大家好，今天這篇文章，小棗君將重點(diǎn)介紹一些光通信基礎(chǔ)知識(shí)。

眾所周知，我們現(xiàn)在的整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，對于光通信技術(shù)有著極大的依賴。我們的骨干網(wǎng)、光纖寬帶以及5G，都離不開光通信技術(shù)的支撐。

所謂光通信，就是利用光信號攜帶信息，在光纖中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。

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(gè)思路：提升信號的波特率。

波特率(Baud)，準(zhǔn)確來說就叫波特，叫波特率只是口語習(xí)慣。它的定義是：單位時(shí)間內(nèi)傳送的碼元符號(Symbol)的個(gè)數(shù)。

波特率很容易理解，我每秒傳輸?shù)姆栐蕉?，?dāng)然信息量就越大?。

目前，隨著芯片處理技術(shù)從16nm提高到7nm和5nm，光學(xué)器件和光電轉(zhuǎn)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(shù)實(shí)現(xiàn)難度越高。高波特率器件，會(huì)帶來一系列系統(tǒng)性能損傷問題，需要更先進(jìn)的算法和硬件進(jìn)行補(bǔ)償。

大家需要注意，波特率并不是比特率(傳輸速率)。

對于二進(jìn)制信號，0和1，1個(gè)符號就是1比特(bit)。那么，每秒的符號數(shù)(波特率)就等于每秒的比特?cái)?shù)(比特率，bit/s)。對于四進(jìn)制信號，1個(gè)符號可以表達(dá)2比特，每秒的符號數(shù)×2=每秒的比特?cái)?shù)。

四進(jìn)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?cái)?shù)(信息傳輸速率)，我們需要一個(gè)符號能盡量表達(dá)更多的比特。怎么做到呢?我們待會(huì)再說。

第二個(gè)思路：采用更多的光纖數(shù)或通道數(shù)。

用更多的光纖，這個(gè)思路很容易粗暴。光纖數(shù)量越多，相當(dāng)于單車道變雙車道、四車道、八車道，當(dāng)然傳輸信息量會(huì)翻倍。

但是，這種方式涉及到投資成本。而且，光纖數(shù)太多，安裝也會(huì)很麻煩。

在一根光纖里，建立多個(gè)信道，這是個(gè)更好的辦法。

信道數(shù)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(huì)會(huì)講)。

頻率信道的話，這就要提到WDM(波分復(fù)用技術(shù))。它把不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，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(fù)用

波長×頻率=光速(恒定值)，所以波分復(fù)用其實(shí)就是頻分復(fù)用

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

目前行業(yè)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(shí)現(xiàn)192個(gè)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(gè)思路，也是我們今天要重點(diǎn)介紹的思路——高階調(diào)制。

也就是說，采用更高級的調(diào)制技術(shù)，提升單個(gè)符號所能代表的比特(對應(yīng)第一個(gè)思路)，進(jìn)而提升比特率。

對于調(diào)制，大家一定不會(huì)陌生。我們經(jīng)常聽說的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是調(diào)制技術(shù)。

以前我給大家講電通信和移動(dòng)通信的時(shí)候，提到過：想讓電磁波符號表達(dá)不同的信息，無非就是對電磁波的幾個(gè)物理維度進(jìn)行調(diào)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(jìn)行調(diào)制，思路基本是一樣的。

光纖通信系統(tǒng)，主要有6個(gè)物理維度可供復(fù)用，即：頻率(波長)、幅度、相位、時(shí)間(OTDM)、空間(空分復(fù)用)、偏振(PDM)。

幅度調(diào)制

頻率復(fù)用其實(shí)就是WDM波分復(fù)用，剛才已經(jīng)介紹過了。接下來，我們看看幅度調(diào)制。

在早期的光通信系統(tǒng)里，我們采用的是直接調(diào)制(DML，Direct Modulation Laser)。它就屬于強(qiáng)度(幅度)調(diào)制。

