技術文章 | 相干光通信初探

  最近相干光通信越來越火，雖然大部分工程師都知道它傳輸距離長的優(yōu)勢，但不知道其機制。筆者期望通過該文章在原理對其進行解析。

  光通信從字面上理解就是利用光作為載波進行信號傳輸。其本質是通過對光載波進行調制的帶通傳輸技術，這點和無線通信可以類比。由于光纖的衰減和色散特性，850nm / 1310nm / 1550nm 為三個主要應用的載波波長，對應頻率為352.9 THz / 229.0 THz / 193.5 THz。調制信號的頻率最高只有幾十GHz量級，僅為載波頻率的萬分之一量級。波分復用技術，就是在光纖上同時利用多路不同波長的光載波傳輸信號而不會相互影響。

  相干調制和解調技術早已經(jīng)在無線通信領域廣泛應用，但是在光通信領域的應用卻不廣泛。究其原因就是光載波頻率高達幾百THz，遠高于無線通信中的幾十GHz量級，因此需要更復雜的技術和更高的成本才能從光信號中提取相位信息。得益于DSP技術的發(fā)展和大容量中長距離傳輸?shù)男枨?，相干光傳輸技術在未來會扮演更重要的角色。

  一、非相干光通信

  我們首先從非相干光通信說起，其包含非相干調制和非相干解調兩部分。非相干調制會對光信號的幅度進行模擬調制(AM)，需要激光器(或光調制器)盡量工作在線性區(qū)間。在傳輸NRZ數(shù)字信號時，我們用OOK(2ASK)做為一個簡化版的調制模型以利于計算。下圖中上面的綠色方波為調制信號(光通信中對應基頻為幾十GHz量級)，中間的粉色正弦波為載波信號(光通信中為幾百THz)，下面的紅色波形即為OOK調制后的信號。

  我們也可以從頻域上對其進行分析。下圖中載波信號為1310nm波長光源。我們用光譜儀就可以找到其對應的光譜的峰值頻率為229THz。調制信號我們假設為20THz的方波周期信號以利于觀察。其FFT對應峰值頻率為(2n+1)*20THz，0Hz位置的峰對應直流分量。調制后信號頻譜為載波和調制信號頻譜的卷積，因此我們用高精度光譜儀可以同時觀察到229THz處調制信號的直流分量以及其兩側(2n+1)*20THz處調制信號的交流分量對應的波峰。

  非相干解調是采用包絡檢測法來恢復信號。光探測器上就是一個低通濾波器以檢測光信號的包絡信息并將其轉換為電信號。整個系統(tǒng)框圖如下，誤碼率受信噪比影響。經(jīng)過一通復雜的計算可得到在大信噪比情況下，

    

  r為解調器輸入端的信噪比。

  注意這里我們只考慮了信道噪聲，實際場景下每一部分器件都會引入或者過濾一部分噪聲，導致誤碼率偏離理論值。

  二、相干光通信

  非相干光通信只是使用了幅度調制，雖然簡單但是帶寬利用率不高。在長距離大容量場景下，相干光通信漸成主流。其主要也包含相干調制和相干解調兩部分。目前主流的兩種調制方式是DP-QPSK和DP-16QAM，未來可能會用到DP-64QAM以進一步提升傳輸速率。這里DP是指利用光載波正交偏振態(tài)不相關的特性達到信號傳輸速率翻倍的效果。為了同時表征信號的幅度和相位信息，我們引入了星座圖的概念。星座圖的橫坐標對應調制信號的同相分量I，縱坐標對應調制信號的正交分量Q。(前文中的OOK就是將坐標原點作為信號0，I軸上值為1的點作為信號1的調制技術)QPSK、16QAM和64QAM的矢量圖如下所示：

