关于光通信的最强进阶科普

大家好，今天这篇文章，小枣君将重点介绍一些光通信基础知识。

众所周知，我们现在的整个通信网络，对于光通信技术有着极大的依赖。我们的骨干网、光纤宽带以及 5G，都离不开光通信技术的支撑。

所谓光通信，就是利用光信号携带信息，在光纤中进行数据传输的技术。

光波是电磁波的一种，所以，光信号也符合电磁波的物理特性。

想要提升光通信的信息传输量，基本上分为以下三种思路：

第一个思路：提升信号的波特率。

波特率（Baud），准确来说就叫波特，叫波特率只是口语习惯。它的定义是：单位时间内传送的码元符号（Symbol）的个数。

波特率很容易理解，我每秒传输的符号越多，当然信息量就越大。

目前，随着芯片处理技术从 16nm 提高到 7nm 和 5nm，光学器件和光电转换器件的波特率也从 30+Gbaud 提高到 64+Gbaud、90+Gbaud，甚至 120+Gbaud。

然而，波特率并不是无限大的。越往上，技术实现难度越高。高波特率器件，会带来一系列系统性能损伤问题，需要更先进的算法和硬件进行补偿。

大家需要注意，波特率并不是比特率（传输速率）。

对于二进制信号，0 和 1，1 个符号就是 1 比特（bit）。那么，每秒的符号数（波特率）就等于每秒的比特数（比特率，bit / s）。对于四进制信号，1 个符号可以表达 2 比特，每秒的符号数 ×2 = 每秒的比特数。

四进制，相同的波特率，比特率翻倍（信息量翻倍）

所以说，为了提升每秒的比特数（信息传输速率），我们需要一个符号能尽量表达更多的比特。怎么做到呢？我们待会再说。

第二个思路：采用更多的光纤数或通道数。

用更多的光纤，这个思路很容易粗暴。光纤数量越多，相当于单车道变双车道、四车道、八车道，当然传输信息量会翻倍。

但是，这种方式涉及到投资成本。而且，光纤数太多，安装也会很麻烦。

在一根光纤里，建立多个信道，这是个更好的办法。

信道数可以是空间信道，也可以是频率信道。

空间信道包括模式（单模 / 多模）、纤芯（多纤芯的光纤）、偏振（待会会讲）。

频率信道的话，这就要提到 WDM（波分复用技术）。它把不同的业务数据，放在不同波长的光载波信号中，在一根光纤中传送。

▲ WDM 波分复用，波长 × 频率 = 光速（恒定值），所以波分复用其实就是频分复用

WDM 同样也不是无限波数的。每个波长都必须在指定的波长范围内，而且相互之间还要有保护间隔，不然容易“撞车”。

目前行业正在努力将光通信的频段拓展到“C+L”频段（详情：链接），可以实现 192 个波长，频谱带宽接近 9.6THz。如果单波 400G，那就是 192×400G=76.8Tbps 的传输速率。

第三个思路，也是我们今天要重点介绍的思路 —— 高阶调制。

也就是说，采用更高级的调制技术，提升单个符号所能代表的比特（对应第一个思路），进而提升比特率。

对于调制，大家一定不会陌生。我们经常听说的 PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是调制技术。

以前我给大家讲电通信和移动通信的时候，提到过：想让电磁波符号表达不同的信息，无非就是对电磁波的几个物理维度进行调整。

大家比较熟悉的物理维度，是幅度、频率、相位。

光波也是电磁波，所以，对光波进行调制，思路基本是一样的。

光纤通信系统，主要有 6 个物理维度可供复用，即：频率（波长）、幅度、相位、时间（OTDM）、空间（空分复用）、偏振（PDM）。

幅度调制

频率复用其实就是 WDM 波分复用，刚才已经介绍过了。接下来，我们看看幅度调制。

在早期的光通信系统里，我们采用的是直接调制（DML，Direct Modulation Laser）。它就属于强度（幅度）调制。

在直接调制中，电信号直接用开关键控（OOK，On-Off Keying）方式，调制激光器的强度（幅度）。

这个和我们的航海信号灯有点像。亮的时候是 1，暗的时候是 0，一个符号一个比特，简单明了。

直接调制的优点是采用单一器件，成本低廉，附件损耗小。但是，它的缺点也很多。它的调制频率受限（与激光器驰豫振荡有关），会产生强的频率啁啾，限制传输距离。直接调制激光器可能出现的线性调频，使输出线宽增大，色散引入脉冲展宽，使信道能量损失，并产生对邻近信道的串扰（看不懂就跳过吧）。

