CSCM1、相干光通信的基本工作原理
相干光通信的基本工作原理如圖1所示。在傳送端，採用外光調製方式將信號以調幅、調相或調頻的方式調製到光載波上，再經光匹配器送入光纖中傳輸。當信號光傳輸到達接收端時，首先與一本振光信號進行相干混合，然後由探測器進行探測。其中，發射端的光匹配器是保證從光調製器輸出的已調光波的空間複數幅度分布和單模光纖中的基模HE11之間有儘可能好的匹配，以及已調光波的偏振狀態和單模光纖中的本徵偏振狀態相匹配。接收端的光匹配器是為了達到光混頻器最大可能的混頻效率而使接收的光複數振幅和偏振與本振光波相匹配。光隔離器的作用是避免反射光反饋回信號光源或本振光源而引起光源頻譜發生展寬，甚至是多縱模工作。相干光通信根據本振光信號頻率與接收到的信號光頻率是否相等，可分為外差檢測相干光通信和零差檢測相干光通信。前者經光電檢波器獲得的是中頻信號，中頻信號還需二次解調才能被轉換成基帶信號。根據中頻信號的解調方式不同，外差檢測又分為同步解調和包絡解調。外差同步解調如圖 2所示，探測器上輸出的中頻信號通過一個中頻帶濾波器後分成兩路，其中一路用作中頻載頻恢復，恢復出的中頻載波與另一路中頻信號進行混頻，再由低通濾波器輸出基帶信號。外差包絡解調是在包絡檢測器後接一個低通濾波器而直接檢測出基帶信號。外差檢測相干光通信不要求本振光與信號光之間的相位鎖定和光頻率嚴格匹配。後者，光信號經光電檢波器後被直接轉換成基帶信號，而不用二次解調，但它要求本振光頻率與信號光頻率嚴格匹配，並且要求本振光與信號光的相位鎖定。
2、相干光通信的優點
相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調性等特點。與IM-DD系統相比，具有以下獨特的優點。
2.1 靈敏度高，中繼距離長
相干光通信的一個最主要的優點是相干探測能改善接收機的靈敏度。在相干光通信系統中，經相干混合後的輸出光電流的大小與信號光功率和本振光功率的乘積成正比；由於本振光功率遠大於信號光功率，從而使接收機的靈敏度大大提高，以致於可以達到探測器的點噪聲極限，並因此也增加了光信號的傳輸距離。
2.2 選擇性好，通信容量大
相干光通信的另一個主要優點是可以提高接收機的選擇性，從而可充分利用光纖的低損耗光譜區(1.25～ 1.6μm)，提高光纖通信系統的信息容量。如利用相干光通信可實現信道間隔小於1～ 10 GHz的密集頻分復用，充分利用了光纖的傳輸頻寬，可實現超高容量的信息傳輸。
2.3 可以使用電子學的均衡技術來補償光纖中光脈衝的色散效應
如將外差檢測相干光通信中的中頻濾波器的傳輸函式正好與光纖的傳輸函式相反，即可降低光纖色散對系統的影響。
2.4 具有多種調製方式。
在直接檢測系統中，只能使用強度調製方式對光波進行調製。而在相干光通信中，除了可以對光波進行幅度調製外，還可以進行頻率調製或相位調製，如ASK、FSK、PSK、DPSK、CPFSK等，具有多種調製方式。
3、相干光通信的關鍵技術
為了實現準確、有效、可靠的相干光通信，應採用以下關鍵技術。
3.1 外光調製技術
由於半導體雷射器光載波的某一參數直接調製時，總會附帶對其他參數的寄生振盪，如ASK 直接調製伴隨著相位的變化，而且調製深度也會受到限制。另外，還會遇到頻率特性不平坦及張遲振盪等問題。因此，在相干光通信系統中，除FSK 可以採用直接注入電流進行頻率調製外，其他都是採用外光調製方式。
