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(zhong) 所周知，我們(men) 現在的整個(ge) 通信網絡，對於(yu) 光通信技術有著極大的依賴。我們(men) 的骨幹網、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(chuan) 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(chuan) 輸量，基本上分為(wei) 以下三種思路：

第一個(ge) 思路：提升信號的波特率。

波特率（Baud），準確來說就叫波特，叫波特率隻是口語習(xi) 慣。它的定義(yi) 是：單位時間內(nei) 傳(chuan) 送的碼元符號（Symbol）的個(ge) 數。

波特率很容易理解，我每秒傳(chuan) 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(cong) 16nm提高到7nm和5nm，光學器件和光電轉換器件的波特率也從(cong) 30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud，甚至120+Gbaud。

然而，波特率並不是無限大的。越往上，技術實現難度越高。高波特率器件，會(hui) 帶來一係列係統性能損傷(shang) 問題，需要更先進的算法和硬件進行補償(chang) 。

大家需要注意，波特率並不是比特率（傳(chuan) 輸速率）。

 

對於(yu) 二進製信號，0和1，1個(ge) 符號就是1比特（bit）。那麽(me) ，每秒的符號數（波特率）就等於(yu) 每秒的比特數（比特率，bit/s）。對於(yu) 四進製信號，1個(ge) 符號可以表達2比特，每秒的符號數×2=每秒的比特數。

 

四進製，相同的波特率，比特率翻倍（信息量翻倍）

所以說，為(wei) 了提升每秒的比特數（信息傳(chuan) 輸速率），我們(men) 需要一個(ge) 符號能盡量表達更多的比特。怎麽(me) 做到呢？我們(men) 待會(hui) 再說。

第二個(ge) 思路：采用更多的光纖數或通道數。

用更多的光纖，這個(ge) 思路很容易粗暴。光纖數量越多，相當於(yu) 單車道變雙車道、四車道、八車道，當然傳(chuan) 輸信息量會(hui) 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(hui) 很麻煩。

在一根光纖裏，建立多個(ge) 信道，這是個(ge) 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(hui) 會(hui) 講）。

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

 

WDM波分複用

波長×頻率=光速（恒定值），所以波分複用其實就是頻分複用

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

目前行業(ye) 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(ge) 波長，頻譜帶寬接近9.6THz。如果單波400G，那就是192×400G=76.8Tbps的傳(chuan) 輸速率。

第三個(ge) 思路，也是我們(men) 今天要重點介紹的思路——高階調製。

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

對於(yu) 調製，大家一定不會(hui) 陌生。我們(men) 經常聽說的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是調製技術。

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(ge) 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，對光波進行調製，思路基本是一樣的。

光纖通信係統，主要有6個(ge) 物理維度可供複用，即：頻率（波長）、幅度、相位、時間（OTDM）、空間（空分複用）、偏振（PDM）。

█ 幅度調製

頻率複用其實就是WDM波分複用，剛才已經介紹過了。接下來，我們(men) 看看 幅度調製。

在早期的光通信係統裏，我們(men) 采用的是 直接調製（DML，Direct Modulation Laser）。它就屬於(yu) 強度（幅度）調製。

在直接調製中，電信號直接用開關(guan) 鍵控（OOK，On-Off Keying）方式，調製激光器的強度（幅度）。

 

 

這個(ge) 和我們(men) 的航海信號燈有點像。亮的時候是1，暗的時候是0，一個(ge) 符號一個(ge) 比特，簡單明了。

 

直接調製的優(you) 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。它的調製頻率受限（與(yu) 激光器馳豫振蕩有關(guan) ），會(hui) 產(chan) 生強的頻率啁啾，限製傳(chuan) 輸距離。直接調製激光器可能出現的線性調頻，使輸出線寬增大，色散引入脈衝(chong) 展寬，使信道能量損失，並產(chan) 生對鄰近信道的串擾（看不懂就跳過吧）。

所以，後來出現了外調製（EML，External Modulation Laser）。

在外調製中，調製器作用於(yu) 激光器外的調製器上，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(cong) 而實現調製。

