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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不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

来源：鲜枣课堂

编辑：云开叶落

创世之光：光的前世今生和未来，带给我们哪些启示？

光，是那样的普通，又是那样的奇特。它无处不在，人们甚至感觉不到它的存在，只有当它消失时，才发现它珍贵无比。白天，光明充满着世界，夜晚也有月光、星光和灯光，只有遮盖得严严实实的暗箱里，才失去了光。在那个完全没有光的世界，似乎一切都消失了。

在没有科学之前，没有人思考和探寻光从哪里来，又到哪里去，似乎它本来就这样一直存在，没有过去，也没有未来。随着对光的认识越来越深刻，人们才发现，原来光有那么多奇妙的个性。

某种意义上说，是光创造了我们认知的世界，最终也将随着世界的毁灭而消失。现在我们就来了解一下光的前世今生和未来，以及带给我们哪些启示。

创世之光

科学界公认的标准宇宙模型认为，大爆炸出现在138亿年之前，在真空量子涨落中出现了不对称的奇点，奇点爆发诞生了宇宙。在大爆炸普朗克时间之前，也就是1000亿亿亿亿亿分之一秒（10^-43秒）之前，宇宙温度无限高，密度无限大，体积无限小，是人类物理定律无法认知的世界。

人类对宇宙的认识，或者说未来有可能认识在普朗克时间之后，那时候的宇宙已经膨胀到了普朗克尺度，也就是1000亿亿亿亿分之一米（1.6*10^-35米）；温度下降到了普朗克温度，也就是1亿亿亿亿K（10^32K）；密度下降到了每立方厘米1百万亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿克（10^94克/cm^3）。

普朗克时间之后，已知统治世界的四种基本力才开始依次出现，亚原子粒子也随着宇宙的继续冷却而依次出现。但在相当长一个时期，宇宙仍然处于高温高密度状态，电磁辐射，也就是光的集合体，依然无法溢出，因此，那时的宇宙是黑暗的，不透明的。

一直到38万年后，宇宙温度降低到了3000K，电磁辐射才得以脱耦而出，宇宙辐射出了第一缕光。从此，宇宙开始变得透明，早已经荡漾在粒子汤中的电子、质子、中子开始合成出最简单的原子，真正的物质开始出现了。

因此，可以说是光的出现，才有了今天被人类观测到的世界。理论上光是物质转化为能量的表现，而今天所有的物质则又是宇宙大爆炸能量转化而来。

光塑造了彩色世界

本质上，光是电磁辐射，是宇宙能量的一种传播方式。我们通常说的光是指可见光，就是人眼能够感受到的光，是电磁辐射中极小的一个片段。电磁辐射波长从阿米级（10^-18米）到公里级，其中可见光只占据380纳米~760纳米这么一小段。

而在可见光波段的前后，存在着波长最长的无线电波（包括长波、中波、短波、微波），波长从数公里到1毫米；还有红外线，波长在760纳米到1毫米之间；比可见光更短波长的电磁辐射有紫外线、X射线、γ射线，一个比一个波长短，最短的伽马射线波长小于0.1纳米，一直到阿米级，甚至更短。

这些电磁辐射都可以称为光，因为它们的传播媒介都是光子。只不过人类除了可见光，对于其他的电磁辐射都无法看见，这些看不见的低能和高能光，可以称为不可见光。虽然人眼无法看到除可见光以外的电磁辐射，但通过各种现代科学仪器设备，就能够接收或“看到”这些不可见光，如示波仪、电磁辐射测量仪、射电和射线望远镜、X光机等等。

人类就是依靠这些光，来感知和“看到”这个世界。而人类从古到今，主要是依靠可见光来感知感受这个世界。这是由于可见光是地球生命孕育和生存的最基本条件，而人类和许多动物为了适应地球环境，进化出了对可见光感光的视觉系统。

可见光，如太阳光看起来是白色的，或者说是无色透明的。其实太阳光并非无色，而是一种复合色。这种复合光是宏观到紫光渐变而成，可以分出无数色差，人们大致上将其分为红橙黄绿蓝靛紫七色，每一种颜色的波长都不一样。

其中红光波长最长，约在625到760纳米之间；橙光波长范围约在590到625纳米、黄光波长范围约在570~585纳米、绿光波长范围约在492~577纳米、靛光波长范围约在420到440纳米、蓝光波长范围约在440到475纳米之间；紫光波长最短，约在380到440纳米之间。

世界万物本来是无色的，但不同物体对不同波段的光吸收率和反射率不一样，被吸收掉的光谱人眼就看不到了，而看得到的只是物体反射出来的光，这样人们看到的世界才呈现出不同的颜色。因此，是光的颜色和物体对不同波段光的吸收反射率不同，或人眼在不同角度看物体，才造就出大千世界的姹紫嫣红。

我们看到树叶是绿色的，是因为树叶更多地吸收了阳光中其他颜色的光，更多地反射了绿色；看到红色物体，是这种物体更多地吸收了除红色之外其他颜色的光，更多地反射了红色；白色物体则是几乎不吸收光，以可见光全波段的形式反射出来，如白布和白雪。

光有波长，还有频率，且频率与波长成反比。就是波长越长，频率越低；波长越短，频率越高。而光波的能量是与波长成反比与频率成正比的，波长越短频率越高的光能量越大。因此比可见光频率高的光杀伤力就更强，如紫外线、X射线、γ射线，一个比一个强大，可以杀伤甚至杀死生物。

