，是光纤通信领域的一项技术。相比于传统的非相干光通信，相干光通信具有传输距离更远、传输容量更大的技术优势，因此广受行业各界的关注，研究热度不断攀升。

  在介绍相干光通信之前，我们先简单了解一下什么是相干光。我们口头上经常说的“相干”，大家都理解，就是“互相关联或牵涉”的意思。光的相干（coherence），是指两个光波在传输的过程中，同时满足以下3个条件：

  这样的两束光，在传输时，相互之间能产生稳定的干涉（interference）。这种干涉，既可以是相长干涉（加强），也可以是相消干涉（抵消）。如下图所示：

  很多人可能会认为，相干光通信，是利用相干激光器进行传输通信。其实，这个说法是不对的。相干光通信和非相干光通信，所使用的激光器，没有本质的区别。

  相干光通信之所以叫“相干光通信”，并不是取决于传输过程中用的光，而是取决于在发送端使用了相干调制，在接收端使用了相干技术进行检测。

  上图：非相干光通信，下图：相干光通信（此图并不准确，只是简单示意一下）。区别在两端，不在传输路径上接收端的技术，是整个相干光通信的核心，也是它牛X的主要原因。

  我们可以先说结论：在相同条件下，相对于传统非相干光通信，相干光通信的接收机能提高灵敏度20db。

  这个提升非常惊人了，接近散粒噪声极限。在这个20db的帮助下，相干光通信的通信距离能提高n倍，达到千公里级别（非相干光大约只有几十公里）。你说香不香？

  早在上世纪80年代，光通信刚刚兴起的时候，美国、英国和日本等发达国家就已经进行了相干光通信的理论研究和实验，并取得了不错的成果。

  例如，美国AT&T及Bell公司，于1989和1990年在宾州的罗灵克里克地面站与森伯里枢纽站间，先后进行了1.3μm和1.55μm波长的1.7Gbps FSK现场无中继相干传输实验，传输距离达到35公里。

  后来，进入90年代，专家们发现，日益成熟的EDFA（掺铒光纤放大器）和WDM（波分复用）技术，可以更简单、更有效地解决了光通信的中继传输和扩容问题。

  到了2008年左右，随着移动网络的爆发，通信网络的数据流量迅猛增长，骨干网面临的压力陡增。

  此时，EDFA和WDM技术的潜力已经越来越小。光通信厂商们，迫切地需要找到新的技术突破点，提升光通信的传输能力，使用户得到满足需求，缓解压力。

  厂商们渐渐发现，随着数字信号处理（DSP）、光器件制造等技术的成熟，基于这些技术的相干光通信，刚好适合打破长距离大带宽光纤通信的技术瓶颈。

  于是乎，顺理成章地，相干光通信从幕后走向了台前，迎来了自己的“第二春”。

  首先采用复杂调制的相干光通信节省了光带宽资源，提升了光纤传输效率，是进一步提升传输带宽的绝佳选择。传统概念上光纤的带宽是不受限制的，然而随着速率的提升和波分复用技术的实施，我们仍旧是遇到了瓶颈。

  左图 能够正常的看到随着信号速率的提高，光信号的频谱也在变宽。当符号率提升至40 GBaud甚至100 GBaud时，OOK（把一个幅度取为0，另一个幅度为非0，就是OOK，On-Off Keying，该调制方式的实现简单），信号占用的带宽变得大于50-GHz ITU信道的带宽。从图中能够准确的看出，频谱加宽的信道开始与它们的相邻信道重叠，导致串扰的出现。

  右图 给出了使用多种不同技术的组合怎么样提高频谱效率的想法。举例来说，与NRZ-OOK调制格式相比，使用QPSK可以将符号利用率提升两倍。这样我们就使用一半的符号率传输同样速率的数据，占用的光谱带宽也减少了一半。然后通过上面我们说过的偏振复用PDM可以在同一个波长传递两个并行偏振通道，相当于提升两倍频谱效率。通过QPSK高阶调制和PDM偏振复用技术，我们将单波长通道的光信号频谱占用减小到了原来的四分之一。最后再利用脉冲整形滤波器进一步缩小占用频谱之后，可以在50GHz带宽的信道中传输112Gbps的数据。

  光相干接收机的另一个优点是数字信号处理功能。数字相干接收机的解调过程是完全线性的；所有传输光信号的复杂幅度信息包括偏振态在检测后被保存分析，因此能进行各种信号补偿处理，比如做色度色散补偿和偏振模式色散补偿。这就使得长距离传输的链路设计变得更加简单，因为传统的非相干光通信是要通过光路补偿器件来进行色散补偿等工作的。（传统传输链路的色散问题，即光信号各个组成成分在光纤中传输时，抵达时间不一样。）

