时至今日，光通信系统更为复杂，操作的波长是近红外的，1550纳米的波长所对应的频率竟高达200THz，这样的电场无论时间还是空间，变化速度都实在太快，根本无法使用在MHz到GHz范围内工作的现有电子设备来进行处理。

　　因此，我们不妨从时域和频域入手，看看有哪些可用的检测方法。

　　时域检测

　　首先，解决这两个问题的关键并不在于测量绝对相位，而在于测量相对已知参考信号的相位。图1描述了基本的检测设置：用理想的单色激光器产生的参考信号R，即本振。所谓相干检测，就是利用一束本振光和输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。

　　
 

　　
 

　　图1：把信号S和参考信号R混合可以测量相位差

　　AS：接收光信号的电场幅度值

　　AR：本振光信号电场幅度值

　　φS：接收光信号的相位调制信息

　　φR：本振光的相位调制信息

　　前文中曾提到的 onoff 直接检测，是用检测器直接把输入光信号转换为电信号，在这种检测方式中，光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能最终转换成基带信号。这种检测方式设备简单、经济实用。

　　根据信号光和本振光的频率值的差异，相干检测分为零差检测、外差检测以及内差相干检测。其中零差相干检测可以直接还原基带信号、信噪比最高。

　　无论是零差检测、外差检测还是内差检测，其检测根据都来源于接收光信号与本振光信号之间的干涉。

　　
 

　　
 

　　图2：三种不同的相干检测

　　
 

　　用平衡接收机抑制与相位无关的项：

　　如图3所示，使用平衡接收机可以抑制所有其他与相位无关的项。在这里，在一个分支上将被检测到的信号S和参考信号R做求和，并减去第二个分支上的2x2光合路器(可以是光纤或自由空间光耦合器)。每个分支上产生的信号由一个光电二极管检测。然后利用这两种光电流之间的差，在同样如图4所示的方程中，所有其他项都被消去了，只剩下拍频项。

　　
 

　　
 

　　图3 ：平衡检测的另一个优势显而易见

　　净光电流增加了一倍

　　
 

　　把这个概念带到IQ平面上——IQ解调器：

　　为了同时恢复振幅和相位，相干接收机应将分量(I)和分量(Q)作为两个独立的输出信号。为此，需要两个平衡探测器，而一个本振振荡器就提供了I与Q的参考信号，只是相位必须移动π 2得到Q的部分。对于QPSK信号，图4给出了整个设置的概念，这就是IQ解调器。

　　
 

　　
 

　　图4：IQ解调器提供了两个独立的测量值

　　它们都包含振幅和相位的信息

　　
 

　　这种设置只适用于非偏振-多路复用的相干信号。此外，该信号仅与探测器上偏振状态相同的本振信号分量混合。

　　我们再进一步将概念扩展到双偏振：

　　对于双偏振，解调器的概念需要进一步的拓展。基本原理保持不变: 在偏振分路器之后，现在有两个IQ解调器，一个用于X偏振，另一个用于Y偏振。只有一个本振为所有支路提供参考信号。

　　如图5所示。有四个输出信号来解析I和Q坐标，每个偏振方向各有一个输出信号。方程中，所标识的h和v反映了信号相对于接收机偏振参考的水平偏振状态和垂直偏振状态, 相当于X和Y偏振平面。利用偏振分光器PBS分开X和Y偏振面上的分量，然后分离出的X和Y偏振分量与本振光源拍频，从而实现双偏振信号的相干解调。

　　
 

　　
 

　　图5：此框图来自

　　《综合双偏振内相干接收机OIF实施协议》

　　IA # OIF-DPC-RX-01.2, Nov. 14, 2013

　　
 

　　本振振荡器的频率ωR不同于信号的频率ωS的接收器，被称为外差接收机。

　　在零差接收机中，本振的频率与载波信号本身的频率相同，优点是不再依赖于频率。

　　图6量化了零差和外差接收机所需的电带宽。对于零差检测，当本振的频率与信号本身相同时，需要信号光带宽的一半。外差接收机所需的电带宽随本振与信号之间的频偏增大而增大。

　　
 

　　
 

　　图6：相干检测所需的电带宽

　　取决于信号与其基准之间的频偏

　　
 

　　使用信号的延迟副本作为参考信号

　　——delay line interferometers

　　对于相位信息的恢复，本振是必不可少的。另一种解决方案是用信号的副本去覆盖信号，这种方式就有一个参考信号 ωR = ωS 。

　　可能会有小伙伴问，这种方法能有效吗? 事实证明这种自零差方法是有用的，因为检测随时间的相位变化还是很有意义的。因此，将信号一分为二，并将延迟复制的信号叠加起来作为参考信号，就可以得到相位变化的信息。