人类分别利用不同波长和频率的光，趋利避害，改造世界造福人类。

光速是人类认识世界的基本工具

在伽利略创立实验科学以前，人们对光速认识模糊，主流大咖们普遍认为光速是无限的，只要有光源，光就会瞬间的照亮目标，太阳光也是瞬时充盈人间的。有这种认识其实一点也不奇怪，因为光速太快了，凭那时候的科学技术和裸眼是根本无法分辨光速的。

科学大咖伽利略常常做出一些令人匪夷所思的实验，他在比萨斜塔上将一大一小两个铁球同时丢下来，看看是否同时落地，由此得出了自由落体定律。伽利略认定光是有速度的，曾经尝试测出光速有多快。

他和助手们分立在两个相隔一英里的山头，以举灯为号尝试计算出光在两个山头间传递的速度。他这是大大低估了光速，才选择了这样简单的一个方法，试验只能以失败告终。每秒约30万公里的光速，怎么可能在1英里之间靠眼睛看出来呢？

但伽利略的实验影响了后来的一代代科学家，他们绞尽脑汁设计制造各种测量光速仪器设备，从粗放到精细，光速渐渐明了起来。最终得出光速的精确值，还是上世纪七十年代采用了激光干涉法的科学方法。

后来国际计量学会通过重新修订米的长度，以光速来确定“米”的长度，从而使长度单位与光速相互印证，才最终得到了光速的整数值，即：真空光速值c=299792458米/秒。

从此，光速c成为现代物理学的一个基本常数，几乎参与到了科学技术的一切领域。由于几百年来对光速越来越精确的认识，让人类对宇宙的了解也越来越精确。在宇宙观测中，光速已经成为一把量天尺，是一个测量遥远天体的距离单位。

这就是光年。光每秒传播的距离为299792458米，每小时3600秒，每天24小时，一个儒略年为365.25天，这样一年就为31557600秒；光在一个儒略年行进的距离为9460730472580800米，也就是约9.46万亿公里，这就是一光年的尺度。

由于光是有速度的，而人眼看到的世界万物都是依靠光传递到视网膜，因此，越近距离的物体传播到人眼的时间越短；反之，越远的物体形象传播到人眼中所需时间就越长。这样人类看到的所有物体都并非是即时的样子，而是“过去”的样子了。

比如1米距离的物体，到达我们视网膜的时间需要299792458分之一秒，因此我们看到的这个物体就是299792458分之一秒前的样子；同理，1公里远的物体，就是299792.458分之一秒前的样子；月球距离我们约38.4万公里，光速每秒传播速度约30万公里，因此我们看到的月亮就是一秒多钟前的样子。

距离很近的物体，传递到我们眼中所需的时间极短，因此一般可以忽略不计，视同即时看到。但距离很远的物体，传递到人眼需要足够的时间，就具有延时意义了。

如太阳距离我们1.5亿公里，发出的光辐射要历经8分多钟才能传输到地球，因此晒在我们身上的阳光，永远都是太阳在8分多钟前发出的光；而距离我们1光年或1亿光年的恒星或星系，我们看到的就永远是1年前或1亿年前的样子，以此类推。

至于科学家们如何知道遥远的星系距离我们多少光年，时空通讯在过去许多文章中都有介绍，本文就不再赘述了，有兴趣的朋友可以在本人主页查阅。

光在创世中诞生，最终会消失吗？

光既是物质转化为能量的表现，也是传递能量的媒介。因此可以说，没有了光，就没有了能量。而宇宙万物都需要能量来维持，没有了能量，一切都将消亡。对地球生命来说，有句谚语叫万物生长靠太阳，没有了太阳，地球上所有生命都将消失。

首先，没有了阳光辐射，地球会变成一个零下200多度的冰球，一切都将冻结；在没有冻结之前，依靠光合作用生长的植物将全部死去，依靠植物为生存的草食动物随之灭绝，接着依靠吃草食动物之肉生存的肉食动物也死去，最终连微生物也死去，生命在地球上灭绝。

对于生命来说，光少了活不了，光多了也不行。地球生物在亿万年进化中，适应了太阳可见光，这些可见光让动植物得以繁衍生息。但宇宙和太阳并非只发出可见光，还有紫外线、X射线、伽马射线和高能宇宙射线，这些高能射线则是生命的大敌。

有研究认为，4.45亿年前的奥陶纪物种大灭绝，就是伽马射线暴轰击所致。是距地球6000光年的两颗中子星相撞，导致了超新星大爆发，迸发出若干束伽马射线暴，其中一束恰好扫过地球，导致了生物食物链断裂，历经40多万年的灭绝性灾难，85%物种从此消失。

现在的太阳风、紫外线和宇宙射线也每时每刻在轰击着地球，但地球有两重铠甲防护：一重是地磁场，将来自太阳强劲的太阳风疏导流向远方；一重是大气层，特别是其中的臭氧层，阻隔过滤了来自太阳的紫外线和大部分宇宙射线。

那么，光从虚无中创生，未来也会消失吗？答案是肯定的，基于现代科学对宇宙的解释，宇宙时空是相对的，有始有终的，因此最终都要走向消亡。但这个时间非常久远，久远得人类不可能看到。

宇宙的归宿有许多猜想，有热寂说、大坍缩说、大撕裂说等等。这些说起来话长，有兴趣的朋友可以查阅时空通讯过去的相关文章，这里就不多扯了。但不管哪种消亡，最终都是时空消失，归于虚无，光也不例外。对此，你怎么看？欢迎讨论点评。

时空通讯原创版权，请勿侵权抄袭，感谢理解支持。

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