大家好，今天這篇文章，将重點介紹一些光通信基礎知識。
衆所周知，我們現在的整個通信網絡，對于光通信技術有着極大的依賴。我們的骨幹網、光纖寬帶以及5G，都離不開光通信技術的支撐。
所謂光通信，就是利用光信号攜帶資訊，在光纖中進行資料傳輸的技術。
光波是電磁波的一種，是以，光信号也符合電磁波的實體特性。
想要提升光通信的資訊傳輸量，基本上分為以下三種思路：
第一個思路：提升信号的波特率。
波特率（Baud），準确來說就叫波特，叫波特率隻是口語習慣。它的定義是：機關時間内傳送的碼元符号（Symbol）的個數。
波特率很容易了解，我每秒傳輸的符号越多，當然資訊量就越大。
目前，随着晶片處理技術從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，波特率并不是無限大的。越往上，技術實作難度越高。高波特率器件，會帶來一系列系統性能損傷問題，需要更先進的算法和硬體進行補償。
大家需要注意，波特率并不是比特率（傳輸速率）。
對于二進制信号，0和1，1個符号就是1比特（bit）。那麼，每秒的符号數（波特率）就等于每秒的比特數（比特率，bit/s）。對于四進制信号，1個符号可以表達2比特，每秒的符号數×2=每秒的比特數。
四進制，相同的波特率，比特率翻倍（資訊量翻倍）
是以說，為了提升每秒的比特數（資訊傳輸速率），我們需要一個符号能盡量表達更多的比特。怎麼做到呢？我們待會再說。
第二個思路：采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，相當于單車道變雙車道、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，建立多個信道，這是個更好的辦法。
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（待會會講）。
頻率信道的話，這就要提到WDM（波分複用技術）。它把不同的業務資料，放在不同波長的光載波信号中，在一根光纖中傳送。
WDM波分複用
波長×頻率=光速（恒定值），是以波分複用其實就是頻分複用
WDM同樣也不是無限波數的。每個波長都必須在指定的波長範圍内，而且互相之間還要有保護間隔，不然容易“撞車”。
目前行業正在努力将光通信的頻段拓展到“C+L”頻段，可以實作192個波長，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。
第三個思路，也是我們今天要重點介紹的思路——高階調制。
也就是說，采用更進階的調制技術，提升單個符号所能代表的比特（對應第一個思路），進而提升比特率。
對于調制，大家一定不會陌生。我們經常聽說的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是調制技術。
以前我給大家講電通信和移動通信的時候，提到過：想讓電磁波符号表達不同的資訊，無非就是對電磁波的幾個實體次元進行調整。
大家比較熟悉的實體次元，是幅度、頻率、相位。
光波也是電磁波，是以，對光波進行調制，思路基本是一樣的。
光纖通信系統，主要有6個實體次元可供複用，即：頻率（波長）、幅度、相位、時間（OTDM）、空間（空分複用）、偏振（PDM）。
█幅度調制
頻率複用其實就是WDM波分複用，剛才已經介紹過了。接下來，我們看看幅度調制。
在早期的光通信系統裡，我們采用的是直接調制（DML，Direct Modulation Laser）。它就屬于強度（幅度）調制。
在直接調制中，電信号直接用開關鍵控（OOK，On-Off Keying）方式，調制雷射器的強度（幅度）。
這個和我們的航海信号燈有點像。亮的時候是1，暗的時候是0，一個符号一個比特，簡單明了。
直接調制的優點是采用單一器件，成本低廉，附件損耗小。但是，它的缺點也很多。它的調制頻率受限（與雷射器馳豫振蕩有關），會産生強的頻率啁啾，限制傳輸距離。直接調制雷射器可能出現的線性調頻，使輸出線寬增大，色散引入脈沖展寬，使信道能量損失，并産生對鄰近信道的串擾（看不懂就跳過吧）。
是以，後來出現了外調制（EML，External Modulation Laser）。
在外調制中，調制器作用于雷射器外的調制器上，借助電光、熱光或聲光等實體效應，使雷射器發射的雷射束的光參量發生變化，進而實作調制。
如下圖所示：
外調制常用的方式有兩種。
一種是EA電吸收調制。将調制器與雷射器內建到一起，雷射器恒定光強的光，送到EA調制器，EA調制器等同于一個門，門開的大小由電壓控制。通過改變電場的大小，可以調整對光信号的吸收率，進而實作調制。
還有一種，是MZ調制器，也就是Mach-Zehnder馬赫-曾德爾調制器。
在MZ調制器中，輸入的雷射被分成兩路。通過改變施加在MZ調制器上的偏置電壓，兩路光之間的相位差發生變化，再在調制器輸出端疊加在一起。
電壓是如何産生相位差的呢？
基于電光效應——某些晶體(如铌酸锂)的折射率n，會随着局部電場強度變化而變化。
如下圖所示，雙臂就是雙路徑，一個是Modulated path（調制路徑），一個是Unmodulated path（非調制路徑）。
當作用在調制路徑上的電壓變化時，這個臂上的折射率n發生了變化。光在媒體中的傳播速率v=c/n（光在真空中的速率除以折射率），是以，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，是以，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調制器就是基于雙縫幹涉實驗，和水波幹涉原理一樣的。
峰峰疊加，峰谷抵消
█光相位調制
接下來，我們講講光相位調制。（敲黑闆，這部分可是重點！）
其實剛才我們已經講到了相位，不過那個是借助相位差産生幅度差，依舊屬于幅度調制。
首先，我們回憶一下高中（國中？）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可與平面内的點(a,b)對應。
大家應該還記得，坐标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：
多麼優美，多麼妖娆~
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調制器相位變化的時候，已經看到了星座圖的影子。下面這幾張圖圖，都屬于星座圖。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坐标系很像。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調制（不是智商調制啊）。
