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)確來說就叫波特，叫波特率只是口語習(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)帶來一系列系統(tǒng)性能損傷問題，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，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。
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（詳情：鏈接），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，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)常聽說的 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：想讓電磁波符號(hào)表達(dá)不同的信息，無非就是對(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)介紹過了。接下來，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)_（看不懂就跳過吧）。
所以，后來出現(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，門開的大小由電壓控制。通過改變電場(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-曾德爾調(diào)制器。在 MZ 調(diào)制器中，輸入的激光被分成兩路。通過改變施加在 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，我們講講光相位調(diào)制。（敲黑板，這部分可是重點(diǎn)?。?span style="font-size: 1pc;">其實(shí)剛才我們已經(jīng)講到了相位，不過那個(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）。
I，為 in-phase，同相或?qū)嵅俊，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)問題，我們不得不提高信號(hào)功率（即提高信號(hào)的信噪比，來避免誤碼率的增大），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(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的呢？
我們可以看一個(gè)通過 MZ 調(diào)制器搗鼓 QPSK 的圖片：
▲ 圖片來自是德科技
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，下次我再專門給大家解釋。
此前介紹無線通信調(diào)制的時(shí)候，說過 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，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，這種高階調(diào)制仍屬于實(shí)驗(yàn)室階段，沒有商用（也不知道有沒有可能商用）。目前實(shí)際應(yīng)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(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)剛才所說的高誤碼率問題。
▲ 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。下期，小棗君將詳細(xì)給大家介紹。
PAM4 和偏振復(fù)用
文章的最后，再說說兩個(gè)“翻倍”技術(shù) ——PAM4 和 PDM 偏振多路復(fù)用。
先說 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，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”，不是說沒有“0”，而是說每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號(hào)無需返回到零電平。（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控制 0 和 1 的。
簡(jiǎn)單來說，就是發(fā)光，實(shí)際發(fā)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(diào)制
后來，正如前文所說，為了增加單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)倪壿嬓畔?，就搞出?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，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）
那么問題來了，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。
不知道大家有沒有看過我之前寫過的關(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。
▲ 天線的雙極化
偏振復(fù)用的道理，其實(shí)也差不多。它利用光的偏振維度，在同一波長(zhǎng)信道中，通過光的兩個(gè)相互正交偏振態(tài)，同時(shí)傳輸兩路獨(dú)立數(shù)據(jù)信息，以此達(dá)到提升系統(tǒng)總?cè)萘康哪康摹?/p>
它等于實(shí)現(xiàn)了雙通道傳輸，和 PAM4 一樣，翻了一倍。
▲ PDM 偏振復(fù)用，X 偏振和 Y 偏振，各自獨(dú)立，圖片來自是德科技
好啦，以上就是今天文章的全部?jī)?nèi)容，感謝大家的耐心觀看。