大家好，今天這篇文章，小棗君將重點介紹一些光通信基礎知識。

眾所周知，我們現在的整個通信網絡，對于光通信技術有著極大的依賴。我們的骨干網、光纖寬帶以及5G，都離不開光通信技術的支撐。

所謂光通信，就是利用光信號攜帶信息，在光纖中進行數據傳輸的技術。

光波是電磁波的一種，所以，光信號也符合電磁波的物理特性。

想要提升光通信的信息傳輸量，基本上分為以下三種思路：

第一個思路：提升信號的波特率。

波特率（Baud），準確來說就叫波特，叫波特率只是口語習慣。它的定義是：單位時間內傳送的碼元符號（Symbol）的個數。

波特率很容易理解，我每秒傳輸的符號越多，當然信息量就越大。

目前，隨著芯片處理技術從16nm提高到7nm和5nm，光學器件和光電轉換器件的波特率也從30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud，甚至120+Gbaud。

然而，波特率并不是無限大的。越往上，技術實現難度越高。高波特率器件，會帶來一系列系統性能損傷問題，需要更先進的算法和硬件進行補償。

大家需要注意，波特率并不是比特率（傳輸速率）。

 

對于二進制信號，0和1，1個符號就是1比特（bit）。那么，每秒的符號數（波特率）就等于每秒的比特數（比特率，bit/s）。對于四進制信號，1個符號可以表達2比特，每秒的符號數×2=每秒的比特數。

 

四進制，相同的波特率，比特率翻倍（信息量翻倍）

所以說，為了提升每秒的比特數（信息傳輸速率），我們需要一個符號能盡量表達更多的比特。怎么做到呢？我們待會再說。

第二個思路：采用更多的光纖數或通道數。

用更多的光纖，這個思路很容易粗暴。光纖數量越多，相當于單車道變雙車道、四車道、八車道，當然傳輸信息量會翻倍。

但是，這種方式涉及到投資成本。而且，光纖數太多，安裝也會很麻煩。

在一根光纖里，建立多個信道，這是個更好的辦法。

信道數可以是空間信道，也可以是頻率信道。

空間信道包括模式（單模/多模）、纖芯（多纖芯的光纖）、偏振（待會會講）。

頻率信道的話，這就要提到WDM（波分復用技術）。它把不同的業務數據，放在不同波長的光載波信號中，在一根光纖中傳送。

 

WDM波分復用

波長×頻率=光速（恒定值），所以波分復用其實就是頻分復用

WDM同樣也不是無限波數的。每個波長都必須在指定的波長范圍內，而且相互之間還要有保護間隔，不然容易“撞車”。

目前行業正在努力將光通信的頻段拓展到“C+L”頻段（詳情： 鏈接 ），可以實現192個波長，頻譜帶寬接近9.6THz。如果單波400G，那就是192×400G=76.8Tbps的傳輸速率。

第三個思路，也是我們今天要重點介紹的思路——高階調制。

也就是說，采用更高級的調制技術，提升單個符號所能代表的比特（對應第一個思路），進而提升比特率。

對于調制，大家一定不會陌生。我們經常聽說的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是調制技術。

以前我給大家講電通信和移動通信的時候，提到過：想讓電磁波符號表達不同的信息，無非就是對電磁波的幾個物理維度進行調整。

大家比較熟悉的物理維度，是幅度、頻率、相位。

 

光波也是電磁波，所以，對光波進行調制，思路基本是一樣的。

光纖通信系統，主要有6個物理維度可供復用，即：頻率（波長）、幅度、相位、時間（OTDM）、空間（空分復用）、偏振（PDM）。

█ 幅度調制

頻率復用其實就是WDM波分復用，剛才已經介紹過了。接下來，我們看看 幅度調制。

在早期的光通信系統里，我們采用的是 直接調制（DML，Direct Modulation Laser）。它就屬于強度（幅度）調制。

在直接調制中，電信號直接用開關鍵控（OOK，On-Off Keying）方式，調制激光器的強度（幅度）。

 

 

這個和我們的航海信號燈有點像。亮的時候是1，暗的時候是0，一個符號一個比特，簡單明了。

 

直接調制的優點是采用單一器件，成本低廉，附件損耗小。但是，它的缺點也很多。它的調制頻率受限（與激光器馳豫振蕩有關），會產生強的頻率啁啾，限制傳輸距離。直接調制激光器可能出現的線性調頻，使輸出線寬增大，色散引入脈沖展寬，使信道能量損失，并產生對鄰近信道的串擾（看不懂就跳過吧）。

所以，后來出現了外調制（EML，External Modulation Laser）。

在外調制中，調制器作用于激光器外的調制器上，借助電光、熱光或聲光等物理效應，使激光器發射的激光束的光參量發生變化，從而實現調制。

如下圖所示：

 

