### Coherent System概述
本文档主要探讨了相干通信系统（Coherent Communication Systems）的基本概念、原理及其实用性约束，并对比了与直接检测系统的主要差异和优势。文档由Maria Ana Pascual撰写，是2005年春季学期Photonics and Optical Communication课程的一部分，由Prof. Dr. Dietmar Knipp指导。
### 引言
#### 直接检测系统的局限性
直接检测接收器的主要问题是噪声，噪声主要来自检测器和前置放大器。随着频率要求的提高，所需的输入光功率也会增加，这进一步加剧了噪声问题，限制了直接检测系统的性能。
#### 为何采用相干检测？
相干检测的核心思想是在检测之前，将接收到的光信号与本地产生的光学波相加。这样得到的光电流实际上是原始信号的复制品，但其频率从光域被转换到了射频域。这种转换使得可以使用传统的电子技术进行后续的信号处理和解调制。
#### 相干检测相比直接检测的优势
- **改善接收灵敏度**：相干检测能够提供比直接检测高5到20分贝的接收灵敏度。
- **增加重发器间距**：提高了系统的传输距离，减少了重发器的需求。
- **支持更高的传输速率**：适用于高速数据传输系统。
- **增强功率预算**：允许使用更强大的信号源，从而提高整体系统性能。
- **提高对光学测试设备的敏感度**：有助于精确测量和调试系统。
### 基本系统
相干通信系统包括以下几个关键组件：
- **输入信号场(E_S)**：表示接收到的信号。
- **第二信号场(E_L)**：本地振荡器产生的信号，用于与输入信号进行干涉。
### 检测原理
#### 输入信号场和第二信号场表示
- 输入信号场可以表示为：
\[
E_S(t) = E_S \cos(\omega_S t + \phi_S)
\]
- 第二信号场表示为：
\[
E_L(t) = E_L \cos(\omega_L t + \phi_L)
\]
#### 光电流公式
相干检测中产生的光电流(I_P)可以表示为：
\[
I_P \propto P_S P_L + \frac{1}{2} P_L P_S \cos(2\phi - 2\omega t)
\]
这里，\(P_S\) 和 \(P_L\) 分别代表输入信号和本地振荡器的功率。可以看出，相干检测中的光电流与 \(P_S P_L\) 成正比，而不仅仅是 \(P_S\) 或 \(P_L\) 的函数，这表明相干检测具有更强的信号处理能力。
#### 量子噪声和散粒噪声
- **本地振荡器量子噪声**：在相干检测中，由于本地振荡器的存在，会产生量子噪声。
- **均方散粒噪声电流**：散粒噪声是由光电效应引起的随机波动。
- **异步散粒噪声限制**：对于异步检测来说，散粒噪声是一个重要的限制因素。
- **同步散粒噪声限制**：使用同步检测时，散粒噪声限制会有所改善，通常可以实现3dB的信噪比提升。
### 实用性约束
相干系统在实际应用中面临的挑战主要包括：
- **成本和技术复杂性**：相干检测系统通常比直接检测系统更加昂贵且复杂。
- **系统稳定性**：相干检测依赖于精确的相位控制，这在实际应用中可能难以实现。
- **带宽要求**：为了保持良好的性能，相干检测系统需要较窄的带宽。
### 结论
相干检测相比于直接检测具有明显的优势，尤其是在高数据速率和长距离传输的应用场景中。尽管存在一些实用性上的挑战，但通过不断的技术进步，相干系统已经广泛应用于现代通信网络中，成为提高通信质量和效率的关键技术之一。
