的发展，使得相干光通信技术的发展缓慢下来。在这段时期，灵敏度和每个通道的信息容量已经不再备受关注。然而，直接检测的WDM系统经过二十年的发展和广泛应用后，新的征兆开始出现，标志着相干光传输技术的应用将再次受到重视。
在数字通信方面，扩大C波段放大器的容量，克服光纤色散效应的恶化，以及增加自由空间传输的容量和范围已成为重要的考虑因素。在模拟通信方面，灵敏度和动态范围成为系统的关键参数，而他们都能通过相关光通信技术得到很大改善。
二、相干光通信系统的组成及基本原理
强度调制-直接检波系统，虽然可以通过高码速来实现大容量传输，而且具有调制、解调较容易的优点，但是，从理论上来讲，这种调制系统所采用的光源不是理论上单一频率的相干光源，而有相当的频宽、对这种由一个频带组成的光源进行强度调制（调整个信号的光强），显然，已调信号就具有相当宽的带宽（当然，相对于光纤本身的传输带宽来讲，仍然是个窄频带）。另外，在强度调制中，仅仅利用了光的振幅参量，相当于早期无线电通信中采用火花发射机那样，是一种噪声通信系统。它的传输容量和中断距离都受到限制。
相干光通信系统则采用单一频率的相干光做光源（载波），沿用无线电技术中早已实现的相干通信方式，再配合幅移键控（ASK）,频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等调制方式，实现一种新型的光纤通信方式----这就是理论上具有先进性的外差光纤通信系统。
相干光通信系统的基本结构如图1所示。图中的光载波经调制器受数字信号调制后形成已调信号光波。调制方式有很多种，将光信号通过调幅、调频或调相的方式被调制（设调制频率为ωs）到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率为ωL本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得了中频频率为ωIF=ωs-ωL的输出电信号，因为ωIF≠0，故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率ωIF=0（即ωs=ωL）时，则称之为零差检测，此时在接收端可以直接产生基带信号。
图1相干光通信系统的构成
由于相干光检测方法对被接收信号，以及本地振荡器信号的偏振状态都很敏感，需要利用保偏光纤或普通单模光纤加偏振控制器。在外差或零差接收机中都要用到自动频率控制电路，以保证本地振荡器频率的发射频率相对于信号光具有确定的关系。
根据平面波的传播理论，可以写出接收光信号Es （t ）和本振光信号E （t ）的复数电场分布表达式为
式中，
Es-----接收光信号的电场幅度值；
E L ----本振光信号电场幅度值
Φs-----接收光信号的相位调制信息
ΦL ----本振光的相位的调制信息
当Es （t ）和E L （t ）彼此相互平行，均匀地入射到光电监测器表面上时，由于总入射光强I 正比于[Es （t ）+E L （t ）]，即
)cos(2)(L S IF L S L S t P P R P P R I Φ-Φ+++=ω （1）
式中，R 为光电监测器的相应度，P S 、P L 分别为接收光信号和本振光信号。
一般情况下P L >>P S ,,这样式（1）可以简化成
)cos(2L S IF L S L t P P R RP I Φ-Φ++≈ω （2）
从上式中可以看出，其中第一项为与传输信息无关的直流项，因而经外差检测后的输出信号电流为（2）中的第二项，很明显其中含发射端传送信息：
)cos(2)(L S IF L S out P P R t i Φ-Φ+=ω （3）
对零差检测，ωIF =0输出信号电流为
)cos(2)(L S L s out P P R t i Φ-Φ= （4）
从式（3）和式（4）可以清楚地看到：
1) 即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与L P 成正比，仍能够通过增大
PL 而获得足够大的输出电流，这样，本振光相干检测中还起到了光放大的作
用，从而提高了信号的接收灵敏度。
2) 由于在相干检测中，要求ωS -ωL 随时保持常数（ωIF 或0），因而要求系统中
所使用的光源具备非常高的频率稳定性、非常窄的光谱宽度以及一定的频率调
谐范围。
3) 无论外差检测还是零差检测，其检测根据都来源于接收光信号与本振光信号之
间的干涉，因而在系统中，必须保持它们之间的相位锁定，或者说具有一致的偏振方向。
按上面的分析，相干光纤通信系统的基本框图如图2所示，由图可以清楚地看出，该系统由光发射机、光纤和光接收机组成。
光接收机
光发送机
图2 相干光纤通信系统基本框图
相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不像自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。激光就是一种相干光。所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。
相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源，该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下，进行光电混频。混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与信号光波的差频信号。由于该差频信号的变化规律与信号光波的变化规律相同，而不像直检波通信方式那样，检测电流只反映光波的强度，因而，可以实现幅度、频率、相位和偏振等各种调制方式。根据本振光波的频率与信号光波的频率是否相等可以将相干光通信系统分为两类：当本振光频率和信号光频率之差为一非零定值时，该系统称为外差接收系统；当本振光波的频率和相位与信号光波的频率和相位相同时，称为零差接收系统。但不管采用何种接收方式其根本点是外差检测。
三、 相干光通信中的关键技术
1. 光源技术
