关于光通信的最强进阶科普

大家好，今天这篇文章，将重点介绍一些光通信基础知识。

众所周知，我们现在的整个通信网络，对于光通信技术有着极大的依赖。我们的骨干网、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。

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，我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。

四进制，相同的波特率，比特率翻倍（信息量翻倍）

所以说，为了提升每秒的比特数（信息传输速率），我们需要一个符号能尽量表达更多的比特。怎么做到呢？我们待会再说。

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波分复用

波长×频率=光速（恒定值），所以波分复用其实就是频分复用

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，也是我们今天要重点介绍的思路—— 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。我们经常听说的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是调制技术。

以前我给大家讲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，我们看看幅度调制 。

在早期的光通信系统里，我们采用的是直接调制 （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）。

这个和我们的航海信号灯有点像。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。

峰峰叠加，峰谷抵消

█ 光相位 调制

接下来，我们讲讲光相位调制。（敲黑板，这部分可是重点！）

其实刚才我们已经讲到了相位，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，我们回忆一下高中（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+b*i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：

多么优美，多么妖娆~

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，我们介绍一下，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，星座图和我们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 （不是智商调制啊）。

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。

我们继续来看。

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

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。

于是，我们升级一下，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。

图片来自是德科技

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，我们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：

Amp，振幅。Phase，相位。

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？

我们可以看一个通过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。限于篇幅，下次我再专门给大家解释。

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？

不瞒您说，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。

1024QAM，密集恐惧症的节奏

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 。感兴趣的读者可以进一步去了解。

█ PAM4和偏振复用

文章的最后，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，我们传统使用的都是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。

单极性不归零码

双极性不归零码，“1”和“0”分别对应正电平和等效负电平。

双极性不归零码

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，我们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：

NRZ调制

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：

PAM4调制

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。

NRZ VS PAM4 （右边是眼图）

那么问题来了，如果4电平能够翻一倍，为啥我们不搞个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

不知道大家有没有看过我之前写过的关于天线的文章。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。

天线的双极化

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。

PDM偏振复用，X偏振和Y偏振，各自独立

图片来自是德科技

好啦，以上就是今天文章的全部内容。感谢大家的耐心观看，我们下期介绍相干光通信，不见不散哟！

—— 全文完 ——

参考文献：

1、知否，知否，什么是相干光通信，是德科技

2、戴维带你认识光通讯，菲尼萨·戴维

3、话说大容量光纤通信，Fiber，知乎

4、认识光通信，原荣，机械工业出版社

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来源：鲜枣课堂

编辑：云开叶落

光通信的3个波段新秀，还不知道吗？

5G网络迅猛发展，网络数据传输需求呈指数增长，光网络作为底层的承载网络，其传输能力对5G网络发展至关重要。

扩展光网络传输能力的一大法宝就是不停深挖光纤可用的波段资源，也就是不断扩展光网络的传输道路宽度。传输道路宽了，光网络的传输能力自然就提升了。

近期，光网络涌现出波段新秀CE、Cpp、C+L波段，为扩展光网络传输能力增砖加瓦。

下面小编就给大家聊聊光纤的这些波段。

传统波段

光纤通信顾名思义就是光作为信息载体，光纤作为传输介质的通信。但是，不是所有的光都适合光纤通信。光的波长不同（可以简单理解为颜色不同的光），在光纤中的传输损耗就不同。传输损耗大的光，就没办法携带信息在光纤中传输了。

经过科学家长期研究， 最先发现波长为850nm的光可以作为光通信使用的光，这个波段也被直接称为850nm波段。 但是，850nm波段的波长区域传输损耗比较大，也没有合适的光纤放大器。因此，850nm波段仅适宜于短程传输。

而后，科学家又探索出“低损耗波长区域”光波段，也就是1260nm~1625nm区域的光，最适合在光纤中传输。 传输损耗和光波段关系参见下图。

1260nm~1625nm区域又被细分为五个波段： O波段、E波段、S波段、C波段和L波段。

O波段

O波段波长范围为：1260nm~1360nm 。此波段的光色散导致的信号失真最小，损耗最低，为早期的光通信波段。因此，被命名为O-band（O波段），其中O指“Orignal（原始）”。

E波段

E波段波长范围为： 1360nm~1460nm ，E波段是五个波段中最不常见的波段。E指“extended（扩展）”。从上面传输损耗和光波段关系图中，可以看到E波段有一个明显的不规则传输损耗凸点。这个传输损耗凸点是因为1370nm~1410nm波长的光被氢氧根离子（OH-）吸收，所以导致传输损耗急剧加大，这个凸点也被称为水峰 。