如下圖所示：

 

外調製常用的方式有兩(liang) 種。

一種是 EA電吸收調製。將調製器與(yu) 激光器集成到一起，激光器恒定光強的光，送到EA調製器，EA調製器等同於(yu) 一個(ge) 門，門開的大小由電壓控製。通過改變電場的大小，可以調整對光信號的吸收率，進而實現調製。

 

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

在MZ調製器中，輸入的激光被分成兩(liang) 路。通過改變施加在MZ調製器上的偏置電壓，兩(liang) 路光之間的相位差發生變化，再在調製器輸出端疊加在一起。

 

電壓是如何產(chan) 生相位差的呢？

基於(yu) 電光效應——某些晶體(ti) (如铌酸鋰)的折射率n，會(hui) 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(ge) 是Modulated path（調製路徑），一個(ge) 是Unmodulated path（非調製路徑）。

 

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

兩(liang) 條路徑長度是一樣的，有人先到，有人後到，所以，就出現了相位的差異。

 

如果兩(liang) 路光的相位差是0度，那麽(me) 相加以後，振幅就是1+1=2。

如果兩(liang) 路光的相位差是90度，那麽(me) 相加以後，振幅就是2的平方根。

如果兩(liang) 路光的相位差是180度，那麽(me) 相加以後，振幅就是1-1=0。

 

大家應該也想到了，其實MZ調製器就是基於(yu) 雙縫幹涉實驗，和水波幹涉原理一樣的。

 

峰峰疊加，峰穀抵消

█ 光相位調製

接下來，我們(men) 講講光相位調製。（敲黑板，這部分可是重點！）

其實剛才我們(men) 已經講到了相位，不過那個(ge) 是借助相位差產(chan) 生幅度差，依舊屬於(yu) 幅度調製。

首先，我們(men) 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可對應平麵上的橫軸，虛部b與(yu) 對應平麵上的縱軸，這樣虛數a+b*i可與(yu) 平麵內(nei) 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：  

 

多麽(me) 優(you) 美，多麽(me) 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(wei) 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，基礎知識複習(xi) 完畢，現在進入正文。

首先，我們(men) 介紹一下， 星座圖。

其實剛才介紹MZ調製器相位變化的時候，已經看到了星座圖的影子。下麵這幾張圖圖，都屬於(yu) 星座圖。圖中的黑色小點，就是星座點。

大家會(hui) 發現，星座圖和我們(men) 非常熟悉的縱橫坐標係很像。是的，星座圖裏的星座點，其實就是振幅E和相位Ф的一對組合。

 

就要提出 I/Q調製（不是智商調製啊 ）。

I，為(wei) in-phase，同相或實部。Q，為(wei) 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(men) 繼續來看。

在星座圖上，如果幅度不變，用兩(liang) 個(ge) 不同的相位0和180°，表示1和0，可以傳(chuan) 遞2種符號，就是 BPSK（Binary Phase Shift Keying，二進製相移鍵控）。

 

BPSK

BPSK是最簡單最基礎的PSK，非常穩，不容易出錯，抗幹擾能力強。但是，它一個(ge) 符號隻能傳(chuan) 送1個(ge) 比特，效率太低。

於(yu) 是，我們(men) 升級一下，搞個(ge) QPSK（Quadrature PSK，正交相移鍵控）。

QPSK，是具有4個(ge) 電平值的四進製相移鍵控（PSK）調製。它的頻帶利用率，是BPSK的2倍。

 

圖片來自是德科技

隨著進製的增加，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，不利於(yu) 信號的恢複。特別是受到噪聲和幹擾時，誤碼率會(hui) 隨之增大。

為(wei) 解決(jue) 這個(ge) 問題，我們(men) 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，正交幅度調製）。

QAM的特點，是各碼元之間不僅(jin) 相位不同，幅度也不同。它屬於(yu) 相位與(yu) 幅度相結合的調製方式。

大家看下麵這張動圖，就明白了：

 

 

Amp，振幅。Phase，相位。

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

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

 