  相干接收机比普通的接收机灵敏度高大约20dB，因此在传输系统中无中继的距离就会越长。得益于接收机的高灵敏度，我们可以减少在长距离传输光路上进行放大的次数。

  基于以上原因，相干光通信可以减少长距离传输的光纤架设成本，简化光路放大和补偿设计，因此在长距离传输网上成为了主要的应用技术。

  前面和大家说了，相干光通信主要利用了两个关键技术，分别是相干调制和外差检测。

  在此前的文章《漫线）》（点击标题可查看原文）中介绍过光载波调制的内容。我们说过，在落后的IM-DD（强度调制-直接检测）系统中，只能使用强度（幅度）调制的方式，通过电流改变激光强度，产生0和1，以此实现对光波进行调制。

  直接调制，非常简单，但是能力弱，问题多。而在相干光通信系统中，除了可以对光进行幅度调制之外，还可以采用外调制的方式，进行频率调制或相位调制，例如PSK、QPSK、QAM等。

  更多的调制方式，不仅增加了信息携带能力（单个符号可以表示更多的比特），也适合工程上的灵活应用。下面这张图，就是一个外调制的示意图：

  如图所示，在发送端，采用外调制方式，使用基于马赫-曾德尔调制器（MZM）的IQ调制器，实现高阶调制格式，将信号调制到光载波上，发送出去。（具体原理，回顾前文）

  首先，利用一束本机振荡产生的激光信号（本振光），与输入信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。

  这其实是一个“放大”的过程。在相干光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小，与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。由于本振光的功率远大于信号光的功率，所以，输出光电流大幅增加，检测灵敏度也就随之提升了。

  换句话说，非相干光通信，是在传输过程中，使用很多的放大器，不断中继和放大信号。而相干光通信，直接在接收端，对微弱的到达信号进行混频放大。这就是相干光通信技术的本质。

  混频之后，用平衡接收机进行检测。根据信号光和本振光的频率值的差异，相干检测分为零差检测、外差检测以及内差相干检测。无论是零差检测、外差检测还是内差检测，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。

  外差检测相干光通信，经光电检波器获得的是中频信号。还需要进行二次解调，才能被转换成基带信号。零差和内差检测两种方式带来的噪声较小，减小了后续数字信号处理的功率开销和对相关器件的要求，所以最为常用。零差检测相干光通信，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号，不需要进行二次解调、信噪比最高。但它要求本振光频率与信号光频率要求严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

  光信号在光纤链路中传输时，会产生失真，也就是不利的变化。数字信号处理技术，说白了，就是利用数字信号比较容易处理的特点，去对抗和补偿失真，降低失真对系统误码率的影响。它开创了光通信系统的数字时代，是相干光通信技术的重要支撑。数字信号处理（DSP）技术，不仅用于接收机，也用于发送机。如下图所示：

  从上面的图可以看出，DSP技术进行了各种信号补偿处理，比如色度色散补偿和偏振模式色散补偿（PMD）等。

  传统的非相干光通信，是要通过光路补偿器件，进行色散补偿等工作的。它的补偿效果远远不如DSP。

  DSP技术的引入，简化了系统设计，节约了成本，省去了系统中原有的色散补偿模块（DCM）或色散补偿光纤等，使得长距离传输的链路设计变得更加简单。

  随着DSP的更迭发展，更多的算法和功能在不断的加入，如非线性补偿技术、多编码调制解调技术。

  在这个案例中，发送端采用了ePDM-QPSK高阶调制，接收端采用了相干检测接收技术。

  1、经过数字信号处理和数模转换后的112Gbps信号码流，进入光发送端后，经过“串行-并行”转换，变成4路28Gbps的信号；

  2、激光器发射的信号，通过偏振分束器，变成x、y两个垂直方向偏振的光信号；

  3、通过MZM调制器组成的高阶调制器，对x、y偏振方向的光信号进行QPSK高阶调制；

  6、通过相干检测接收，X、Y两个垂直方面偏振的信号，变成电流/电压信号；

  7、通过ADC模数转换，将电流电压信号变成0101...这样的数字码流；

  在相干光通信中，相干检测要求信号光与本振光的偏振方向相同，即两者的电矢量方向必须相同，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。因为，在这种情况下，只有信号光电矢量在本振光电矢量方向上的投影，才能真正对混频产生的中频信号电流有贡献。为了保证高灵敏度，必须采取光波偏振稳定措施。

