克服激光器相位噪声实现低成本相干光通信

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。

研究成果以“Overcoming laser phase noise for low-cost coherent optical communication”为题，于2024年7月27日发表在Nature Communications上。

02研究背景

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（图1d），相比传统强度调制直接检测光通信系统（图1b），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。

图1 传统的光通信系统架构以及相干系统中激光器相位噪声的影响

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。如图1e所示，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。

03研究创新点

为有效解决激光器相位噪声对相干光通信系统的影响，北京大学、上海交通大学和鹏城实验室联合研究团队发挥在相干光通信领域的长期研究基础，创造性地提出了一种光域残余载波调制（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。

研究团队在相干光通信系统的发射端控制调制器的工作点产生残余的光载波，同时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2c）；在接收端用数字滤波提取残余载波，实现信号频偏和相位的精准估计与补偿，通过在数字域内对信号和残余载波进行拍频，大幅提高了相位噪声的跟踪能力（图2d），且该方案与现有相干光通信系统的硬件结构完全兼容。

图2 克服相干光通信激光器相位噪声影响：光域残余载波调制系统架构及收端处理

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256阶正交幅度调制（256-QAM）信号传输（图3）。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3 基于大线宽DFB激光器的单波长T比特高谱效率传输

面向光纤无线融合接入网场景，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）方案只能支持64-QAM信号传输，RCM方案克服了超高阶信号的相位噪声。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高保真模拟光载无线接入

04总结与展望

研究工作解决了激光器相位噪声影响这一相干光通信系统中的基本问题，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、通感一体、激光雷达等领域。

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。

该方面研究取得系列进展，相关工作入选光通信领域顶级会议ECOC2023的Post-Deadline Paper（Post-Deadline Paper旨在发布光通信领域的最新技术进展和纪录性成果，代表业内当前最高技术水平）和顶级会议OFC2024的顶分论文（Top-Scored Paper）。

上述成果得到国家自然科学基金和鹏城重大攻关项目的大力支持，获得国家自然科学基金委网站资助成果在线报道。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50439-1