外光調製是根據某些電光或聲光晶體的光波傳輸特性隨電壓或聲壓等外界因素的變化而變化的物理現象而提出的。外光調製器主要包括三種：利用電光效應製成的電光調製器、利用聲光效應製成的聲光調製器和利用磁光效應製成的磁光調製器。採用以上外調製器，可以完成對光載波的振幅、頻率和相位的調製。目前，對外光調製器的研究比較廣泛，如利用T1擴散LiNbO3馬赫干涉儀或定向耦合式的調製器可實現ASK 調製，利用量子阱半導體相位外調製器或LiNbO3相位調製器實現PSK調製等。
3.2 偏振保持技術
在相干光通信中，相干探測要求信號光束與本振光束必須有相同的偏振方向，也就是說，兩者的電矢量方向必須相同，才能獲得相干接收所能提供的高靈敏度。否則，會使相干探測靈敏度下降。因為在這種情況下，只有信號光波電矢量在本振光波電矢量方向上的投影，才真正對混頻產生的中頻信號電流有貢獻。若失配角度超過60°，則接收機的靈敏度幾乎得不到任何改善，從而失去相干接收的優越性。因此，為了充分發揮相干接收的優越性，在相干光通信中應採取光波偏振穩定措施。目前，主要有兩種方法：一是採用“保偏光纖”使光波在傳輸過程中保持光波的偏振態不變。而普通的單模光纖會由於光纖的機械振動或溫度變化等因素使光波的偏振態發生變化。“保偏光纖”與單模光纖相比，其損耗比較大，價格比較昂貴。二是使用普通的單模光纖，在接收端採用偏振分集技術，如圖 3所示。信號光與本振光混合後首先分成兩路作為平衡接收，對每一路信號又採用偏振分束鏡分成正交偏振的兩路信號分別檢測，然後進行平方求和，最後對兩路平衡接收信號進行判決，選擇較好的一路作為輸出信號。此時的輸出信號已與接收信號的偏振態無關，從而消除了信號在傳輸過程中偏振態的隨機變化。
3.3 頻率穩定技術
在相干光通信中，雷射器的頻率穩定性是相當重要的。如，對於零差檢測相干光通信系統來說，若雷射器的頻率(或波長)隨工作條件的不同而發生漂移，就很難保證本振光與接收光信號之間的頻率相對穩定性。外差相干光通信系統也是如此。一般外差中頻選擇在0。2～2 GHz之間，當光載波的波長為1。5 μm時，其頻率為200 THz，中頻為載頻的 10-6～10-5。光載波與本振光的頻率只要產生微小的變化，都將對中頻產生很大的影響。因此，只有保證光載波振盪器和光本振振盪器的高頻率穩定性，才能保證相干光通信系統的正常工作。
雷射器的頻率穩定技術主要有三種：(1)將雷射器的頻率穩定在某種原子或分子的諧振頻率上。在1.5μm波長上，已經利用氨、氪等氣體分子實現了對半導體雷射器的頻率穩定；(2) 利用光生伏特效應、鎖相環技術、主雷射器調頻邊帶的方法實現穩頻；(3)利用半導體雷射器工作溫度的自動控制、注入電流的自動控制等方法實現穩頻。
3.4 頻譜壓縮技術
在相干光通信中，光源的頻譜寬度也是非常重要的。只有保證光波的窄線寬，才能克服半導體雷射器量子調幅和調頻噪聲對接收機靈敏度的影響，而且，其線寬越窄，由相位漂移而產生的相位噪聲越小。
為了滿足相干光通信對光源譜寬的要求，通常採取譜寬壓縮技術。主要有兩種實現方法：(1) 注入鎖模法，即利用一個以單模工作的頻率穩定、譜線很窄的主雷射器的光功率，注入到需要寬度壓縮的從雷射器，從而使從雷射器保持和主雷射器一致的譜線寬度、單模性及頻率穩定度；(2) 外腔反饋法。外腔反饋是將雷射器的輸出通過一個外部反射鏡和光柵等色散元件反射回腔內，並用外腔的選模特性獲得動態單模運用以及依靠外腔的高Q 值壓縮譜線寬度。
3.5 非線性串擾控制技術
