平衡探测器在相干光通信中的应用

一、什么是相干光？

相干光：频率相同，振动方向相同，相位差恒定的两束光。两束光源在传输过程中具有稳定的相位差和频率，能形成稳定的光强分布，进而形成干涉条纹 ，根据相位差，可以分为相长干涉和相消干涉。

相干光通信：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。

在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

二 、相干光通信的优点和应用场景

相干光通信的优点：

1、可以减少长距离传输的光纤架设成本，简化光路放大和补偿设计，因此在长距离传输网上成为了主要的应用技术。

2、具有多种复杂调制方式。在传统光通信系统中，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，利于灵活的工程应用，虽然这样增加了系统的复杂性，但是相对于传统光接收机只响应光功率的变化，相干探测可探测出光的振幅、频率、位相、偏振态携带的所有信息，因此相干探测是一种全息探测技术，这是传统光通信技术不具备的。

3、具有数字信号处理功能。数字相干接收机的解调过程是完全线性的；所有传输光信号的复杂幅度信息包括偏振态在检测后被保存分析，因此可以进行各种信号补偿处理，比如做色度色散补偿和偏振模式色散补偿。这就使得长距离传输的链路设计变得更加简单，因为传统的非相干光通信是要通过光路补偿器件来进行色散补偿等工作的。（传统传输链路的色散问题，即光信号各个组成成分在光纤中传输时，抵达时间不一样。）

应用场景：随着单通道传输速率的提高，现代光通信领域越来越多的应用场景开始用到相干光传输技术，相干技术从过去的骨干网（ > 1 0 0 0 k m ） 下沉到城域（100~1000km）甚至边缘接入网（<100km）。另一方面在数通领域，相干技术也已经成为数据中心间互联（DCI）的主流方案（80~120km）。相干光链路的用量在未来几年将迎来井喷式增长，这些新的应用对相干光收发系统也提出了新的要求，推动着相干收发单元从原先和线卡集成方式、MSA模块逐步向独立的、标准化的可插拔光收发模块形式演进。

六博光电搭建的相干探测系统基本结构如图1所示

把1550nm激光器的输出光，经过1:99的光分束器，分光比为1的激光束经过相位调制器后输出的光作为信号光，另一束则作为本振光，本振光和信号光的频率在理想情况下是相等的，本振光和信号光经过180° 光混频器发生相干，最后输出两束频率相等但是有相位差的激光束，把两束激光(A和B)分别输入到平衡探测器的两端，输出端接示波器。

其中，平衡探测器是相干探测器系统的重要器件，我司平衡探测器如图2所示：

它通常是对两路相位差为180° 的干涉信号进行探测解调的，不仅可以消去直流信号和放大中频信号，同时也抑制了噪声电流（抑制共模信号）。图3是单管探测器相干光接收框图，图4是平衡（双管）探测器相干光接收框图。

平衡探测器中的PIN光电二极管将两路干涉光信号转化为电信号，通过减法器消除了直流信号，最后将输出的交流电信号经过跨阻抗放大器放大输出。我司在实际制作的过程中，使平衡探测器的两个 PIN 管性能参数保持一致，这样对探测信号进行差分处理才能达到抑制噪声的最佳效果。噪声会影响探测系统的灵敏度大小。所以平衡探测器性能的好坏会直接对内差相干探测系统产生影响。其次，平衡探测和单端探测的区别在于平衡探测利用两个 PIN 光电探测器将中频信号转化为电信号并进行差分放大操作，而单端探测只使用一个PIN光电探测器来探测中频信号。所以，除了有单端探测的优点外，平衡探测还具有以下优点:

(1)平衡探测器既消去了两路电信号的直流分量，也对符号相反的中频信号进行了差分放大，相比于比单端探测，有 3 dB 的功率增益

(2)平衡探测抑制了 PIN 光电探测器输出的噪声电流，同时也极大降低了本振激光器的强度噪声，所以平衡探测器改善了系统的信噪比。

六博光电10Gb/s平衡探测器双管测试眼图（输入5Gb/s）如图5所示：

平衡探测器除了可以用于相干光通信中，还可以在激光测风雷达，FMCW雷达、光学相干层析成像、光外差探测、光学延迟检测、椭圆偏振技术、超小信号检测等领域发挥作用，以提高系统的性能和可靠性。