外調制常用的方式有兩種。

一種是 EA電吸收調制。將調制器與激光器集成到一起，激光器恒定光強的光，送到EA調制器，EA調制器等同于一個門，門開的大小由電壓控制。通過改變電場的大小，可以調整對光信號的吸收率，進而實現調制。

 

還有一種，是MZ調制器，也就是 Mach-Zehnder馬赫-曾德爾調制器。

在MZ調制器中，輸入的激光被分成兩路。通過改變施加在MZ調制器上的偏置電壓，兩路光之間的相位差發生變化，再在調制器輸出端疊加在一起。

 

電壓是如何產生相位差的呢？

基于電光效應——某些晶體(如鈮酸鋰)的折射率n，會隨著局部電場強度變化而變化。

如下圖所示，雙臂就是雙路徑，一個是Modulated path（調制路徑），一個是Unmodulated path（非調制路徑）。

 

當作用在調制路徑上的電壓變化時，這個臂上的折射率n發生了變化。光在介質中的傳播速率v=c/n（光在真空中的速率除以折射率），所以，光傳播的速率v發生變化。

兩條路徑長度是一樣的，有人先到，有人后到，所以，就出現了相位的差異。

 

如果兩路光的相位差是0度，那么相加以后，振幅就是1+1=2。

如果兩路光的相位差是90度，那么相加以后，振幅就是2的平方根。

如果兩路光的相位差是180度，那么相加以后，振幅就是1-1=0。

 

大家應該也想到了，其實MZ調制器就是基于雙縫干涉實驗，和水波干涉原理一樣的。

 

峰峰疊加，峰谷抵消

█ 光相位調制

接下來，我們講講光相位調制。（敲黑板，這部分可是重點！）

其實剛才我們已經講到了相位，不過那個是借助相位差產生幅度差，依舊屬于幅度調制。

首先，我們回憶一下高中（初中？）的數學知識——虛數和三角函數。

在數學中，虛數就是形如 a+b*i的數。實部a可對應平面上的橫軸，虛部b與對應平面上的縱軸，這樣虛數a+b*i可與平面內的點(a,b)對應。

大家應該還記得，坐標軸其實是可以和波形相對應的，如下：

 

波形，其實又可以用三角函數來表示，例如：  

 

多么優美，多么妖嬈~

X = A * sin（ωt+φ）= A * sin θ

Y = A * cos（ωt+ φ） = A * cosθ

ω是角速度， ω=2πf，f是頻率。

φ是初相位，上圖為0°。

還記得不？把A看出幅度，把θ看成相位，就是電磁波的波形。

θ=0°，sin θ=0

θ=90°，sinθ=1

θ=180°，sinθ=0

θ=270°，sinθ=-1

好了，基礎知識復習完畢，現在進入正文。

首先，我們介紹一下， 星座圖。

其實剛才介紹MZ調制器相位變化的時候，已經看到了星座圖的影子。下面這幾張圖圖，都屬于星座圖。圖中的黑色小點，就是星座點。

大家會發現，星座圖和我們非常熟悉的縱橫坐標系很像。是的，星座圖里的星座點，其實就是振幅E和相位Ф的一對組合。

 

就要提出 I/Q調制（不是智商調制啊 ）。

I，為in-phase，同相或實部。Q，為quadrature phase，正交相位或虛部。所謂正交，就是相對參考信號相位有-90度差的載波。

 

我們繼續來看。

在星座圖上，如果幅度不變，用兩個不同的相位0和180°，表示1和0，可以傳遞2種符號，就是 BPSK（Binary Phase Shift Keying，二進制相移鍵控）。

 

BPSK

BPSK是最簡單最基礎的PSK，非常穩，不容易出錯，抗干擾能力強。但是，它一個符號只能傳送1個比特，效率太低。

于是，我們升級一下，搞個 QPSK（Quadrature PSK，正交相移鍵控）。

QPSK，是具有4個電平值的四進制相移鍵控（PSK）調制。它的頻帶利用率，是BPSK的2倍。

 

圖片來自是德科技

隨著進制的增加，雖然頻帶利用率提高，但也帶來了缺點——各碼元之間的距離減小，不利于信號的恢復。特別是受到噪聲和干擾時，誤碼率會隨之增大。

為解決這個問題，我們不得不提高信號功率（即提高信號的信噪比，來避免誤碼率的增大），這就使功率利用率降低了。

有沒有辦法，可以兼顧頻帶利用率和各碼元之間的距離呢？

有的，這就引入了 QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調制）。

QAM的特點，是各碼元之間不僅相位不同，幅度也不同。它屬于相位與幅度相結合的調制方式。

大家看下面這張動圖，就明白了：

 

 

Amp，振幅。Phase，相位。

其實，QPSK就是電平數為4的QAM。上圖是16QAM，16個符號，每個符號4bit（0000，0001，0010等）。

64QAM的話，64個符號（2的n次方，n=6），每個符號6bit（000000，000001，000010等）。

 

