關(guān)于光通信的最強(qiáng)進(jìn)階科普

文章來(lái)源：鮮棗課堂作者：小棗君

眾所周知，我們現(xiàn)在的整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)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(kāi)光通信技術(shù)的支撐。

所謂光通信，就是利用光信號(hào)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(hào)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(hào)的波特率。

波特率（Baud），準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)就叫波特，叫波特率只是口語(yǔ)習(xí)慣。它的定義是：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送的碼元符號(hào)（Symbol）的個(gè)數(shù)。

波特率很容易理解，我每秒傳輸?shù)姆?hào)越多，當(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(wú)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(lái)一系列系統(tǒng)性能損傷問(wèn)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(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，0和1，1個(gè)符號(hào)就是1比特（bit）。那么，每秒的符號(hào)數(shù)（波特率）就等于每秒的比特?cái)?shù)（比特率，bit/s）。對(duì)于四進(jìn)制信號(hào)，1個(gè)符號(hào)可以表達(dá)2比特，每秒的符號(hào)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(shuō)，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(hào)能盡量表達(dá)更多的比特。怎么做到呢？我們待會(huì)再說(shuō)。

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(zhǎng)的光載波信號(hào)中，在一根光纖中傳送。

WDM波分復(fù)用

波長(zhǎng)×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(wú)限波數(shù)的。每個(gè)波長(zhǎng)都必須在指定的波長(zhǎng)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，可以實(shí)現(xiàn)192個(gè)波長(zhǎng)，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(shuō)，采用更高級(jí)的調(diào)制技術(shù)，提升單個(gè)符號(hào)所能代表的比特（對(duì)應(yīng)第一個(gè)思路），進(jìn)而提升比特率。

對(duì)于調(diào)制，大家一定不會(huì)陌生。我們經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)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(guò)：想讓電磁波符號(hào)表達(dá)不同的信息，無(wú)非就是對(duì)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(duì)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(zhǎng)）、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(guò)了。接下來(lái)，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(hào)直接用開(kāi)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(hào)燈有點(diǎn)像。亮的時(shí)候是1，暗的時(shí)候是0，一個(gè)符號(hào)一個(gè)比特，簡(jiǎn)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(duì)鄰近信道的串?dāng)_（看不懂就跳過(guò)吧）。

所以，后來(lái)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(mén)，門(mén)開(kāi)的大小由電壓控制。通過(guò)改變電場(chǎng)的大小，可以調(diào)整對(duì)光信號(hào)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?tīng)栒{(diào)制器。

在MZ調(diào)制器中，輸入的激光被分成兩路。通過(guò)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(chǎng)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(zhǎng)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(lái)，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(guò)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(duì)應(yīng)平面上的橫軸，虛部b與對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的，如下：

波形，其實(shí)又可以用三角函數(shù)來(lái)表示，例如：

多么優(yōu)美，多么妖嬈~ X = A *?sin（ωt+φ）=?A *?sinθ 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°，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(duì)組合。

就要提出?I/Q調(diào)制（不是智商調(diào)制?。?/p>

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(duì)參考信號(hào)相位有-90度差的載波。

我們繼續(xù)來(lái)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(hào)，就是BPSK（Binary Phase Shift Keying，二進(jìn)制相移鍵控）。

BPSK

BPSK是最簡(jiǎn)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(hào)只能傳送1個(gè)比特，效率太低。

于是，我們升級(jí)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(lái)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(lái)了缺點(diǎn)——各碼元之間的距離減小，不利于信號(hào)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(wèn)題，我們不得不提高信號(hào)功率（即提高信號(hào)的信噪比，來(lái)避免誤碼率的增大），這就使功率利用率降低了。

有沒(méi)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(hào)，每個(gè)符號(hào)4bit（0000，0001，0010等）。

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

QPSK這種調(diào)制，到底是怎么搗鼓出來(lái)的呢？

我們可以看一個(gè)通過(guò)MZ調(diào)制器搗鼓QPSK的圖片：

圖片來(lái)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(hào)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(hào)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(hào)。

高階QAM的調(diào)制難度更大。限于篇幅，下次我再專門(mén)給大家解釋。

此前介紹無(wú)線通信調(diào)制的時(shí)候，說(shuō)過(guò)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(shuō)，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(guò)，這種高階調(diào)制仍屬于實(shí)驗(yàn)室階段，沒(méi)有商用（也不知道有沒(méi)有可能商用）。目前實(shí)際應(yīng)用的，好像沒(méi)有超過(guò)256QAM。

高階QAM雖然帶來(lái)了傳輸速率的大幅提升，但對(duì)元器件性能要求很高，對(duì)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(shuō)的高誤碼率問(wèn)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(zhǎng)。

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。

PAM4和偏振復(fù)用

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

先說(shuō)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(xiě)，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(hào)，就是使用高、低兩種信號(hào)電平來(lái)表示傳輸信息的數(shù)字邏輯信號(hào)。 ? 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(duì)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(duì)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(shuō)沒(méi)有“0”，而是說(shuō)每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號(hào)無(wú)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(lái)控制0和1的。 ? 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是發(fā)光，實(shí)際發(fā)射光功率大于某門(mén)限值，就是1。小于某門(mén)限值，就是0。 ? 傳輸011011就是這樣： ?

NRZ調(diào)制

后來(lái)，正如前文所說(shuō)，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(jí)調(diào)制技術(shù)，采用4個(gè)不同的信號(hào)電平來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸。 ? 還是傳輸011011，就變成這樣： ?

PAM4調(diào)制 ? 這樣一來(lái)，單個(gè)符號(hào)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(wèn)題來(lái)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(duì)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(wú)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(méi)有看過(guò)我之前寫(xiě)過(guò)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。