關於光通訊的最強進階科普

大家好，今天這篇文章，小棗君將重點介紹一些光通訊基礎知識。

眾所周知，我們現在的整個通訊網路，對於光通訊技術有著極大的依賴。我們的骨幹網、光纖寬頻以及5G，都離不開光通訊技術的支撐。

所謂光通訊，就是利用光訊號攜帶資訊，在光纖中進行資料傳輸的技術。

光波是電磁波的一種，所以，光訊號也符合電磁波的物理特性。

想要提升光通訊的資訊傳輸量，基本上分為以下三種思路：

第一個思路：提升訊號的波特率。

波特率(Baud)，準確來說就叫波特，叫波特率只是口語習慣。它的定義是：單位時間內傳送的碼元符號(Symbol)的個數。

波特率很容易理解，我每秒傳輸的符號越多，當然資訊量就越大。

目前，隨著晶片處理技術從16nm提高到7nm和5nm，光學器件和光電轉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，會帶來一系列系統效能損傷問題，需要更先進的演算法和硬體進行補償。

大家需要注意，波特率並不是位元率(傳輸速率)。

對於二進位制訊號，0和1，1個符號就是1位元(bit)。那麼，每秒的符號數(波特率)就等於每秒的位元數(位元率，bit/s)。對於四進位制訊號，1個符號可以表達2位元，每秒的符號數×2=每秒的位元數。

四進位制，相同的波特率，位元率翻倍(資訊量翻倍)

所以說，為了提升每秒的位元數(資訊傳輸速率)，我們需要一個符號能儘量表達更多的位元。怎麼做到呢?我們待會再說。

第二個思路：採用更多的光纖數或通道數。

用更多的光纖，這個思路很容易粗暴。光纖數量越多，相當於單車道變雙車道、四車道、八車道，當然傳輸資訊量會翻倍。

但是，這種方式涉及到投資成本。而且，光纖數太多，安裝也會很麻煩。

在一根光纖裡，建立多個通道，這是個更好的辦法。

通道數可以是空間通道，也可以是頻率通道。

空間通道包括模式(單模/多模)、纖芯(多纖芯的光纖)、偏振(待會會講)。

頻率通道的話，這就要提到WDM(波長分波多工技術)。它把不同的業務資料，放在不同波長的光載波訊號中，在一根光纖中傳送。

WDM波長分波多工

波長×頻率=光速(恆定值)，所以波長分波多工其實就是分頻多工

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

目前行業正在努力將光通訊的頻段擴充到“C+L”頻段(詳情：連結)，可以實現192個波長，頻譜頻寬接近9.6THz。如果單波400G，那就是192×400G=76.8Tbps的傳輸速率。

第三個思路，也是我們今天要重點介紹的思路——高階調製。

也就是說，採用更高階的調製技術，提升單個符號所能代表的位元(對應第一個思路)，進而提升位元率。

對於調製，大家一定不會陌生。我們經常聽說的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是調製技術。

以前我給大家講電通訊和行動通訊的時候，提到過：想讓電磁波符號表達不同的資訊，無非就是對電磁波的幾個物理維度進行調整。

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。

光纖通訊系統，主要有6個物理維度可供複用，即：頻率(波長)、幅度、相位、時間(OTDM)、空間(空間多工)、偏振(PDM)。

█ 幅度調製

頻率複用其實就是WDM波長分波多工，剛才已經介紹過了。接下來，我們看看幅度調製。

在早期的光通訊系統裡，我們採用的是直接調製(DML，Direct Modulation Laser)。它就屬於強度(幅度)調製。

在直接調製中，電訊號直接用開關鍵控(OOK，On-Off Keying)方式，調製鐳射器的強度(幅度)。

這個和我們的航海訊號燈有點像。亮的時候是1，暗的時候是0，一個符號一個位元，簡單明瞭。

直接調製的優點是採用單一器件，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(與鐳射器馳豫振盪有關)，會產生強的頻率啁啾，限制傳輸距離。直接調製鐳射器可能出現的線性調頻，使輸出線寬增大，色散引入脈衝展寬，使通道能量損失，併產生對鄰近通道的串擾(看不懂就跳過吧)。

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

在外調變中，調製器作用於鐳射器外的調製器上，藉助電光、熱光或聲光等物理效應，使鐳射器發射的鐳射束的光參量發生變化，從而實現調製。

如下圖所示：

外調變常用的方式有兩種。

一種是EA電吸收調製。將調製器與鐳射器整合到一起，鐳射器恆定光強的光，送到EA調製器，EA調製器等同於一個門，門開的大小由電壓控制。通過改變電場的大小，可以調整對光訊號的吸收率，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，輸入的鐳射被分成兩路。通過改變施加在MZ調製器上的偏置電壓，兩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。

電壓是如何產生相位差的呢?

基於電光效應——某些晶體(如鈮酸鋰)的折射率n，會隨著區域性電場強度變化而變化。

如下圖所示，雙臂就是雙路徑，一個是Modulated path(調製路徑)，一個是Unmodulated path(非調製路徑)。

當作用在調製路徑上的電壓變化時，這個臂上的折射率n發生了變化。光在介質中的傳播速率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發生變化。

兩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。

如果兩路光的相位差是0度，那麼相加以後，振幅就是1+1=2。

如果兩路光的相位差是90度，那麼相加以後，振幅就是2的平方根。

如果兩路光的相位差是180度，那麼相加以後，振幅就是1-1=0。

大家應該也想到了，其實MZ調製器就是基於雙縫干涉實驗，和水波干涉原理一樣的。

峰峰疊加，峰谷抵消

█ 光相位調製

接下來，我們講講光相位調製。(敲黑板，這部分可是重點!)