在直接調(diào)制中，電信號直接用開關(guān)鍵控(OOK，On-Off Keying)方式，調(diào)制激光器的強(qiáng)度(幅度)。

這個(gè)和我們的航海信號燈有點(diǎn)像。亮的時(shí)候是1，暗的時(shí)候是0，一個(gè)符號一個(gè)比特，簡單明了。

直接調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是采用單一器件，成本低廉，附件損耗小。但是，它的缺點(diǎn)也很多。它的調(diào)制頻率受限(與激光器馳豫振蕩有關(guān))，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的頻率啁啾，限制傳輸距離。直接調(diào)制激光器可能出現(xiàn)的線性調(diào)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(chǎn)生對鄰近信道的串?dāng)_(看不懂就跳過吧)。

所以，后來出現(xiàn)了外調(diào)制(EML，External Modulation Laser)。

在外調(diào)制中，調(diào)制器作用于激光器外的調(diào)制器上，借助電光、熱光或聲光等物理效應(yīng)，使激光器發(fā)射的激光束的光參量發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

如下圖所示：

外調(diào)制常用的方式有兩種。

一種是EA電吸收調(diào)制。將調(diào)制器與激光器集成到一起，激光器恒定光強(qiáng)的光，送到EA調(diào)制器，EA調(diào)制器等同于一個(gè)門，門開的大小由電壓控制。通過改變電場的大小，可以調(diào)整對光信號的吸收率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

還有一種，是MZ調(diào)制器，也就是Mach-Zehnder馬赫-曾德爾調(diào)制器。

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

電壓是如何產(chǎn)生相位差的呢?

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

如下圖所示，雙臂就是雙路徑，一個(gè)是Modulated path(調(diào)制路徑)，一個(gè)是Unmodulated path(非調(diào)制路徑)。

當(dāng)作用在調(diào)制路徑上的電壓變化時(shí)，這個(gè)臂上的折射率n發(fā)生了變化。光在介質(zhì)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(fā)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(xiàn)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(yīng)該也想到了，其實(shí)MZ調(diào)制器就是基于雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，和水波干涉原理一樣的。

峰峰疊加，峰谷抵消

光相位調(diào)制

接下來，我們講講光相位調(diào)制。(敲黑板，這部分可是重點(diǎn)!)

其實(shí)剛才我們已經(jīng)講到了相位，不過那個(gè)是借助相位差產(chǎn)生幅度差，依舊屬于幅度調(diào)制。

首先，我們回憶一下高中(初中?)的數(shù)學(xué)知識(shí)——虛數(shù)和三角函數(shù)。

在數(shù)學(xué)中，虛數(shù)就是形如a+b*i的數(shù)。實(shí)部a可對應(yīng)平面上的橫軸，虛部b與對應(yīng)平面上的縱軸，這樣虛數(shù)a+b*i可與平面內(nèi)的點(diǎn)(a,b)對應(yīng)。

大家應(yīng)該還記得，坐標(biāo)軸其實(shí)是可以和波形相對應(yīng)的，如下：

波形，其實(shí)又可以用三角函數(shù)來表示，例如：

多么優(yōu)美，多么妖嬈~X = A * sin(ωt+φ)= A * sinθY = A * cos(ωt+φ)= A * cosθω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°，sinθ=0
• θ=90°，sinθ=1
• θ=180°，sinθ=0
• θ=270°，sinθ=-1

好了，基礎(chǔ)知識(shí)復(fù)習(xí)完畢，現(xiàn)在進(jìn)入正文。

首先，我們介紹一下，星座圖。

其實(shí)剛才介紹MZ調(diào)制器相位變化的時(shí)候，已經(jīng)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(diǎn)，就是星座點(diǎn)。

大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，星座圖和我們非常熟悉的縱橫坐標(biāo)系很像。是的，星座圖里的星座點(diǎn)，其實(shí)就是振幅E和相位Ф的一對組合。

就要提出 I/Q調(diào)制(不是智商調(diào)制啊)。

I，為in-phase，同相或?qū)嵅?。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(xù)來看。

在星座圖上，如果幅度不變，用兩個(gè)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(jìn)制相移鍵控)。