  我們通過下圖的架構即可實現(xiàn)IQ調制的效果。在相干光調制中，Osc是由本地未調制的窄線寬激光器加偏振分束器構成，然后通過外置的調相器實現(xiàn)編碼和定量的相位延遲，最后合路輸出。需要注意的一點是偏振分束器會產生兩路相互正交的偏振光，每一路均可以進行QAM調制，從而達到DP的效果。因此DP-QPSK的帶寬利用率是相同波特率NRZ幅度調制的4倍。

  既然可以通過輸入NRZ信號來產生QPSK信號，我們也能通過輸入高階幅度調制信號生成更高階的QAM信號。下圖中即為通過輸入一對PAM4信號來調制輸出16QAM信號的原理圖。借助飛速發(fā)展的DSP芯片技術，我們可以很方便地生成更高階QAM信號。

  類比無線通信，我們也是通過EVM(Error Vector Magnitude)來評估相干光發(fā)射機信號的質量。如下圖所示，實際輸出的信號會在相位和幅度上偏離理想位置，我們通過EVM反映了實際信號偏離其理想位置的比例。

  在考慮存在EVM后，我們實際測到的發(fā)送端QPSK、16QAM和64QAM的矢量圖可能會劣化到下圖這個樣子。不難發(fā)現(xiàn)，越是高階調制對EVM的要求越高，目前主流的400G相干光調制不會超過16QAM，同時我們也會像PAM4一樣借助FEC算法降低QAM調制對EVM的要求。未來64QAM能否在800G以上速率得以廣泛應用需要綜合考慮市場需求以及光電芯片的性能和成本。

  上面介紹的矢量圖看起來都比較復雜，但是其本質上都是通過對光載波進行相位調制得到的，只是調制的復雜程度不一樣而已。為了和OOK進行對比，我們分析一下2PSK場景下的誤碼率。其星座圖和波形如下所示，和OOK相比2PSK的1對應載波不變，0對應載波由消失變成幅度不變的180度反向輸出。

  相干光解調方式也比上面的包絡檢測要復雜一些。典型的零差檢測系統(tǒng)如下所示，會需要用到和發(fā)送光源相干的光源2cosωc(t)進行混頻以提取光信號中的相位成分。由于本地相干光源功率可以調的非常高，靈敏度只和經(jīng)過信道衰減后載波的幅度呈線性相關。而上面的包絡檢測卻是和衰減后載波幅度平方(光功率)相關聯(lián)。這個混頻效應可以大大提升相干光解調的靈敏度(20dB以上)。經(jīng)過復雜的計算，我們可以得到2PSK的誤碼率為

    

  r為解調器輸入端的信噪比。

  最后一步我們以 信噪比r為橫坐標，誤碼率Pe為縱坐標分別畫出OOK和2PSK對應的曲線，并對比差異。可以發(fā)現(xiàn)為了達到相同誤碼率，2PSK比OOK對高斯白噪聲的容忍能力要好6dB以上。同時我們也考慮到非相干通信遠距離傳輸場景需要用到大量EDFA等器件進行中繼以補償光纖衰減和色散等效應，提升了成本并降低了可靠性。而相干傳輸可以十分方便地利用DSP算法進行相位補償，理論上可以將靈敏度做到量子極限。

  安立公司緊隨相干光發(fā)展的趨勢，在40/100G DP-QPSK時代即推出了MP1800A誤碼儀用于同時輸出和檢測多路相干調制信號。通過最新推出的MP1900A誤碼儀搭配Quantifi Photonics的相干光發(fā)射/接收器以及Tektronix高帶寬實時示波器即可滿足當前400G相干光需求，且未來可通過板卡升級支持800G、1.6T的應用。

  另外安立公司的模塊化光電矢量網(wǎng)絡分析儀ME7848A也可以用于評估相干光器件的帶寬，測量范圍高達70kHz~70GHz。其矢量網(wǎng)絡分析儀主機部分最高支持到220GHz，隨著未來更高帶寬外置OE/EO的推出，可不斷擴展更高速光器件的測試能力。

  參考文獻：

  1.Trends in Telecommunications Technologies

  作者：張昊，安立公司高級應用工程師