其實剛才我們已經講到了相位，不過那個是藉助相位差產生幅度差，依舊屬於幅度調製。

首先，我們回憶一下高中(初中?)的數學知識——虛數和三角函式。

在數學中，虛數就是形如a+b*i的數。實部a可對應平面上的橫軸，虛部b與對應平面上的縱軸，這樣虛數a+b*i可與平面內的點(a,b)對應。

大家應該還記得，座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式來表示，例如：

多麼優美，多麼妖嬈~

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，基礎知識複習完畢，現在進入正文。

首先，我們介紹一下，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。下面這幾張圖圖，都屬於星座圖。圖中的黑色小點，就是星座點。

大家會發現，星座圖和我們非常熟悉的縱橫座標系很像。是的，星座圖裡的星座點，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in-phase，同相或實部。Q，為quadrature phase，正交相位或虛部。所謂正交，就是相對參考訊號相位有-90度差的載波。

我們繼續來看。

在星座圖上，如果幅度不變，用兩個不同的相位0和180°，表示1和0，可以傳遞2種符號，就是BPSK(Binary Phase Shift Keying，二進位制相移鍵控)。

BPSK

BPSK是最簡單最基礎的PSK，非常穩，不容易出錯，抗干擾能力強。但是，它一個符號只能傳送1個位元，效率太低。

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

QPSK，是具有4個電平值的四進位制相移鍵控(PSK)調製。它的頻帶利用率，是BPSK的2倍。

圖片來自是德科技

隨著進位制的增加，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，不利於訊號的恢復。特別是受到噪聲和干擾時，誤位元速率會隨之增大。

為解決這個問題，我們不得不提高訊號功率(即提高訊號的訊雜比，來避免誤位元速率的增大)，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，是各碼元之間不僅相位不同，幅度也不同。它屬於相位與幅度相結合的調製方式。

大家看下面這張動圖，就明白了：

Amp，振幅。Phase，相位。

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

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

QPSK這種調製，到底是怎麼搗鼓出來的呢?

我們可以看一個通過MZ調製器搗鼓QPSK的圖片：

圖片來自是德科技

在發射機中，電位元流被一個多路複用器分成訊號的I和Q部分。這兩部分中的每一部分都直接調製MZ調製器一隻臂上的鐳射訊號的相位。另一個MZ調製器把較低的分支相移π⁄2。兩個分支重組後，結果是一個QPSK訊號。

高階QAM的調製難度更大。限於篇幅，下次我再專門給大家解釋。

此前介紹無線通訊調製的時候，說過5G和Wi-Fi 6都在衝1024QAM。那麼，光通訊是不是可以搞那麼高階的QAM呢?

不瞞您說，還真有人這麼幹了。

前幾年，就有公司展示了基於先進的星系整形演算法和奈奎斯特副載波技術的1024QAM調製，基於66Gbaud波特率，實現了1.32Tbps下的400公里傳輸，頻譜效率達到9.35bit/s/Hz。

不過，這種高階調製仍屬於實驗室階段，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雖然帶來了傳輸速率的大幅提升，但對元器件效能要求很高，對晶片算力的要求也高。而且，如果通道噪聲或干擾太大，還是會出現剛才所說的高誤位元速率問題。

1024QAM，密集恐懼症的節奏

在相同的30G+波特率下，16QAM的光訊雜比(OSNR)比QPSK高出約5dB。隨著星座中星座點個數的增加，16QAM的OSNR將呈指數增長。

因此，16QAM或更高階QAM的傳輸距離將被進一步限制。

為了進一步榨乾光纖通訊的頻寬潛力，廠商們祭出了新的大殺器，那就是——相干光通訊。下期，小棗君將詳細給大家介紹。

█ PAM4和偏振複用

文章的最後，再說說兩個“翻倍”技術——PAM4和PDM偏振多路複用。

先說PAM4。

在PAM4之前，我們傳統使用的都是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。

採用NRZ編碼的訊號，就是使用高、低兩種訊號電平來表示傳輸資訊的數字邏輯訊號。

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”，而是說每傳輸完一位資料，訊號無需返回到零電平。(顯然，相比RZ，NRZ節約了頻寬。)

在光模組調製裡面，我們是用鐳射器的功率來控制0和1的。

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

傳輸011011就是這樣：

NRZ調製

後來，正如前文所說，為了增加單位時間內傳輸的邏輯資訊，就搞出了PAM4。

PAM4，就是4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四電平脈衝幅度調製。它是一種高階調製技術，採用4個不同的訊號電平來進行訊號傳輸。

還是傳輸011011，就變成這樣：

PAM4調製

這樣一來，單個符號週期表示的邏輯資訊，從NRZ的1bit，變成了2bit，翻了一倍。

NRZ VS PAM4 (右邊是眼圖)

那麼問題來了，如果4電平能夠翻一倍，為啥我們不搞個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，還是在於鐳射器的技術工藝。實現PAM4，需要鐳射器能夠做到對功率的精確控制。

如果工藝不OK，搞更高位數電平，就會造成很高的誤位元速率，無法正常工作。即便是PAM4，如果通道噪聲太大，也是不能正常工作的。

什麼是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過的關於天線的文章。天線裡面，有一個雙極化的概念，在空間上，把電磁波“轉動”90度，就可以實現兩個獨立的電磁波傳輸。

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，在同一波長通道中，通過光的兩個相互正交偏振態，同時傳輸兩路獨立資料資訊，以此達到提升系統總容量的目的。

它等於實現了雙通道傳輸，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容。感謝大家的耐心觀看，我們下期介紹相干光通訊，不見不散喲!