I，為in-phase，同相或實部。Q，為quadrature phase，正交相位或虛部。所謂正交，就是相對參考信号相位有-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種符号，就是BPSK（Binary Phase Shift Keying，二進制相移鍵控）。
BPSK
BPSK是最簡單最基礎的PSK，非常穩，不容易出錯，抗幹擾能力強。但是，它一個符号隻能傳送1個比特，效率太低。
于是，我們更新一下，搞個QPSK（Quadrature PSK，正交相移鍵控）。
QPSK，是具有4個電平值的四進制相移鍵控（PSK）調制。它的頻帶使用率，是BPSK的2倍。
圖檔來自是德科技
随着進制的增加，雖然頻帶使用率提高，但也帶來了缺點——各碼元之間的距離減小，不利于信号的恢複。特别是受到噪聲和幹擾時，誤碼率會随之增大。
為解決這個問題，我們不得不提高信号功率（即提高信号的信噪比，來避免誤碼率的增大），這就使功率使用率降低了。
有沒有辦法，可以兼顧頻帶使用率和各碼元之間的距離呢？
有的，這就引入了QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調制）。
QAM的特點，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合的調制方式。
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個符号，每個符号4bit（0000，0001，0010等）。
64QAM的話，64個符号（2的n次方，n=6），每個符号6bit（000000，000001，000010等）。
QPSK這種調制，到底是怎麼搗鼓出來的呢？
我們可以看一個通過MZ調制器搗鼓QPSK的圖檔：
圖檔來自是德科技
在發射機中，電比特流被一個多路複用器分成信号的I和Q部分。這兩部分中的每一部分都直接調制MZ調制器一隻臂上的雷射信号的相位。另一個MZ調制器把較低的分支相移π 2。兩個分支重組後，結果是一個QPSK信号。
高階QAM的調制難度更大。限于篇幅，下次我再專門給大家解釋。
此前介紹無線通信調制的時候，說過5G和Wi-Fi 6都在沖1024QAM。那麼，光通信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，就有公司展示了基于先進的星系整形算法和奈奎斯特副載波技術的1024QAM調制，基于66Gbaud波特率，實作了1.32Tbps下的400公裡傳輸，頻譜效率達到9.35bit/s/Hz。
不過，這種高階調制仍屬于實驗室階段，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，但對元器件性能要求很高，對晶片算力的要求也高。而且，如果信道噪聲或幹擾太大，還是會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。随着星座中星座點個數的增加，16QAM的OSNR将呈指數增長。
是以，16QAM或更高階QAM的傳輸距離将被進一步限制。
為了進一步榨幹光纖通信的帶寬潛力，廠商們祭出了新的大殺器，那就是——相幹光通信。感興趣的讀者可以進一步去了解。
█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。
采用NRZ編碼的信号，就是使用高、低兩種信号電平來表示傳輸資訊的數字邏輯信号。
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”分别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”分别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，信号無需傳回到零電平。（顯然，相比RZ，NRZ節約了帶寬。）
在光子產品調制裡面，我們是用雷射器的功率來控制0和1的。
簡單來說，就是發光，實際發射光功率大于某門限值，就是1。小于某門限值，就是0。
傳輸011011就是這樣：
NRZ調制
後來，正如前文所說，為了增加機關時間内傳輸的邏輯資訊，就搞出了PAM4。
PAM4，就是4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四電平脈沖幅度調制。它是一種進階調制技術，采用4個不同的信号電平來進行信号傳輸。
還是傳輸011011，就變成這樣：
PAM4調制
這樣一來，單個符号周期表示的邏輯資訊，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？速度随便翻倍，豈不爽歪歪？
答案是不行。
主要原因，還是在于雷射器的技術工藝。實作PAM4，需要雷射器能夠做到對功率的精确控制。
如果工藝不OK，搞更高位數電平，就會造成很高的誤碼率，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于天線的文章。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，就可以實作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。它利用光的偏振次元，在同一波長信道中，通過光的兩個互相正交偏振态，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。
它等于實作了雙通道傳輸，和PAM4一樣，翻了一倍。
PDM偏振複用，X偏振和Y偏振，各自獨立
圖檔來自是德科技
好啦，以上就是今天文章的全部内容。感謝大家的耐心觀看，我們下期介紹相幹光通信，不見不散喲！
—— 全文完 ——
參考文獻：
1、知否，知否，什麼是相幹光通信，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，機械工業出版社
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不代表中科院實體所立場
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來源：鮮棗課堂
編輯：雲開葉落