由於在相干光通信中，常採用密集頻分復用技術。因此，光纖中的非線性效應可能使相干光通信中的某一信道的信號強度和相位受到其他信道信號的影響，而形成非線性串擾。光纖中對相干光通信可能產生影響的非線性效應包括受激拉曼散射(SRS)、受激布里淵散射(SBS)、 非線性折射和四波混合。由於SRS 的拉曼增益譜很寬(～10 THz)，因此當信道能量超過一定值時，多信道復用相干光通信系統中必然出現高低頻率信道之間的能量轉移，而形成信道間的串擾，從而使接收噪聲增大，接收機靈敏度下降。SBS的閾值為幾 mW，增益譜很窄，若信道功率小於一定值時，並且對信號載頻設計的好，可以很容易地避免 SBS引起的串擾。但SBS 對信道功率卻構成了限制。光纖中的非線性折射通過自相位調製效應而引起相位噪聲，在信號功率大於10 mW 或採用光放大器進行長距離傳輸的相干光通信系統中要考慮這種效應。當信道間隔和光纖的色散足夠小時，四波混頻的相位條件可能得到滿足，FWM 成為系統非線性串擾的一個重要因素。FWM 是通過信道能量的減小和使信道受到干擾而構成對系統性能的限制。當信道功率低到一定值時，可避免FWM 引起對系統的影響。由於受到上述這些非線性因素的限制，採用密集頻分復用的相干光通信系統的信道發射功率通常只有零點幾毫瓦。
除了以上關鍵技術外，對於本振光和信號光之間產生的相位漂移，在接收端還可採用相位分集接收技術以消除相位噪聲；為了減小本振光的相對強度噪聲對系統的影響，可以採用雙路平衡接收技術；零差檢測中為保證本振光與信號光同步而採用的光鎖相環技術，以及用於本振頻率穩定的AFC等。
4、相干光通信在超長波長光纖通信系統中的套用
相干光通信近年來得到迅速的發展，特別是對於超長波長(2～10 μm)光纖通信來說，相干光通信最具吸引力。因為在超長波段，由瑞利散射決定的光纖固有損耗將進一步大幅度降低(瑞利散射損耗與1/λ4成正比)，故從理論上講，在超長波段可實現光纖跨洋無中繼通信。而在超長波段，直接探測接收機的性能很差，於是相干探測方式自然而然地成為唯一的選擇了。
超長波長光纖通信系統是以超長波長光纖作為傳輸介質，利用相干光通信技術實現超長距離通信。在該系統中超長波長光纖是至關重要的。它是一種更為理想的傳輸媒介，其主要特性是損耗特低，只有石英材料的千萬分之一。因此，超長波長光纖可以實現數萬公里傳輸，而不要中繼站。它可以大幅度降低通信成本，提高系統的穩定性和可靠性，對海底通信和沙漠地區更具有特別重要的意義。
目前研究的超長波長光纖主要是氟化物玻璃光纖，其理論損耗值非常低，如Ba-F2-Gd-ZrF4-ALF3光纖在3μm左右的理論最低損耗為10-3dB/km，GaF2-BaF2-YF2-ALF3光纖的透明範圍為27μm，在3μm左右的最低理論損耗為10-2dB/km。
從光纖的色散特性來看，氟化玻璃材料光纖也可以實現零色散。例如，由鎬、鋁和鑭組成的氟化物光纖，在1.7μm可實現零色散，在4μm波長的色散也很小，只有45ps/nm km。而且，氟化物玻璃光纖在較寬的波長范內，比石英光纖的色散要低。這樣，可在大範圍內實現波份復用。
隨著光纖通信技術的發展，利用超長波長光纖實現超長距離通信是今後光纖通信發展的重要方向之一。但是，超長波長光纖通信系統還存在許多需要進一步解決的技術問題，如超長波長光纖的材料提純與拉制，採用相干光通信技術所要求的超長波長光源及超長波長相干光電檢波器等。
除以上套用外，由於相干光通信的出色的信道選擇性和靈敏度，在頻分復用CATV分配網中也得到了廣泛的套用。
相干光通信以其獨特的優點，在光纖通信中得到了廣泛的套用，不僅在點對點系統中繼續向著更高速更長距離的方向發展，特別是在海底通信上有著巨大的市場潛力。而且，利用相干檢測的調諧選擇性，將大大提供光纖網路的功能和靈活性，在本地網和多用戶接入網中有著廣泛的套用前景。相干光通信技術與光波分復用、副載波復用、光放大技術的密切結合與互相滲透，將使光纖通信在技術上發生根本變化。