由于受早期光纤工艺限制，在光纤玻璃纤维中，经常残留有水（OH基）杂质，导致E波段的光在光纤中传输的衰减最高，无法正常用于传输通信使用。

随着光纤加工工艺的提高，出现了ITU-T G.652.D光纤，使得E波段光的传输衰减变得比O波段低，解决了E波段光的水峰问题。

S波段

S波段波长范围为：1460nm~1530nm 。S指“short-wavelength（短波长）”。S波段光的传输损耗比O波段要低一些，常被用于PON（无源光网络）系统的下行波长。

C波段

C波段波长范围为：1530nm~1565nm 。C指“conventional（常规）”。C波段光的传输损耗最低，被广泛用于城域网、长途、超长途以及海底光缆系统。波分网络中也经常用到C波段。

L波段

L波段波长范围为：1565nm~1625nm 。L指“long-wavelength（长波长）”。L波段光的传输损耗第二低。当C波段光不足以满足带宽需求的时候，L波段光会作为补充用于光网络。

U波段

除了以上五个波段之外，其实还有一个波段会被用到，那就是U波段。U波段的波长范围是1625nm~1675nm 。U指“ultra-long-wavelength（超长波长）”。U波段则主要用于网络监控。

下面来小结一下这些传统波段。

CE/Cpp/C+L波段

光通信常用波段是：传统C波段的1529.16nm ~ 1560.61nm波长范围。这里所提及的新秀波段CE/Cpp/C+L，是指当前光通信为扩展传统C波段传输资源而引入的新波段资源。

从前面的传统波段分析可知，要想扩宽光通信所使用的C波段，可以向临近短波长波段（S波段）和长波长波段（L波段）求支援。这好比，要想扩建现有道路，就只能看看道路两旁的荒地是否可用，有荒地就可以扩宽道路。

接下来我们看看新秀波段CE/Cpp/C+L，向S和L波段借用了哪些资源呢？

CE波段

CE（C Extended）波段也称C+波段。 那CE波段较C波段“+”了哪些波长范围呢？我们可以将C波段资源划分为80个通路传输信息，其中每个通路占用0.4 nm的波段范围资源。因此，C波段也称为C80波段。CE波段借用了L波段（即长波长波段）部分波长资源，波长范围扩展为是1529.16nm ~ 1567.14nm ，CE波段资源可划分为96个通路传输信息，也就是C96波段。CE波段的传输容量相对于C波段，增加了20%。

Cpp波段

Cpp（C plus plus）波段也称为C++波段。 Cpp波段不仅像CE波段那样，向L波段借用波长资源，也同时向S波段借用资源，波长范围扩展为1524.30nm ~ 1572.27nm。 按照每个通路占用0.4 nm的波段范围资源划分，波段资源可以划分为120个通路传输信息。因此Cpp波段也被称为C120波段。Cpp波段的传输容量相对于C波段，增加了50%。

C+L波段

C+L波段从字面上可了解到，C波段和L波段的资源都用于光通信。同样按照每个通路占用0.4 nm的波段范围资源划分，C+L波段常见传输方案有如下3种。

C120+L80 ：Cpp波段（120个通路）+L波段（80个通路），实现200波系统。 其中L波段实际为L+波段，波长范围为1575.16nm ~ 1617.66nm。C120+L80传输方案的传输容量较C波段增加了1.5倍。

C96+L96 ：CE波段（96个通路）+L波段（96个通路），实现192波系统。 其中L波段实际为L++波段，波长范围为1575.16nm ~ 1626.43nm。C96+L96传输方案的传输容量较C波段增加了1倍多。

C120+L96 ：Cpp波段（120个通路）+L波段（96个通路），实现216波系统。 其中L波段实际为L++波段，波长范围为1575.16nm ~ 1626.43nm。C120+L96传输方案的传输容量较C波段增加了约2倍。

最后，一张图展示一下这三个新秀波段。

总结

总之，科学家已经将光纤可用波长资源拓展到非常大的范围。但是，这些波段资源可以真正应用到5G等通信系统中，还受到下面因素影响。

受光器件的限制，例如下列光器件对新扩展的波段范围都不能直接支持，需要升级 。

掺铒光纤放大器（EDFA）

调制器等有源器件

波长选择开关（WSS）无源器件

对于L波段，传输性能劣化，会增加运维复杂性，进而增加成本投入。

可喜的是运营商已经将充分利用现有光纤资源，扩展光纤可用波段资源，提升传输容量，作为未来光通信网络发展的目标，当前也有部分运营商开始部署Cpp波段光网络 。

随着技术的日新月异，未来我们一定可以看到采用C+L波段解决方案的光通信网络 。

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来源：中兴文档

编辑：小范

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