光通信科普

光通信
众所周知，现在的整个通信网络，对于光通信技术有着极大的依赖。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。

提升光通信的信息传输量

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，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。

所以说，为了提升每秒的比特数（信息传输速率），需要一个符号能尽量表达更多的比特。怎么做到呢？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，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。经常听说的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是调制技术。
以前说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，看看幅度调制。
在早期的光通信系统里，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。

█ 光相位调制

接下来看看光相位调制。
其实刚才已经讲到了相位，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，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+bi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：

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，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。

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。
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。

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，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：

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？
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。
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？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。

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

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，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。

双极性不归零码，“1”和“0”分别对应正电平和等效负电平。

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，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：

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：

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。

那么问题来了，如果4电平能够翻一倍，为啥不搞个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。
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。

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。