「硬核扫盲」到底什么是相⼲光通信？
引⾔：
⼤家好，我是⼩枣君。今天这篇⽂章，我们来聊聊⼀个“⽹红”技术——相⼲光通信。 相⼲光通信，英⽂全称叫做Coherent Optical Communication，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。 █什么是相⼲光
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：
1、频率（波长）相同；
2、振动⽅向相同；
3、相位差恒定。
相⼲光
这样的两束光，在传输时，相互之间能产⽣稳定的⼲涉（interference）。
无动力风球这种⼲涉，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：
很显然，相长⼲涉可以让光波（信号）变得更强。web前端性能优化
⼤家可以回忆⼀下著名的杨⽒双缝⼲涉实验
写字机器人█什么是相⼲光通信
好了，接下来我们进⼊正题，说说什么是相⼲光通信。
很多⼈可能会认为，相⼲光通信，就是利⽤相⼲光进⾏传输通信。
其实，这个说法是不对的。相⼲光通信和⾮相⼲光通信，基本都是⽤的激光，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
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，也是它⽜逼的主要原因。
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可以提升灵敏度20db。
20db是什么概念？100倍！
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可以提升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？
█相⼲光通信的发展背景
相⼲光通信技术这么厉害，它是⼀个新技术吗？
并不是。
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。
于是，相⼲光通信的技术研究，就被冷落了。
到了2008年左右，随着移动互联⽹的爆发，通信⽹络的数据流量迅猛增长，⾻⼲⽹⾯临的压⼒陡增。分界开关控制器
此时，EDFA和WDM技术的潜⼒已经越来越⼩。光通信⼚商们，迫切需要到新的技术突破点，提升光通信的传输能⼒，满⾜⽤户需求，缓解压⼒。
金属净洗剂⼚商们渐渐发现，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”。
█相⼲光通信的技术原理
接下来进⼊硬核阶段，我们详细解析⼀下相⼲光通信的技术原理。
前⾯⼩枣君和⼤家说了，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。
我们先看看光发送机这边的相⼲调制。
在此前的⽂章（链接）中，⼩枣君介绍过光载波调制的内容。
我说过，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，
我说过，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，还是请参考刚才的⽂章链接：链接）
到了接收端，正如前⽂所说，进⼊关键环节了。
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。
光接收机的⼤致结构
放⼤来看
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。
测量温度表换句话说，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。
根据本振光信号频率与信号光频率的不等或相等，相⼲光通信可分为外差检测、内差检测、零差检测。
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。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。
接下来，是同样⾮常重要的数字信号处理（DSP）环节了。
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。
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：
再来⼀张图，帮助理解：
数字转模拟，模拟转数字
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。
DSP的各种补偿和估算
DSP各模块的作⽤
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。
常⽤的补偿算法
DSP处理之后，就输出了最终的电信号。
接下来，我们通过⼀个100G相⼲传输的案例，回顾⼀下整个过程。
图⽚来⾃⽹络
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。
具体过程如下：
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；
4、调制好的偏振光信号，通过偏振合波器，合路到⼀根光纤上，进⾏传输；
5、接收端收到信号后，将信号分离到X、Y两个垂直的偏振⽅向上；
5、接收端收到信号后，将信号分离到X、Y两个垂直的偏振⽅向上；
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这样的数字码流；
8、通过数字信号处理，去除⾊散、噪声、⾮线性等⼲扰因素，还原出112Gbps的电信号码流，结束。
█相⼲光通信的其它⽀撑技术
相⼲光通信的性能强⼤，但是系统复杂度⾼，技术实现难度⼤。
⾮相⼲光 VS 相⼲光（图⽚来⾃通信百科）
想要实现相⼲光通信的实际应⽤，还要依赖以下⼏项技术：
•偏振保持技术
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。
为了保证搞灵敏度，必须采取光波偏振稳定措施。
⽬前主要有两种⽅法：
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。）
⼆，使⽤普通的单模光纤，但是在接收端采⽤偏振分集技术。
•频率稳定技术
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。
•频谱压缩技术
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。
█相⼲光通信的应⽤
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。
在光纤的长距离传输中，⼀般每80km的跨度，就会采⽤EDFA（掺铒光纤放⼤器）。
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