  一，采用“保偏光纤”，使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。（普通的单模光纤，会由于光纤的机械振动或温度变化等因素，使光波的偏振态发生变化。）

  在相干光通信中，半导体激光器的频率稳定性非常重要。而激光器的频率，对工作温度与电流变化非常敏感。如果激光器的频率随工作条件的不同而发生漂移，就会影响中频电流，进而提升误码率。

  在相干光通信中，光源的频谱宽度也非常重要。只有保证光波的窄线宽，才能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响。而且，其线宽越窄，由相位漂移而产生的相位噪声越小。为了满足相干光通信对光源谱宽的要求，通常会采取谱宽压缩技术。

  看到这里，大家对相干光通信技术的特点应该是非常了解了。简而言之，它是一种先进且复杂的光传输系统，适用于更长距离、更大容量的信息传输。而且，相干光通信改造，可以直接利旧现有的光纤光缆，成本可控。

  在现实应用中，相干光通信可以用于现有骨干网WDM波分复用系统的升级，也可以用于5G的中回传场景。甚至城域FTTx光纤接入，都开始研究相干光通信的引入。

  目前，对相干光通信最热门的讨论，集中在“数据中心互联”场景，也就是我们现在常说的DCI（Data Center Interconnect）。

  DCI互联对长距离相干光模块的需求非常强烈。尤其是今年国家大力推动“东数西算”，对相干光通信市场有不小的刺激作用。

  另外值得一提的是，相干光通信在星间自由空间光链路通信领域（也就是卫星通信），也是研究热门。光载波的传送带宽大、质量体积小、功耗低、抗干扰和抗截获性能强，非常适合用于卫星通信。相干光通信技术，已经成为卫星通信领域的“潜力股”。

  我们在前一篇《漫线）》（点击标题可查看原文）中，并没有谈到相干光模块的指标定义，主要是目前还没有哪个标准对这些指标进行详细的说明，下面我们就来看看是德科技对相干通信的指标都有哪些建议吧。

  从OOK中可知质量衡量标准为在假设高斯噪声分布的情况下，从眼图中估计出的误码率(BER)和Q因子。QPSK调制是在100 Gbps传输系统中广泛使用的一种复杂调制格式，使用两个眼图将其中I-和Q映射到两个独立的眼图上，用眼图也可以推导出上述质量参数。

  在下图中，在Q 眼图中有一个从0到1的过渡，用紫色表示，而对于I，用红色表示从1到0的过渡。由于I和Q分量是decoupled的，因此不能将此信息无歧义地投射到IQ-diagram中的符号转换。左边的示例可能是从01或00到11或10的转换，因此可以考虑四种可能的转换。同样的当映射Q分量时，是类似的。

  QPSK—信号I、Q分量(单偏振)眼图中，IQ图中符号转换的映射总是模棱两可的，I和Q路径之间的时间偏差只在IQ图中可见

  这种模棱两可可能并不一定会造成问题。然而，如果IQ图发生扭曲或是失真，并不会反映在两个单独的I和Q眼图上。比如说在上图中，两个IQ图中的弯曲对角线转换指向I和Q路径之间的时间偏差，并且很显然I是在Q之前，这在两个眼图中却是看不到的。对于更高阶的格式，事情会变得更加复杂。查看下图，使用特殊的16-QAM格式。如何将其映射到眼图?

  该图还提醒我们，在复杂调制中，在IQ平面图中判断信号质量更有意义，因为一些失真在此图中看得更加明显。

  其实，这个问题在很多年前在RF领域就已经用直观的方法解决了，即取一个测量点到最近的理想星座点的距离。这个概念适用于任何可以在星座图中显示的调制格式。

  其中N为计算EVM均方根时考虑的测试点个数。除以峰值参考向量的大小能够直接进行归一化。在图25所示的QPSK信号示例中，四个星座点周围的实测红点误差矢量大小为5%。

  由EVM，还可以推导出信噪比(SNR)。它也称为调制误码率(MER)，定义为传输信号的平均符号功率与噪声功率之比。这包括任何导致符号偏离其理想状态的因素：

  对于只有高斯噪声的情况，可以直接从EVM中预测误码率。如果EVM还受到来自其他失真的影响，那么预测就会变得更复杂。如果使用简单的模型，测量的误码率没有预测的那么高，因此预测的误码率提供了一个上限。

  通过查看IQ图中的转换，并绘制EVM与时间或频率的关系图，可以帮助找到失真的根本原因。

  在下图中有两个例子。在左边，将被测信号与“无限”带宽的参考信号进行比较；在右侧，将相同的测量结果与使用升余弦滤波器创建的参考信号作比较。两者在符号时间都显示相同的EVM值。