所以，后来出现了外调制（EML，External Modulation Laser）。

在外调制中，调制器作用于激光器外的调制器上，借助电光、热光或声光等物理效应，使激光器发射的激光束的光参量发生变化，从而实现调制。

如下图所示：

外调制常用的方式有两种。

一种是 EA 电吸收调制。将调制器与激光器集成到一起，激光器恒定光强的光，送到 EA 调制器，EA 调制器等同于一个门，门开的大小由电压控制。通过改变电场的大小，可以调整对光信号的吸收率，进而实现调制。

还有一种，是 MZ 调制器，也就是 Mach-Zehnder 马赫-曾德尔调制器。

在 MZ 调制器中，输入的激光被分成两路。通过改变施加在 MZ 调制器上的偏置电压，两路光之间的相位差发生变化，再在调制器输出端叠加在一起。

电压是如何产生相位差的呢？

基于电光效应 —— 某些晶体 (如铌酸锂) 的折射率 n，会随着局部电场强度变化而变化。

如下图所示，双臂就是双路径，一个是 Modulated path（调制路径），一个是 Unmodulated path（非调制路径）。

当作用在调制路径上的电压变化时，这个臂上的折射率 n 发生了变化。光在介质中的传播速率 v=c / n（光在真空中的速率除以折射率），所以，光传播的速率 v 发生变化。

两条路径长度是一样的，有人先到，有人后到，所以，就出现了相位的差异。

如果两路光的相位差是 0 度，那么相加以后，振幅就是 1+1=2。

如果两路光的相位差是 90 度，那么相加以后，振幅就是 2 的平方根。

如果两路光的相位差是 180 度，那么相加以后，振幅就是 1-1=0。

大家应该也想到了，其实 MZ 调制器就是基于双缝干涉实验，和水波干涉原理一样的。

▲ 峰峰叠加，峰谷抵消

光相位调制

接下来，我们讲讲光相位调制。（敲黑板，这部分可是重点！）

其实刚才我们已经讲到了相位，不过那个是借助相位差产生幅度差，依旧属于幅度调制。

首先，我们回忆一下高中（初中？）的数学知识 —— 虚数和三角函数。

在数学中，虚数就是形如 a+b*i 的数。实部 a 可对应平面上的横轴，虚部 b 与对应平面上的纵轴，这样虚数 a+b*i 可与平面内的点 (a,b) 对应。

大家应该还记得，坐标轴其实是可以和波形相对应的，如下：

波形，其实又可以用三角函数来表示，例如：

多么优美，多么妖娆~

X = A * sin（ωt+φ）= A * sinθ

Y = A * cos（ωt+φ）= A * cosθ

ω 是角速度，ω=2πf，f 是频率。

φ 是初相位，上图为 0°。

还记得不？把 A 看出幅度，把 θ 看成相位，就是电磁波的波形。

θ=0°，sinθ=0

θ=90°，sinθ=1

θ=180°，sinθ=0

θ=270°，sinθ=-1

好了，基础知识复习完毕，现在进入正文。

首先，我们介绍一下，星座图。

其实刚才介绍 MZ 调制器相位变化的时候，已经看到了星座图的影子。下面这几张图图，都属于星座图。图中的黑色小点，就是星座点。

大家会发现，星座图和我们非常熟悉的纵横坐标系很像。是的，星座图里的星座点，其实就是振幅 E 和相位Ф的一对组合。

就要提出 I / Q 调制（不是智商调制）。

I，为 in-phase，同相或实部。Q，为 quadrature phase，正交相位或虚部。所谓正交，就是相对参考信号相位有-90 度差的载波。

我们继续来看。

在星座图上，如果幅度不变，用两个不同的相位 0 和 180°，表示 1 和 0，可以传递 2 种符号，就是 BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控）。

▲ BPSK

BPSK 是最简单最基础的 PSK，非常稳，不容易出错，抗干扰能力强。但是，它一个符号只能传送 1 个比特，效率太低。

于是，我们升级一下，搞个 QPSK（Quadrature PSK，正交相移键控）。

QPSK，是具有 4 个电平值的四进制相移键控（PSK）调制。它的频带利用率，是 BPSK 的 2 倍。

▲ 图片来自是德科技

随着进制的增加，虽然频带利用率提高，但也带来了缺点 —— 各码元之间的距离减小，不利于信号的恢复。特别是受到噪声和干扰时，误码率会随之增大。

为解决这个问题，我们不得不提高信号功率（即提高信号的信噪比，来避免误码率的增大），这就使功率利用率降低了。

有没有办法，可以兼顾频带利用率和各码元之间的距离呢？

有的，这就引入了 QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）。

QAM 的特点，是各码元之间不仅相位不同，幅度也不同。它属于相位与幅度相结合的调制方式。

大家看下面这张动图，就明白了：

Amp，振幅。Phase，相位。

其实，QPSK 就是电平数为 4 的 QAM。上图是 16QAM，16 个符号，每个符号 4bit（0000，0001，0010 等）。

64QAM 的话，64 个符号（2 的 n 次方，n=6），每个符号 6bit（000000，000001，000010 等）。

QPSK 这种调制，到底是怎么捣鼓出来的呢？

我们可以看一个通过 MZ 调制器捣鼓 QPSK 的图片：

▲ 图片来自是德科技

在发射机中，电比特流被一个多路复用器分成信号的 I 和 Q 部分。这两部分中的每一部分都直接调制 MZ 调制器一只臂上的激光信号的相位。另一个 MZ 调制器把较低的分支相移 π⁄2。两个分支重组后，结果是一个 QPSK 信号。