QPSK這種調制，到底是怎么搗鼓出來的呢？

我們可以看一個通過MZ調制器搗鼓QPSK的圖片：

 

圖片來自是德科技

在發射機中，電比特流被一個多路復用器分成信號的I和Q部分。這兩部分中的每一部分都直接調制MZ調制器一只臂上的激光信號的相位。另一個MZ調制器把較低的分支相移π⁄2。兩個分支重組后，結果是一個QPSK信號。

高階QAM的調制難度更大。限于篇幅，下次我再專門給大家解釋。

此前介紹無線通信調制的時候，說過5G和Wi-Fi 6都在沖1024QAM。那么，光通信是不是可以搞那么高階的QAM呢？

不瞞您說，還真有人這么干了。

前幾年，就有公司展示了基于先進的星系整形算法和奈奎斯特副載波技術的1024QAM調制，基于66Gbaud波特率，實現了1.32Tbps下的400公里傳輸，頻譜效率達到9.35bit/s/Hz。

不過，這種高階調制仍屬于實驗室階段，沒有商用（也不知道有沒有可能商用 ）。目前實際應用的，好像沒有超過256QAM。

高階QAM雖然帶來了傳輸速率的大幅提升，但對元器件性能要求很高，對芯片算力的要求也高。而且，如果信道噪聲或干擾太大，還是會出現剛才所說的高誤碼率問題。

 

 

1024QAM，密集恐懼癥的節奏

在相同的30G+波特率下，16QAM的光信噪比（OSNR）比QPSK高出約5dB。隨著星座中星座點個數的增加，16QAM的OSNR將呈指數增長。

因此，16QAM或更高階QAM的傳輸距離將被進一步限制。

為了進一步榨干光纖通信的帶寬潛力，廠商們祭出了新的大殺器，那就是—— 相干光通信。下期，小棗君將詳細給大家介紹。

█ PAM4和偏振復用

文章的最后，再說說兩個“翻倍”技術——PAM4和PDM偏振多路復用。

先說PAM4。

在PAM4之前，我們傳統使用的都是NRZ。

NRZ，就是Non-Return-to-Zero的縮寫，字面意思叫做“不歸零”，也就是不歸零編碼。

采用NRZ編碼的信號，就是使用高、低兩種信號電平來表示傳輸信息的數字邏輯信號。

NRZ有單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼。

單極性不歸零碼，“1”和“0”分別對應正電平和零電平，或負電平和零電平。

單極性不歸零碼

雙極性不歸零碼，“1”和“0”分別對應正電平和等效負電平。

雙極性不歸零碼

所謂“不歸零”，不是說沒有“0”，而是說每傳輸完一位數據，信號無需返回到零電平。（顯然，相比RZ，NRZ節約了帶寬。）

在光模塊調制里面，我們是用激光器的功率來控制0和1的。

簡單來說，就是發光，實際發射光功率大于某門限值，就是1。小于某門限值，就是0。

傳輸011011就是這樣： 

NRZ調制

后來，正如前文所說，為了 增加單位時間內傳輸的邏輯信息，就搞出了PAM4。

PAM4，就是4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四電平脈沖幅度調制。它是一種高級調制技術，采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸。

還是傳輸011011，就變成這樣：

 

PAM4調制

這樣一來，單個符號周期表示的邏輯信息，從NRZ的1bit，變成了2bit，翻了一倍。

 

NRZ VS PAM4 （右邊是眼圖）

那么問題來了，如果4電平能夠翻一倍，為啥我們不搞個8電平、16電平、32電平？速度隨便翻倍，豈不爽歪歪？

答案是不行。

主要原因，還是在于激光器的技術工藝。實現PAM4，需要激光器能夠做到對功率的精確控制。

如果工藝不OK，搞更高位數電平，就會造成很高的誤碼率，無法正常工作。即便是PAM4，如果信道噪聲太大，也是不能正常工作的。

什么是 PDM偏振多路復用呢？

PDM偏振多路復用，就是Polarization Division Multiplexing。

不知道大家有沒有看過我之前寫過的關于天線的文章。天線里面，有一個雙極化的概念，在空間上，把電磁波“轉動”90度，就可以實現兩個獨立的電磁波傳輸。

 

天線的雙極化

偏振復用的道理，其實也差不多。它利用光的偏振維度，在同一波長信道中，通過光的兩個相互正交偏振態，同時傳輸兩路獨立數據信息，以此達到提升系統總容量的目的。

它等于實現了雙通道傳輸，和PAM4一樣，翻了一倍。

 

PDM偏振復用，X偏振和Y偏振，各自獨立

圖片來自是德科技

好啦，以上就是今天文章的全部內容。感謝大家的耐心觀看。

—— 全文完 ——

參考文獻：

1、知否，知否，什么是相干光通信，是德科技

2、戴維帶你認識光通訊，菲尼薩·戴維

3、話說大容量光纖通信，Fiber，知乎

4、認識光通信，原榮，機械工業出版社

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