Experimental demonstration of phase-conjugated twin-wave coherent reception over 100 km with injection locking assisted phase stabilization
本文通过实验证明了一种注入锁定辅助的相位共轭双波相干接收机，该接收机成功地在100公里光纤上传输了200-MBaud、高达256-QAM的信号，通过稳定联合检测实现了相对于同差检测3 dB的灵敏度增益，并超越了标准量子极限。
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在长距离通信的世界里，光是终极的信使。光纤电缆通过在玻璃纤维中发送光脉冲，将互联网、电话通话和视频流传输到海洋彼端。为了在这些脉冲中尽可能多地封装信息，工程师们将数据编码到光波本身，操纵其形状和时序。然而，随着这些信号的传输，它们会因环境影响而减弱并发生畸变。为了恢复原始信息，接收器必须捕捉微弱的光，并将其与一个已知的参考值进行对比，这一过程被称为相干检测。挑战在于必须以极高的精度完成这一过程；如果接收器的内部参考光与传入的信号不同步，数据就会变得混乱。当试图将最大量的有效信息压缩进每一个光子时，这一问题尤为棘手，这也驱动着研究人员去探索更灵敏于捕捉微弱光信号的编码与读取新方法。
一组研究人员现在展示了一种在100公里光纤距离上实现这种高度灵敏度的实用方法。他们成功传输了复杂的数字信号，速率达到每秒2亿个符号，并使用了可以承载多达256种不同数据点变化的调制格式。其核心成就是一种被称为“相位共轭双波接收”的方法。该技术并非发送单路光流来携带信息，而是发送两路相互匹配且互为镜像的信号流。在接收端，这两路信号以特定的方式结合，使得探测器能以比传统方法显著更低的噪声恢复出完整的消息。研究人员通过解决一个主要障碍，证明了这种方法在长距离下的有效性：即在信号经过光纤长途跋涉后，如何保持接收端的参考光与信号保持完美同步，尽管过程中不可避免地会发生波动和损耗。
实验依赖于一个巧妙的技巧来维持这种同步。研究人员将一个参考信号与主数据一起通过同一条100公里的光纤链路发送出去。在接收站，该参考信号被用于“锁定”一台局部激光器，迫使其振动频率和相位与原始光源完全一致。这个被称为“光学注入锁定”的过程，实际上在目的地再生了一个完美的发射端光波副本。为了处理相位中残余的微小抖动，他们添加了一个辅助导频信号作为引导，利用反馈回路进行实时微调。这种组合确保了当两路镜像信号波到达时，它们能够精确合并。结果显示，该系统可以将两路波中的信息结合起来，而不会因噪声而丢失数据，与标准方法相比，其相对于噪声底平面的信号强度有效地翻了一倍。
当团队测量该系统的性能时，结果清晰且可量化。他们发现，在接收相同光能的情况下，他们的新方法产生的信号质量比标准单模检测方法高出约3分贝，比传统的双模方法高出约6分贝。在实际应用中，这意味着接收器可以更清晰地分辨数据点。当他们使用高密度数据模式（特别是使用256个不同点来表示数据的256-QAM）进行测试时，这种在恢复信号清晰度方面的提升是显而易见的。误码率（衡量接收器错误识别数据点的频率）与传统接收方式相比大幅下降。对于64点模式，误码率降低了约12倍；而对于更密集的256点模式，误码率也减少了一半。这证明了该技术不仅仅是理论上的改进，而且是一种从微弱信号中恢复高速、高容量数据的稳健方法。
研究人员还观察了系统利用光粒子（即光子）携带信息的效率。他们计算出，对于特定类型的数据模式，该系统每接收到一个光子，可以提取出约1.54比特的信息。这种效率水平超过了在相同条件下使用标准检测方法所能达到的极限。这项研究证实，通过结合注入锁定和相位反馈技术使用这种双波方法，可以构建出比当前标准技术更为灵敏的接收器。这为未来的通信链路开辟了一条实用的路径，使其能够以更低的功耗传输更多数据，或者在无需频繁增强信号的情况下，在更长的距离内传输相同量的数据。这项工作为构建能够应对现代高速网络复杂需求，同时保持最大效率所需的精细相位关系之接收器，建立了一个可行的蓝图。
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