要通过单根光纤将100吉比特、400或800信号传输数百公里，光靠高速激光器远远不够，还需要相干光学技术。这种传输技术不仅利用光强，还会对光的相位和偏振进行编码。
相干光学是长途互联网骨干网、海底电缆以及日益普及的城域和数据中心互连（DCI）链路背后的技术。本指南将说明其工作原理以及何时需要使用。
直接检测与相干检测
直接检测（强度调制）
传统光收发器采用强度调制/直接检测（IM-DD）：
- 激光器通过开关或改变强度来编码比特
- 接收器测量光功率：亮光表示 1，暗光表示 0
- 结构简单、成本低、功耗低
- 短距离下每个波长仅限约 100 Gbps
相干检测
相干光收发器利用光的完整特性：
- **相位：**光波振荡的时序
- 振幅：波的强度
- 偏振：波的方向（水平及垂直）
通过同时在三个维度上编码数据，相干系统可显著提高频谱效率，即每赫兹光带宽可传输更多比特。
相干传输的工作原理
1。调制格式
| 格式 | 每个符号的比特数 | 频谱效率 | 典型用途 |
|---|---|---|---|
| BPSK | 1 | 低 | 长距离传输，抗噪能力强 |
| QPSK | 2 | 中等 | 100G 长途传输 |
| DP-QPSK | 4（2 极 × 2） | 中高 | 100G 标准 |
| 16-QAM | 4 | 高 | 200G/400G 城域网 |
| DP-16QAM | 8 | 很高 | 400G |
| 64-QAM | 6 | 很高 | 800G，短距离 |
| DP-64QAM | 12 | 最高 | 800G+ |
DP-QPSK（双偏振正交相移键控）是 100G 相干通信的主流调制方式。它使用 X 和 Y 两种偏振，每种偏振承载 QPSK 调制数据，总计每个符号 4 位。
较高阶的 QAM 每个符号可容纳更多比特，但需要更高的信噪比（SNR），因此传输距离受到限制。
2：数字信号处理（DSP）
相干光学技术的关键推动因素是相干 DSP ASIC，这是一种专用芯片，可：
- 在发射端生成复杂的调制信号
- 通过数字算法在接收端恢复信号
- 补偿色度色散（CD），无需外置 DCM 模块
- 补偿偏振模色散（PMD）
- 执行前向纠错（FEC）
现代相干DSP（例如Acacia、Inphi/Marvell和Ciena的产品）可实时补偿数千公里累积的色散。
3。本振激光器
接收器使用本地振荡器（LO）激光器，这是一种调谐至输入信号相同频率的窄线宽激光器。将接收信号与 LO 激光器混频后即可检测相位，这是直接检测无法实现的。
主要相干收发器外形规格
CFP / CFP2 / CFP4
早期 100G 相干光模块形态，体积大且功耗高，目前多用于旧设备。
QSFP28相干
100G相干型，采用QSFP28外形。用于城域网数据中心互联（DCI）。例如：Cisco CPAK、Ciena WaveLogic Nano。
QSFP-DD / OSFP（400G ZR/ZR+）
当前一代 400G 相干光技术：
- 400G ZR（OpenROADM / OIF标准）：最高120 km，可插拔、可互操作
- 400G ZR+：扩展距离（500–1,000 km），供应商特定增强功能
- 外形尺寸：QSFP-DD、OSFP
- 功率：每个模块 15–20 W
800G 及以上
800G 相干模块（OSFP、QSFP-DD800）已进入量产。它们采用 DP-64QAM 或概率星座整形（PCS），实现每波长 800 Gbps 的速率。
相干 DWDM：扩展容量
相干光收发器几乎总是与**DWDM（密集波分复用）**配合使用，以便在单根光纤上合并多个波长：
- C 波段： 1,530–1,565 nm，约 96 个通道，间隔 50 GHz
- L 波段：1,565–1,625 nm，额外约 96 个通道
- **C+L 波段：**约 192 个通道 × 400 Gbps = 每对光纤约 76.8 Tbps
每个波长承载独立相干通道。理论上，一对光纤可承载每秒拍比特级数据。
相干检测与直接检测：分别适用于哪些场景
| 场景 | 推荐 |
|---|---|
| 数据中心内部（<2 km） | 直接检测（SR4、DR4） |
| 园区／短距离（2–10 km） | 直接检测（LR4、FR4） |
| 城域 DCI（10–80 km） | 相干 ZR 或直接检测（ER4） |
| 区域性（80–300 km） | 相干ZR / ZR+ |
| 长途（300–3,000 km） | 兼容 EDFA 放大 |
| 海底（3,000–20,000 km） | 采用拉曼放大和 EDFA 的相干传输 |
相干光技术达到成本效益平衡的距离一直在缩短。400G ZR 模块如今使相干技术可用于城域 DCI 链路，而这类链路过去通常采用直接检测方案。
放大：EDFA 及拉曼
相干信号仍会随距离衰减。两种放大技术可延长传输距离：
EDFA（掺铒光纤放大器）
- 同时放大所有 C 波段波长
- 长途线路上每隔60–100 km设置一个
- 每经过一级都会增加噪声（OSNR 下降）
- 用于地面长途传输的标准技术
拉曼放大
- 直接使用光纤本身作为增益介质
- 分布式放大——降低噪声累积
- 用于海底电缆和超长距离陆地线路
- 通常与 EDFA 结合使用（混合拉曼/EDFA）
OSNR：关键性能指标
**光信噪比（OSNR）**决定相干信号在误码不可接受之前能传输多远。较高阶调制格式（64-QAM）要求的 OSNR 高于低阶格式（QPSK）。
相干 DSP 的 FEC（前向纠错）可以恢复误码率极高的信号；软判决 FEC 的前 FEC BER 可达 2×10⁻²，从而大幅延长传输距离。
摘要
相干光学通过对光的相位、振幅和偏振进行编码实现高容量、长距离传输，而非仅利用光强。要点如下：
- DP-QPSK 是 100G 长途传输标准；DP-16QAM 及 DP-64QAM 用于 400G/800G
- 相干 DSP ASIC 以数字方式进行色散补偿，无需外部 DCM
- 当前可插拔相干光模块标准为 400G ZR/ZR+，采用 QSFP-DD 外形规格
- 城域 DCI（10+ 公里）及所有长途应用采用相干光学方案
- DWDM 可大幅提升容量：C+L 波段在每对光纤上可承载 100+ Tbps
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