　　这种测量方法的优点是，它不受由于外部本振和载流激光本身的缓慢频率(相对于符号速率)波动而引起的误差的影响。这种接收机设置称为delay line interferometers。下图显示了一个delay line interferometers，信号S(t)和被延迟了T时间的信号S(t+T)。

　　
 

　　
 

　　
 

　　图7：delay line interferometers

　　这里的方程表明，结果依赖于

　　原始信号与其延迟复制信号相位差的余弦值

　　
 

　　由于这个函数的周期性, 只有相位差异在0到π之间才能唯一识别，延迟时间T是载波周期2πωS的整数倍。这对于BPSK是足够的，但对于恢复QPSK和更高阶调制方案则需要另一个delay line interferometer将相位相对于其他delay line interferometer移动π 2，使得能覆盖整个0到2π的相位范围。图8显示了两个delay line interferometer的设置，用于接收两个独立的I和Q组件。

　　
 

　　
 

　　图8：扩展更多delay line interferometer

　　用于QPSK和更高阶调制格式

　　
 

　　与外差接收机类似，delay line interferometer也可扩展用于偏振灵敏度测量。

　　对于delay line interferometer，不需要外接本振。因此，避免了引入振荡器的相位噪声并且减少了对信号处理的要求。然而，这种方法的缺点仍然可能导致我们更愿意选择外差接收器。

　　首先，在没有时钟数据恢复(CDR)的情况下，用delay line interferometer测量相位随时间的变化，需要比符号周期小得多的延迟和采样周期，但是今天的符号速率已经达到了一个很难企及的水平。此外，对于低功率信号，由于参考信号也是低功率的，且传输链路上存在噪声积累，降低了测量灵敏度。无论是采样技术的实现，测量时间的增加，还是需要额外的trigger信号，零差接收机并不是很灵活。

　　到目前为止，以上就是所有的时域检测技术。另一大类方法就是检测频谱，通过傅里叶变换得到时域信号。

　　频域检测

　　为了从复杂调制光信号的频谱中提取调制光信号，我们必须测量复杂调制光信号的频谱，即振幅和相位信息。

　　这可以用一个复杂频谱分析仪分离不同光信号的频率成分。所有的频段都可以用多个检测器同时检测，也可以用扫描窄带滤光器外加单个检测器依次检测。

　　为了恢复相位和振幅，再次使用本振作为参考信号。为了恢复这两个参数，需要一个发射两个光频率信号的源。

　　图9显示了测量偏振分辨复杂光谱所需的完整设置。

　　
 

　　
 

　　图9：偏振分辨相干频率检测设置

　　
 

　　频域检测的最大优点是它几乎无限的带宽，这也意味着无限的时间分辨率，带宽取决于本振的扫频范围，即当今可调谐外腔激光器可达到THz范围内的带宽。另一个巨大的优势是不需要高速接收器。

　　但是另一方面，它也有主要的缺点。

　　例如，它只适用于周期信号，此外，还需要一个符号或码型时钟，恢复后的时域信号的精度直接取决于光谱分辨率，而光谱分辨率决定了可以分辨的边带数目，今天能达到的光谱分辨率也限制了码型长度在几十个符号之内。由于这些因素以及该方法不能实时给出结果，使得频域检测不适用于接收机。事实上，这将导致较长的测量时间和相当复杂的测量设置和信号处理。

　　最后，在频率检测中，对所有非周期结果进行平均，例如对偏振模色散(PMD)也是如此，因此无法被补偿。这样一来，就诞生了一个堪比哲学三问的终极问题：

　　我们该如何取舍？

　　自零差设置需要很少的信号处理，对相位噪声最不敏感。尽管如此，它们却不是很灵活，只能接近设计符号速率，并且没有外差实现那么灵敏。

　　外差时域检测方法则具有最高的灵活性。与频域检测不同，它们可以用于实时检测。因此，它们适用于数据网络中的实时信号。通过实时采样，可以在所有域中重建完整的信号，并且不受调制格式的限制。在外差时域检测中，信号长度也没有限制。在信号处理过程中可以补偿PMD和CD。在这种情况下，只有信号处理才是吞吐量限制因素。

　　同时，必须考虑到这种方法的测试方案是需要四通道高速设备，即高性能的实时digitizer，要具有非常低的抖动和噪声，在整个频率范围内具有很高的有效比特数(ENOB)。