3. 相干光通信基础

在DCI高速相干互联中，单波速率从100G走向400G、800G，核心变化并不只是“波特率更高”，而是把信息同时编码到光载波的幅度、相位和偏振上。直接检测只能响应光功率，无法分辨相位；相干检测则通过让接收信号与本地振荡器（LO）拍频，把光场的复振幅完整搬到电域，从而支持高阶调制和数字信号处理。理解这一节，是后续掌握400G/800G模块参数、DSP配置和链路调优的基础。

相干检测：把光场“搬”到电域

相干接收的基本结构是：信号光与LO进入90°光混合器，输出四路光场，分别对应I/Q两路与X/Y两个偏振，再经平衡光电探测器转换为四路电信号。设信号光场为 E_s，LO光场为 E_LO，平衡探测器输出近似正比于两者拍频项。以I路为例，输出电流可写为：

I_I(t) ∝ Re{ E_s(t) · E_LO*(t) }
I_Q(t) ∝ Im{ E_s(t) · E_LO*(t) }

这样，光载波的同相与正交分量被分别提取，接收端得到的是复数基带信号，而不是单一光功率。LO的功率通常远高于信号光，使接收机进入“本振增益”状态，从而获得较高的灵敏度。实际工程中，LO与信号光存在频率差和相位差，因此接收到的星座图会缓慢旋转，这正是后续DSP需要做载波频偏与相位恢复的原因。

IQ调制：把比特映射到复平面

发射端用IQ调制器实现复数调制。以马赫-曾德尔调制器（MZM）为例，I路和Q路分别偏置在零点，由两路驱动电压控制，再通过90°相移合路。理想情况下，输出光场为：

E_out(t) = E_in(t) · [ I(t) + jQ(t) ] / 2

其中I(t)、Q(t)为归一化驱动信号。若I、Q各取±1，则得到QPSK的四个星座点；若I、Q各取多电平，则得到16QAM等更高阶格式。工程上，IQ调制器需要控制偏置点，否则I/Q幅度不平衡、正交相位偏差会直接导致星座点发散。典型偏置控制目标包括：I路和Q路偏置在最小传输点，正交相位偏置在90°，合路偏置在正交工作点。

相位与偏振：两个必须同时跟踪的自由度

相干系统里，相位和偏振都不是“固定”的。激光器线宽、LO与信号光的频率差、光纤中的相位噪声，都会让星座图旋转；而光纤的随机双折射会让X/Y偏振态缓慢变化，导致接收端偏振分集后的两路信号发生混叠。因此，相干接收机必须同时完成：

• 载波相位恢复：估计并补偿信号光与LO之间的相位差，常用Viterbi-Viterbi、盲相位搜索等算法。
• 偏振解复用：用2×2自适应均衡器（如CMA、MMA）把混叠的X/Y偏振分开，并补偿残余色散和偏振模色散。

在DCI短距场景中，偏振变化相对较慢，但400G/800G模块仍需要DSP持续跟踪，否则星座图会因偏振旋转而无法判决。

QPSK与16QAM：速率与容限的权衡

QPSK每个符号携带2 bit，16QAM每个符号携带4 bit。在相同波特率下，16QAM的速率是QPSK的两倍，但星座点间距更小，对OSNR、非线性、相位噪声和IQ不平衡更敏感。以400G为例，若采用约60 GBaud、PM-16QAM，则单波速率约为 60×4×2 = 480 Gbit/s（含FEC开销后净荷约400G）；若采用PM-QPSK，则同样波特率下只有约240 Gbit/s。因此，DCI中常见策略是：短距、高OSNR场景用16QAM提升容量；长距或OSNR受限时回退到QPSK或8QAM。

DSP在相干接收中的作用

相干接收把光场变成四路电信号后，真正的“恢复”工作由DSP完成。典型流程如下：

1. 前端校正：补偿I/Q两路的幅度不平衡、正交相位偏差和偏置漂移。若I/Q增益差1 dB、相位偏差5°，16QAM星座会明显发散。
2. 静态均衡：补偿光纤色散。以G.652光纤、1550 nm为例，色散系数约17 ps/(nm·km)，80 km链路累积色散约1360 ps/nm，DSP需用频域均衡器消除。
3. 偏振解复用与自适应均衡：用2×2蝶形均衡器分离X/Y偏振，同时跟踪偏振旋转和残余PMD。常用CMA做冷启动，再用判决辅助MMA收敛。
4. 载波频偏与相位恢复：先估计LO与信号光的频率差（典型范围±5 GHz内），再逐符号恢复相位。QPSK可用四次方算法，16QAM需用盲相位搜索或导频辅助。
5. 判决与FEC：对恢复后的星座点做硬判决或软判决，送入FEC解码，最终输出比特流并监测误码率。

教学示例：400G PM-16QAM 关键参数观察

假设一个DCI场景：单波400G、PM-16QAM、约60 GBaud、FEC开销约15%。接收端DSP观测到星座图缓慢旋转，且X/Y两路存在混叠。可按以下顺序处理：