长距离、大容量、高速率光纤通信系统，是光通信的追求目标。尽管波分复用技术和掺铒光纤放大器的广泛应用已经极大地提高了光通信系统的带宽和传输距离，然而伴随着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。目前，10 Gbit/s及以下速率的光纤通信系统都是采用IM-DD 的方案，直接检测方式的缺点是在接收端丢失了信号的相位信息，接收机无法对线路上的各种线性损伤进行有效的补偿，只能在线路上通过光学的手段进行补偿。对于40 Gbit/s和100 Gbit/s系统，一般在50 GHz间隔实现长距离传输，特别是对于100 Gbit/s系统，需要采用高阶调制编码和偏振复用的方式，因此采用直接检测的方法很难恢复出原始的信号，必须采用具有相干检测的相干光通信系统。
1.相干光通信系统的构成和原理
相干光通信的基本工作原理如图9.38所示。其工作过程为：在发送端，采用间接调制或者直接调制方式将信号以调幅、调相、调频等方式调制到光载波上，经过光纤传输到接收端。当信号光传输到达接收端时，首先经耦合器与本振光合路，再进入光检测器，与本地光振光信号进行光电混频；光检测器输出的混频后的电信号经过电信号处理单元选出本振光和信号光的差频信号（也称中频）。根据差频的大小，可以将相干接收技术分为三大类，分别是零差相干接收、外差相干接收和内差相干接收。
图9.38 相干光通信系统原理图
当差频为零时，称为零差接收。由于零差接收需要用到光锁相环技术，且这一技术较为复杂，零差相干接收没有在实际的高速光传输系统中应用。
当差频大于基带信号的频宽时，接收称为外差相干接收。在外差接收中，差频为中频信号，它携带了要传输的信号的信息，在电信号处理单元经过对差频信号进行中频放大、解调等步骤，恢复出要传输的信号。由于差频大于基带信号的频宽，使得后续处理电路的频率要求较高。一般要求差频为基带频宽的3 倍以上，对于超高速光纤系统来说，目前的技术还无法实现。
当差频小于基带信号的频宽时，接收称为内差相干接收。这也是目前相干40 Gbit/s系统和100 Gbit/s系统中普遍采用的接收方案。此时差频大小为吉赫兹量级，小于基带信号的频宽。
2.相干光通信技术的主要特点
相干光通信系统与IM/DD 系统相比，具有更好的接收灵敏度，而且相干检测保留了信号的相位信息，使得后续采用数字信号处理技术实现电域补偿和均衡成为可能，是100 Gbit/s及更高速率传输的必然选择。这一技术具有以下独特的优点。
（1）灵敏度高，中继距离长
相干光通信的一个最主要的优点是进行相干探测，从而改善接收机的灵敏度。在相干光通信系统中，经相干混合后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。在相同的条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约20 d B，可以达到接近散粒噪声极限的高性能，因此也增加了光信号的无中继传输距离。
（2）频率选择性好，通信容量大
相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的频率选择性。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，只有在中频频带内的噪声才可以进入系统，而其他噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。此外，由于相干探测优良的频率选择性，相干接收机可以使频分复用系统的频率间隔大大缩小，即DWDM，取代传统光复用技术的大频率间隔，具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。
（3）具有多种调制方式
在传统的IM/DD 光通信系统中，只能使用强度调制方式对光进行调制。而在相干光通信中，除了可以对光进行幅度调制外，还可以使用PSK、DPSK、QAM 等多种调制格式，虽然增加了系统的复杂性，但是相对于传统光纤通信系统可以实现更高传输速率，同时可以提高频带利用率。
（4）可以使用电域的均衡技术来补偿光纤中的色散效应和非线性效应
相干检测可以保留信号的所有信息，因此可以通过后续的算法实现对光信号的均衡和相位估计。对于CD、PMD 和非线性损伤，均可以在电域通过算法进行补偿。
3.相干光通信技术中的关键技术
实现相干光通信系统涉及一系列技术问题，主要有以下关键技术。
（1）窄线宽的半导体激光器
相干光纤通信系统中对信号光源和本振光源的要求比较高，它要求光谱线窄、频率稳定度高。光源本身的谱线宽度将决定系统所能达到的最低误码率，应尽量减小。
（2）调制技术
在相干光通信系统中，除FSK 可以采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用间接调制方式。
（3）接收技术
相干光通信的接收技术包括两部分：一部分是光的接收技术，另一部分是中频之后的各种制式的解调技术。解调技术实际上是电子的ASK、FSK 和PSK 等的解调技术。在光的接收技术中，主要有平衡接收、偏振分集接收和相位分集接收。
（4）偏振控制技术
相干光通信系统接收端必须要求信号光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混频效果，提高接收灵敏度。信号光经过单模光纤长距离传输后，偏振态是随机起伏的，为此，人们提出了很多方法，如采用保偏光纤、偏振控制器和偏振分集接收等方法。
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