QPSK這種調製，到底是怎麽(me) 搗鼓出來的呢？

我們(men) 可以看一個(ge) 通過MZ調製器搗鼓QPSK的圖片：

 

圖片來自是德科技

在發射機中，電比特流被一個(ge) 多路複用器分成信號的I和Q部分。這兩(liang) 部分中的每一部分都直接調製MZ調製器一隻臂上的激光信號的相位。另一個(ge) MZ調製器把較低的分支相移π⁄2。兩(liang) 個(ge) 分支重組後，結果是一個(ge) QPSK信號。

高階QAM的調製難度更大。限於(yu) 篇幅，下次我再專(zhuan) 門給大家解釋。

此前介紹無線通信調製的時候，說過5G和Wi-Fi 6都在衝(chong) 1024QAM。那麽(me) ，光通信是不是可以搞那麽(me) 高階的QAM呢？

不瞞您說，還真有人這麽(me) 幹了。

前幾年，就有公司展示了基於(yu) 先進的星係整形算法和奈奎斯特副載波技術的1024QAM調製，基於(yu) 66Gbaud波特率，實現了1.32Tbps下的400公裏傳(chuan) 輸，頻譜效率達到9.35bit/s/Hz。

不過，這種高階調製仍屬於(yu) 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(chuan) 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，如果信道噪聲或幹擾太大，還是會(hui) 出現剛才所說的高誤碼率問題。

 

 

1024QAM，密集恐懼症的節奏

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(ge) 數的增加，16QAM的OSNR將呈指數增長。

因此，16QAM或更高階QAM的傳(chuan) 輸距離將被進一步限製。

為(wei) 了進一步榨幹光纖通信的帶寬潛力，廠商們(men) 祭出了新的大殺器，那就是—— 相幹光通信。下期，小棗君將詳細給大家介紹。

█ PAM4和偏振複用

文章的最後，再說說兩(liang) 個(ge) “翻倍”技術——PAM4和PDM偏振多路複用。

先說PAM4。

在PAM4之前，我們(men) 傳(chuan) 統使用的都是NRZ。

NRZ，就是Non-Return-to-Zero的縮寫(xie) ，字麵意思叫做“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(liang) 種信號電平來表示傳(chuan) 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(chuan) 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。）

在光模塊調製裏麵，我們(men) 是用激光器的功率來控製0和1的。

簡單來說，就是發光，實際發射光功率大於(yu) 某門限值，就是1。小於(yu) 某門限值，就是0。

傳(chuan) 輸011011就是這樣： 

NRZ調製

後來，正如前文所說，為(wei) 了 增加單位時間內(nei) 傳(chuan) 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衝(chong) 幅度調製。它是一種高級調製技術，采用4個(ge) 不同的信號電平來進行信號傳(chuan) 輸。

還是傳(chuan) 輸011011，就變成這樣：

 

PAM4調製

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

 

NRZ VS PAM4 （右邊是眼圖）

那麽(me) 問題來了，如果4電平能夠翻一倍，為(wei) 啥我們(men) 不搞個(ge) 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，還是在於(yu) 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製。

如果工藝不OK，搞更高位數電平，就會(hui) 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。

什麽(me) 是 PDM偏振多路複用呢？

PDM偏振多路複用，就是Polarization Division Multiplexing。

不知道大家有沒有看過我之前寫(xie) 過的關(guan) 於(yu) 天線的文章。天線裏麵，有一個(ge) 雙極化的概念，在空間上，把電磁波“轉動”90度，就可以實現兩(liang) 個(ge) 獨立的電磁波傳(chuan) 輸。

 

天線的雙極化

偏振複用的道理，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(liang) 個(ge) 相互正交偏振態，同時傳(chuan) 輸兩(liang) 路獨立數據信息，以此達到提升係統總容量的目的。

它等於(yu) 實現了雙通道傳(chuan) 輸，和PAM4一樣，翻了一倍。

 

PDM偏振複用，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(nei) 容。感謝大家的耐心觀看。

—— 全文完 ——

參考文獻：

1、知否，知否，什麽(me) 是相幹光通信，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(ye) 出版社

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