上海交通大学苏翼凯教授联合团队从传统的相位分集零差相干接收机结构出发，推导出了最优的直接检测接收机架构，为大容量和成本高效的数据中心互连、城域网和移动回传中的一些新应用提供可能。

在大带宽互联网业务的驱动下，数据中心互联和城域网的流量需求呈指数型增长。相干检测由于其优越的性能，可以作为一种有效的解决方案。但是，相干检测接收机要求昂贵的窄线宽本振激光器，这大大地增加了系统成本。因此，强度调制直接检测(IM/DD)仍然作为一种低成本的解决方案，被广泛应用于短距离传输场景。然而，传统的IM/DD系统只使用了幅度这一个调制维度，牺牲了大约一半的电谱效率(ESE=数据率/接收机电带宽)。ESE是直接决定短距离传输系统成本的主要因素。此外，由于缺少光场重构能力，无法使用数字信号处理(DSP)算法进行光纤色散补偿，这将限制系统可实现的ESE。因此，有必要研究具有光场重构能力的高ESE复值双边带(CV-DSB)直接检测方案。

近年来，各种CV-DSB直接检测方案被提出，比如：载波辅助差分检测(CADD)、基于Gerchberg-Saxton(GS)算法的无载波相位恢复接收机、非对称式自相干检测(ASCD)、以及深度学习赋能直接检测(DLEDD)等。然而，当前存在一个基本问题仍待解决，是否存在一个最优的直接检测接收机结构，使用最简单的设计，趋近零差相干检测的ESE。

针对以上问题，近日，上海交通大学苏翼凯教授团队联合诸葛群碧副教授、西湖大学William Shieh教授和美国诺基亚贝尔实验室Haoshuo Chen博士，从传统的相位分集零差相干接收机结构出发，推导出了最优的直接检测接收机架构。该接收机由一个耦合器、两个单端光电探测器(PD)、两个模数转换器和一个具有最优传递函数的频率选择性相移器组成，如图1所示。通过联合考虑噪声和信号与信号二阶拍频项(SSBI)对系统性能的影响，最优的传递函数表现为全通的幅度响应，相位响应表现为对载波或信息承载信号施加可调的相移。在实际应用中，需要根据系统工作条件灵活选择合适的相移。在接收端DSP中，使用卷积神经网络一步完成信号重构和SSBI消除，从而最优化系统的误码率(BER)性能。

图1 具有最优传递函数的直接检测接收机结构。(a)最优的接收机结构；(b) h(t)的幅频响应；(c) h(t)的相频响应。

通过引入香农公式，研究人员导出了各种检测系统的电谱效率理论极限值，如图2(a)所示。该值主要与系统净数据率和光信噪比(OSNR)有关。然后，所提出方案的ESE理论极限值被归一化到零差相干的情况，如图2(b)所示。为了提供一个更加清晰的视觉展示，研究人员考虑了一些特殊情况。图2(c)展示了不同的净数据率时，所提方案归一化的ESE理论极限值与OSNR的关系。随着OSNR的增加，所提出方案的ESE理论极限值逐渐趋近零差相干的理论极限值。可以预见，如果OSNR足够大，所提出方案的归一化ESE理论极限值有望接近100%。

图2 (a)不同方案的ESE理论极限；(b)所提方案归一化的ESE理论极限；(c)不同净数据率条件下，所提方案归一化的ESE理论极限与OSNR的关系。

通过利用波形整形器构建最优的传递函数，研究人员完成了一个概念性验证实验。如图3所示，通过使用110°相移，在无星座整形的情况下，研究人员成功演示了46 GBaud 64-QAM信号传输80公里单模光纤，实现了228.85 Gb/s的净数据率和8.76 b/s/Hz的净电谱效率。对于传输距离大于40公里的直接检测传输实验，研究人员报道了单波长单偏振最高的净电谱效率。对于综合性指标2ESE×Reach，实现了直接检测传输实验中最高的2ESE×Reach。所提出的最优直接检测接收机可以为大容量和成本高效的数据中心互连、城域网和移动回传中的一些新应用提供可能。

图3（a）实验装置和DSP流程图；（b）光谱图；（c）BER与CSPR的关系；（d）BER与ROP的关系。

相关成果以“Direct detection with an optimal transfer function: toward the electrical spectral efficiency of coherent homodyne detection”为题发表在Opto-Electronic Science 2025年第2期。李星峰博士为论文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金项目(62341508)的支持。

研究团队简介

本工作由上海交通大学苏翼凯教授团队联合诸葛群碧副教授、西湖大学William Shieh教授、美国诺基亚贝尔实验室Haoshuo Chen博士共同完成。苏翼凯教授与William Shieh教授的合作可追溯到2020年。那年William Shieh教授在墨尔本大学提出CADD接收机，苏翼凯教授课题组随后进行了实验验证。2022年，Shieh教授回国加入西湖大学，担任光通信与传感讲席教授，与苏教授的合作进一步深化。合作团队前期代表性成果包括硅光集成CADD接收机(OFC, 2022, Th4B.6, PDP)、四维硅光集成直接检测接收机(ECOC, 2023, Th.C.1.9, PDP)、基于矩形芯光纤的chip-to-chip少模传输(Laser & Photonics Reviews, vol. 17, no. 11, 2023)等。

苏翼凯教授课题组主页：

https://otip.sjtu.edu.cn

William Shieh教授课题组主页：

https://ocs.lab.westlake.edu.cn/index.htm

合作团队合照