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课题组研究成果在中国光学报道
可参评中国光学十大社会影响力事件（Light10）
光纤通信系统是现代信息社会的基石。相干光通信系统以本振激光器为相位参考，实现相位和偏振分集的线性探测。相比传统强度调制直接检测光通信系统，具有高频谱效率、高灵敏度和长距离的优势。因此，相干光通信系统可以为东数西算的国家重大需求和AI时代光联万物的愿景提供重要基础支撑。
然而，由于发射端的信号光和接收端的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，因此在相干检测的过程中会对信号产生严重损伤。激光器相位噪声在信号星座图上表现为快速、随机旋转，严重干扰了相干检测的信号质量，从而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，其衡量指标为激光器线宽-符号周期乘积。
针对这一问题，目前商用相干光通信系统通常采用100 kHz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在数据中心、光接入网等短距光通信场景中的广泛应用。针对相干光通信系统中激光器相位噪声影响这一基本问题，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通力合作，提出了一种新型光域残余载波调制架构，实现精准、连续的相位追踪，兼容现有相干系统硬件结构，将激光器相位噪声容忍度提高了一个数量级以上，可支持MHz线宽的分布反馈（DFB）激光器，为低成本相干光通信的快速下沉和产业应用奠定了重要基础。该成果发表在Nature Communications，题为“Overcoming laser phase noise for low-cost coherent optical communication”。该项工作由北京大学、上海交通大学和鹏城实验室合作完成，成员包括北京大学张帆教授、方先松博士后、蔡翔博士生，上海交通大学胡卫生教授、朱逸萧副教授，鹏城实验室余少华院士、贺志学研究员。该论文的共同第一作者为北京大学博士后方先松和上海交通大学副教授朱逸萧，通讯作者为朱逸萧副教授和张帆教授。鹏城实验室余少华院士对本工作做出了重要指导。在标准内差相干架构中（图1a）,低成本DFB激光器会引起显著的相位噪声。传统的方法通过周期性插入时域导频（TP）的方式来进行信号相位的探测（图1b），抑制相位噪声的能力有限。该团队提出了图1c所示的光域残余载波调制架构。在发端，通过微调IQ调制器的工作点产生残余的光载波实现频率和相位的恢复，同时研究团队提出采用数字子载波复用技术保护光载波的相位信息不受干扰。
图1：克服相干光通信系统激光器相位噪声影响: 光域残余载波调制系统架构示意图当与本振在接收端进行拍频后，残余载波受到了与信号边带相同的相位噪声影响。如图1d所示，研究团队首先通过在电谱中识别最高峰进行频偏估计和补偿，再利用数字低通滤波器对残余载波进行相位提取。通过将信号和残余载波在数字域内进行拍频，从而把两者携带的相位噪声进行消除。该方案的概念类似于自相干探测，信号和光域残余载波都是来自同一个激光器，并且传输了相同的光程，最大的区别是信号和残余载波的拍频在数字域完成，大大降低了硬件需求。相比于传统基于时域导频的相位恢复方案，所提方案可以实现连续、无帧结构冗余的相位追踪，提供了显著的优势。除此之外，传统方案在接收端信道均衡后进行相位恢复，这从整个系统的数学模型上看并不是最优的。在相干系统中，发射端信号首先经历光纤信道引起的损伤，再受到接收端相位噪声的影响。因此，在无对易性的前提下，对相位噪声的补偿应该先于信道均衡器的使用，这一点通过所提方案可以实现。面向高速数据中心光互连场景，联合研究团队首次实现了基于3 MHz大线宽DFB激光器的单波长1.0 Tb/s概率整形（PS）256阶正交幅度调制（256-QAM）信号传输（图2）。与传统时域导频方案相比，光域残余载波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，性能指标位居行业国际领先地位。图2：基于大线宽DFB激光器的单波长T比特高谱效率光传输图3a展示了在不同线宽符号周期下，相位噪声引起的光信噪比（OSNR）代价。使用的调制信号是信源熵为13.92 bits/4D-symbol的PS-256-QAM。该结果展示了光域残余载波可以突破传统方法的性能上限，从而使超过MHz线宽的低成本激光器应用于相干系统成为了现实。在图3b的实验结果中可以看到，在相同100-kHz的本振激光器下，相比于100-kHz的外腔信号激光器，使用1-MHz 和 3-MHz DFB信号激光器所带来的OSNR代价为0.82dB和2.05dB，与仿真结果接近。图3c展示了与传统时域导频相位恢复方案进行比较的结果，当把100-kHz激光器换成3-MHz
DFB激光器时，时域导频方案会带来3.13 bits/4D-symbol的广义互信息（GMI）代价，而对于光域残余载波，这一代价仅为0.17 bits/4D-symbol。对于相同发端信号速率的PS-256-QAM调制，当使用3-MHz线宽的信号激光器和100-kHz的本振激光器时，光域残余载波方案可以将系统广义互信息从8.39 bits/4D-symbol 提高到11.85 bits/4D-symbol，对应的净比特率提升为41%。经过80km标准单模光纤传输后的性能如图3d所示，对于不同线宽的收发激光器配置，光域残余载波都能取得较好的性能。图3：单通道PS-256QAM在不同激光器线宽下的仿真和实验结果
光无线融合接入网需要承载高保真的高阶调制格式无线信号传输。传统模拟光载无线接入（A-RoF）方案通常只能支持64-QAM信号传输，光域残余载波方案克服了超高阶信号的相位噪声影响。联合研究团队首次演示了2T比特通用公共射频接口等效速率的512-QAM信号模拟光载无线接入（图4），信噪比达到30.8dB，展示了支撑后5G时代兼具高频谱效率和高保真度光载无线前传的能力。图4：基于残余载波调制的512-QAM模拟光载无线接入研究工作突破了相干光通信系统的理论性能边界，将激光器线宽-符号周期乘积提升一个数量级以上，使得低成本、大线宽激光器可以应用于相干光通信系统，有助于推动相干光通信进一步向短距离应用场景下沉，促进数据中心光互连、光接入网、算力网等产业发展。同时，所提出的相位噪声抑制方案也有望应用于精密测量、连续变量量子密钥分发、光传感等领域。Fang, X., Zhu, Y., Cai, X. et al. Overcoming laser phase noise for low-cost coherent optical communication. Nat Commun 15, 6339 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50439-1