高阶 QAM 的调制难度更大。限于篇幅，下次我再专门给大家解释。

此前介绍无线通信调制的时候，说过 5G 和 Wi-Fi 6 都在冲 1024QAM。那么，光通信是不是可以搞那么高阶的 QAM 呢？

不瞒您说，还真有人这么干了。

前几年，就有公司展示了基于先进的星系整形算法和奈奎斯特副载波技术的 1024QAM 调制，基于 66Gbaud 波特率，实现了 1.32Tbps 下的 400 公里传输，频谱效率达到 9.35bit / s / Hz。

不过，这种高阶调制仍属于实验室阶段，没有商用（也不知道有没有可能商用）。目前实际应用的，好像没有超过 256QAM。

高阶 QAM 虽然带来了传输速率的大幅提升，但对元器件性能要求很高，对芯片算力的要求也高。而且，如果信道噪声或干扰太大，还是会出现刚才所说的高误码率问题。

▲ 1024QAM，密集恐惧症的节奏

在相同的 30G + 波特率下，16QAM 的光信噪比（OSNR）比 QPSK 高出约 5dB。随着星座中星座点个数的增加，16QAM 的 OSNR 将呈指数增长。

因此，16QAM 或更高阶 QAM 的传输距离将被进一步限制。

为了进一步榨干光纤通信的带宽潜力，厂商们祭出了新的大杀器，那就是 —— 相干光通信。下期，小枣君将详细给大家介绍。

PAM4 和偏振复用

文章的最后，再说说两个“翻倍”技术 ——PAM4 和 PDM 偏振多路复用。

先说 PAM4。

在 PAM4 之前，我们传统使用的都是 NRZ。

NRZ，就是 Non-Return-to-Zero 的缩写，字面意思叫做“不归零”，也就是不归零编码。

采用 NRZ 编码的信号，就是使用高、低两种信号电平来表示传输信息的数字逻辑信号。

NRZ 有单极性不归零码和双极性不归零码。

单极性不归零码，“1”和“0”分别对应正电平和零电平，或负电平和零电平。

▲ 单极性不归零码

双极性不归零码，“1”和“0”分别对应正电平和等效负电平。

▲ 双极性不归零码

所谓“不归零”，不是说没有“0”，而是说每传输完一位数据，信号无需返回到零电平。（显然，相比 RZ，NRZ 节约了带宽。）

在光模块调制里面，我们是用激光器的功率来控制 0 和 1 的。

简单来说，就是发光，实际发射光功率大于某门限值，就是 1。小于某门限值，就是 0。

传输 011011 就是这样：

▲ NRZ 调制

后来，正如前文所说，为了增加单位时间内传输的逻辑信息，就搞出了 PAM4。

PAM4，就是 4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四电平脉冲幅度调制。它是一种高级调制技术，采用 4 个不同的信号电平来进行信号传输。

还是传输 011011，就变成这样：

▲ PAM4 调制

这样一来，单个符号周期表示的逻辑信息，从 NRZ 的 1bit，变成了 2bit，翻了一倍。

▲ NRZ VS PAM4 （右边是眼图）

那么问题来了，如果 4 电平能够翻一倍，为啥我们不搞个 8 电平、16 电平、32 电平？速度随便翻倍，岂不爽歪歪？

答案是不行。

主要原因，还是在于激光器的技术工艺。实现 PAM4，需要激光器能够做到对功率的精确控制。

如果工艺不 OK，搞更高位数电平，就会造成很高的误码率，无法正常工作。即便是 PAM4，如果信道噪声太大，也是不能正常工作的。

什么是 PDM 偏振多路复用呢？

PDM 偏振多路复用，就是 Polarization Division Multiplexing。

不知道大家有没有看过我之前写过的关于天线的文章。天线里面，有一个双极化的概念，在空间上，把电磁波“转动”90 度，就可以实现两个独立的电磁波传输。

▲ 天线的双极化

偏振复用的道理，其实也差不多。它利用光的偏振维度，在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态，同时传输两路独立数据信息，以此达到提升系统总容量的目的。

它等于实现了双通道传输，和 PAM4 一样，翻了一倍。

▲ PDM 偏振复用，X 偏振和 Y 偏振，各自独立，图片来自是德科技

好啦，以上就是今天文章的全部内容，感谢大家的耐心观看。

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