  相同的EVM值，但是EVM与时间的关系揭示了“无限”带宽的问题（左边），而不是升余弦滤波器的问题（右边）

  但从EVM随时间的演化来看，测量到的信号与“无限”带宽参考信号的偏差是由高EVM值反映的。如果发射机中使用的升余弦滤波器具有与参考信号相同的特性，则在符号(右侧)之间的转换时间EVM也较低。这种分析可以有助于你发现信号在跳变及过渡过程中产生的那些错误信息。

  除了EVM外，IQ图还可以推导出其他误差参数，让我们找到光通信系统问题的根源。

  下图给出了一个增益不平衡约为2dB的示例，说明存在一个问题。I和Q的大小相差1.26倍。

  增益不平衡可能是由于发射机侧马赫-曾德尔调制器的射频驱动幅值不平衡造成的。

  IQ Offset描述星座图从原始点的偏移量（即中心频率的功率与平均信号功率的比值）。

  该数据根据结果得出了载波馈通信号的大小。当没有载波通过时，IQ偏移量为零（-无穷大dB）。为信号与偏移量之比：

  IQ偏移通常是由调制器的I或Q路径上的直流偏移或较小的RF驱动振幅和错误的偏置点引起的。

  正交误差量化了I和Q正交相位间的差值。理想情况下，I和Q应该正交(90度)。在下图中，IQ的正交误差接近10度，这在某种程度上预示着I和Q相距80度。

  正交误差通常指向发射机一侧的问题，其中IQ 90°移相器可能有错误的偏置点。在这种情况下，眼图也是变形的。

  频率误差显示了载波相对于本振的频率误差。这个误差数据以赫兹表示，它是必须在数字域中添加的频率偏移量，以实现载波锁定。可以补偿的最大频率误差取决于所使用的调制格式（比较图30）。

  不同调制格式的频率误差和最大频率误差示例（注：频率误差不影响EVM的测量！）

  相位误差可由载波或本振激光器的相位噪声引起。它也会导致时变频率误差。激光的相位噪声通常用激光线宽进行量化。可以用下面的步骤估计激光线宽，使用卡尔曼滤波相位跟踪算法（见卡尔曼基于滤波器的复杂信号估计和解调），相位误差能够最终靠傅里叶变换，对相位误差频谱进行随时间的估计获得。

  通过将模型拟合到相位误差谱（见窄线宽相干传输系统连续波激光相位噪声的表征方法）在实际应用中，激光线宽可作为自由拟合参数之一。

  IQ Skew测量的是发射器上每个偏振态的I-和Q -信号之间的时间偏差。这是经过测量符号时钟的相位差使用下面的方程：

  IQ Skew将导致失真的IQ曲线和EVM值的增加。当把独立的I眼图和Q眼图重叠时，能够正常的看到它们相对于彼此的位移。在非常干净的星座情况下，也可以观察到，在不同的路径之上向上和向下的45度跳变。

  在X和Y偏振之间也有几率存在时间偏差。它的计算公式与IQ偏差相同。X-Y偏振Skew不是影响信号质量测量的一个关键参数，但是实际的接收机只能容忍一定的X-Y偏差。注意，Keysight OMA软件只报告X-Y Skew的数值。由于应用了时间校正，相应的眼图不会显示出Skew的影响。

  X-Y偏振不平衡是由于X-和Y-的功率水平不同造成的，根据光功率水平Px和Py计算上限功率变化值ΔPpol如下：

  总而言之，相干光通信技术的回归和普及，有利于进一步挖掘光通信的性能潜力，提升极限带宽，降低部署成本。

  相干传输技术，无论是检测还是相干光接收一直都是光通信领域的核心技术之一。它的频谱效率比任何直接传输格式都要高，尤其是在长距离和高数据速率的情况下，它既能保持优异的传送性能又能克服信号高速传输而产生的严重损耗。

  然而，即使在较短的距离，如已经使用的城域数据中心互连(DCI)，以及在数据中心内部，传统的直接传输方式也有一定的可能慢慢被抛弃，以进行相干调制。而未来将会告诉我们，相干传输和直接探测方式谁会因为其在价格、大小和功耗方面的优势而占上风。

  最后，我们以两张表格来看看各通信设施大厂最新的相关光模块情况（注：第一张表主要比较最大速率，有不少光模块厂家也已经发布了400G-ZR/400G-ZR+/800G-ZR的模块，表中没有一一列举，第二张表主要比较下一代波分800G相干光模块的最远传输距离）