Page 25 - 网络电信2023年11月刊
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简化相干技术研究进展



            胡山  1，2，3 ，李威 1，2，3 ，潘映梅 1，2，3 ， 曾韬 1，2，3 ，罗鸣 1，2，3 ，喻煌 1，2 ， 郭浩 1，2
            1.中国信息通信科技集团光纤通信技术与网络全国重点实验室
            2.中国信息通信科技集团，烽火藤仓光纤股份
            3.武汉邮电科学研究院



                    摘 要：随着光通信技术在现代社会生产生活中越来越广泛的应用，光通信技术的运用场景也越来越多
                样和富有挑战性。在数据中心、宇航等能耗敏感的场景下，传统的数字相干光通信接收方法复杂度与功耗难
                以降低，有着明显的局限性。在简化相干技术中，近年来研究热度较高的是模拟相干技术，其将传统数字相
                干光通信接收端的部分或者全部功能用模拟器件实现，以达到简化接收端结构、降低功耗的目的。相较于传
                统数字相干光通信接收技术，以模拟相干技术为代表的简化相干技术在功耗、复杂度和成本上有着明显的优
                势。文章首先介绍了模拟相干技术的典型架构，展示了其主要组成部分；然后具体介绍了各个部分的原理、
                具体结构和实现方式，包括时钟与载波恢复、光域偏振解复用（偏振旋转补偿）和模拟自适应均衡；最后介
                绍了与模拟相干技术相近的其他简化相干技术，包括准相干接收技术、KK接收技术和差分接收技术，分析了
                这些技术的原理，列出了目前主要的研究成果，并介绍了它们各自的优缺点及应用场景。通过对模拟相干及
                其他简化相干技术的原理和研究现状的分析，比较了各种简化相干方式的优点和不足，阐述了简化相干技术
                未来应发展的方向，为未来简化相干技术的研究提供了参考。
                    关键词：模拟相干;简化相干;功耗;数据中心;






                引言                                               拟自适应均衡等，比较各个方法的性能及复杂度等指标，为未
                随着互联网技术的蓬勃发展以及在社会生产生活中越来越                        来模拟相干技术研究提供了目标和参考；最后介绍其他简化相
            广泛的应用，网络中承载与传输的数据量也越来越大，而相干                          干技术，如KK技术、准相干技术和差分接收等，为各种能耗敏
            光通信技术在其中扮演着至关重要的角色。现在大规模商用的                          感场景下的应用提供了参考。
            数字相干光通信系统中，信号接收端主要由相干接收机、模数
            转换（Analog  to  Digital  Converter，ADC）和数字信号处理            一、模拟相干技术整体架构
            （Digital Signal Processing，DSP）组合而成。                     模拟相干接收端的典型结构如图1所示。器件主要包括本
                光通信系统的能耗问题直接决定了系统运行费用和器件发                        地振荡激光器、偏振控制器、偏振分束器、90度光混频器、光
            热情况,因此越来越受到研究者的重视。在一些特定的场景下，                         电二极管、跨阻放大器及增益控制、低通滤波器以及时钟和载
            如数据中心、宇航等，能耗更是一项非常重要的指标。数据中                          波恢复元件等。功能上可分为时钟与载波恢复、光域偏振解复
            心的电费占数据中心运维总成本60%以上，而IT和冷却设备又                        用、模拟自适应均衡。接下来本文将按照功能进行依次介绍。
                                   [1]
            占数据中心总能耗的90%以上 。而目前主流的数字相干光系统                            1.1 时钟与载波恢复
            接收端中的ADC及DSP的成本与能耗均较高，并不适合对能耗敏                           时钟恢复方面，使用CMOS集成电路实现时钟恢复功能在传
                                                                                             [4]
            感的数据中心场景。当前数据中心广泛使用的是结构较为简单                          统相干光通信中已有较广泛的应用 ，在模拟相干技术中可以
            且能耗较低的直调直检（IMDD）接收方式，但对于长跨距数据                        继续沿用，这里不做过多赘述。
            中心连接，IMDD难以胜任。并且其传输速率继续提升较为困难                            载波恢复方面，主要的方法是使用CMOS工艺制成的光
            [2]
              。                                                  锁相环（Optical  Phase  Locked  Loop,  OPLL）或电锁相环
                在多种简化相干技术中，模拟相干技术在近年颇受研究者                        （Electronic  Phase  Locked  Loop,  EPLL）。无论是光锁相
            的关注。模拟相干技术是将传统数字相干接收端中的部分或全                          环还是电锁相环，其原理均是科斯塔斯环（Costas  Loop）。
            部功能用模拟器件实现，以降低能耗及成本。省去DSP与ADC的                       示意图见图2    [5] 。将正交的IQ信号混频后，经过环路滤波器可
            模拟相干技术在能耗敏感的数据中心、宇航等场景中有着明显                          以得到反映相差的反馈信号，用该反馈信号调节压控振荡器
                [3]
            优势 。                                                 （Voltage-Controlled  Oscillator，VCO），可使本地载波与
                本文对国内外简化相干技术的研究成果进行综述，首先介                        输入信号相位锁定。
                                                                                          [5]
            绍模拟相干技术中接收端的典型结构；然后介绍每个部分的具                              OPLL的典型结构如图3所示 。在OPLL中，Costas  Loop中
            体实现方法，包括载波恢复、时钟恢复、光域偏振解复用、模                          要求的低通滤波（Low Pass Filter,LPF）可以由光电二极管或

                                                       网络电信 二零二三年十二月                                           41
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