图 相干光通信中激光器相位噪声抑制：（a）相干光通信基本架构；（b）传统载波相位恢复方案；（c）基于残余载波调制的相位噪声抑制方案和（d）该方案的数字信号处理流程
在国家自然科学基金项目（批准号：62271010、U21A20454、62001287）等资助下，北京大学张帆教授团队、上海交通大学胡卫生教授团队和鹏城实验室余少华院士团队合作，在抑制相干光通信系统中激光器相位噪声影响方面取得进展。研究成果以“克服激光器相位噪声实现低成本相干光通信（Overcoming laser phase noise for low-cost coherent optical communication）”为题，于7月27日在《自然•通讯》（Nature Communications）上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50439-1。
与传统强度调制光通信的直接检测方法相比，相干光通信采用相干检测与偏振复用结合的方法，不仅提升了系统的频谱效率，而且具有更高的探测灵敏度，是当前高速大容量光网络的重要基础支撑。然而，相干光通信通过相干检测获取发射端激光信号的调制信息时，需要将来自发射端的信号光与接收端的本振光进行拍频。由于信号光和本振光来自不同的激光器光源，且都存在随机变化的激光器相位噪声，这些相位噪声在信号星座图上表现为随机旋转，严重干扰了相干检测得到的信号，从而增加了光通信系统的误码率，限制了传输距离与频谱效率。因此，如何抑制激光器相位噪声的影响是相干光通信的核心问题之一。为解决这一问题，目前相干光通信通常采用100KHz或更小线宽的窄线宽激光器，基于时域导频在数字域进行载波相位恢复，这种数字相干检测方法抑制相位噪声的能力有限，且成本高昂，制约了相干光通信技术进一步在短距光通信场景中的应用。
为有效解决激光器相位噪声对相干光通信系统的影响，张帆教授联合研究团队提出了一种残余载波调制（Residual Carrier Modulation, RCM）新方案，使用低成本、大线宽激光器实现了高速、高谱效率的相干光通信系统。他们在相干光通信系统的发射端微调调制器的工作点产生残余的光载波，同时采用双子载波复用技术保护相位信息不受信号边带干扰；在接收端用数字滤波提取残余载波，然后利用残余载波进行信号频偏和相位的估计与补偿，通过在数字域内对信号和残余载波进行拍频，提高了相位噪声的跟踪能力。进一步，他们搭建了实验验证系统，实现了基于3 MHz大线宽分布反馈（DFB）激光器的单信道1.0-Tb/s概率整形256阶正交幅度调制（256-QAM）信号传输。与传统时域导频方案相比，RCM新方案的激光器线宽-符号周期乘积达到6.89×10-5，表明对激光器相位噪声的容忍度提升了一个数量级以上，传输速率约提升40%以上。此外，光无线融合接入系统需要实现高保真的高阶调制格式可靠传输，传统模拟光载无线接入（A-RoF）方案只能实现64-QAM传输，RCM方案克服了超高阶信号的相位噪声，实现了512-QAM信号的模拟光载无线接入，展示了可有效支撑后5G时代高频谱效率/高保真度光载无线前传的能力。
研究工作为提升相干光通信系统的性能提供了新路径，有助于相干光通信进一步向短距离应用场景下沉，推动数据中心光互连、光接入网、算力网等产业发展。