BPSK

BPSK是最簡單最基礎(chǔ)的PSK，非常穩(wěn)，不容易出錯(cuò)，抗干擾能力強(qiáng)。但是，它一個(gè)符號只能傳送1個(gè)比特，效率太低。

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

QPSK，是具有4個(gè)電平值的四進(jìn)制相移鍵控(PSK)調(diào)制。它的頻帶利用率，是BPSK的2倍。

圖片來自是德科技

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

為解決這個(gè)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(diào)制)。

QAM的特點(diǎn)，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(jié)合的調(diào)制方式。

大家看下面這張動(dòng)圖，就明白了：

Amp，振幅。Phase，相位。

其實(shí)，QPSK就是電平數(shù)為4的QAM。上圖是16QAM，16個(gè)符號，每個(gè)符號4bit(0000，0001，0010等)。

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

QPSK這種調(diào)制，到底是怎么搗鼓出來的呢?

我們可以看一個(gè)通過MZ調(diào)制器搗鼓QPSK的圖片：

圖片來自是德科技

在發(fā)射機(jī)中，電比特流被一個(gè)多路復(fù)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(diào)制MZ調(diào)制器一只臂上的激光信號的相位。另一個(gè)MZ調(diào)制器把較低的分支相移π?2。兩個(gè)分支重組后，結(jié)果是一個(gè)QPSK信號。

高階QAM的調(diào)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(diào)制的時(shí)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(jìn)的星系整形算法和奈奎斯特副載波技術(shù)的1024QAM調(diào)制，基于66Gbaud波特率，實(shí)現(xiàn)了1.32Tbps下的400公里傳輸，頻譜效率達(dá)到9.35bit/s/Hz。

不過，這種高階調(diào)制仍屬于實(shí)驗(yàn)室階段，沒有商用(也不知道有沒有可能商用)。目前實(shí)際應(yīng)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(huì)出現(xiàn)剛才所說的高誤碼率問題。

1024QAM，密集恐懼癥的節(jié)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(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，16QAM的OSNR將呈指數(shù)增長。

因此，16QAM或更高階QAM的傳輸距離將被進(jìn)一步限制。

為了進(jìn)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(xì)給大家介紹。

PAM4和偏振復(fù)用

文章的最后，再說說兩個(gè)“翻倍”技術(shù)——PAM4和PDM偏振多路復(fù)用。

先說PAM4。

在PAM4之前，我們傳統(tǒng)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(shù)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(yīng)正電平和零電平，或負(fù)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(yīng)正電平和等效負(fù)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(shù)據(jù)，信號無需返回到零電平。(顯然，相比RZ，NRZ節(jié)約了帶寬。)

在光模塊調(diào)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(fā)光，實(shí)際發(fā)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(diào)制

后來，正如前文所說，為了增加單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)倪壿嬓畔?，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(diào)制。它是一種高級調(diào)制技術(shù)，采用4個(gè)不同的信號電平來進(jìn)行信號傳輸。

還是傳輸011011，就變成這樣：

PAM4調(diào)制

這樣一來，單個(gè)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(gè)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(shù)工藝。實(shí)現(xiàn)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(shù)電平，就會(huì)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(fù)用呢?

PDM偏振多路復(fù)用，就是Polarization Division Multiplexing。

不知道大家有沒有看過我之前寫過的關(guān)于天線的文章。天線里面，有一個(gè)雙極化的概念，在空間上，把電磁波“轉(zhuǎn)動(dòng)”90度，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的電磁波傳輸。

天線的雙極化

偏振復(fù)用的道理，其實(shí)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(gè)相互正交偏振態(tài)，同時(shí)傳輸兩路獨(dú)立數(shù)據(jù)信息，以此達(dá)到提升系統(tǒng)總?cè)萘康哪康摹?/p>

它等于實(shí)現(xiàn)了雙通道傳輸，和PAM4一樣，翻了一倍。

PDM偏振復(fù)用，X偏振和Y偏振，各自獨(dú)立

圖片來自是德科技

好啦，以上就是今天文章的全部內(nèi)容。感謝大家的耐心觀看，我們下期介紹相干光通信，不見不散喲!