关于光通信的最强进阶科普

大家好，今天这篇文章，小枣君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）

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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

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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（详情：链接），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。

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

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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，我们采用的是强度调制直接检测 （IM-DD， Intensity Modulation Direct Detection），也有称为直接调制 （DM，Direct Modulation）。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）。

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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。

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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 （EM，External Modulation）。

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。

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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。

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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。

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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。

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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

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█ 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。

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大家应该还记得，坐标轴其实是可以和波形相对应的，如下：

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波形，其实又可以用三角函数来表示，例如：

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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。

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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）。

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。

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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

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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。

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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）。

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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

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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

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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。

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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 。下期，小枣君将详细给大家介绍。

█ 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

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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

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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

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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

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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。

偏振复用利用光的偏振维度，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）

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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！

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

什么是光通信？

小伙伴们听说过光通信吗？

yes or no？

光通信使用光网络将每个人发送的信息，传播到世界各地。

是一种可以一次性快速传输海量信息的技术。

快来一起了解一下...

什么是光通信

｜什么是光通信？

光通信就是使用光，向对方传输信息的技术。

｜光通信的基本结构

我们身边的电脑和手机，通过电信号“0和1”发送信息。光通信是由将电信号转换成光信号的“发送机”、将光信号转换成电信号的“接收机”，以及传输光的回路“光纤”构成。

｜光通信的优点

1.传输距离长，经济节能

2.一次性传输海量信息

3.通信速度快

1）传输距离长，经济节能

假设1秒钟内要传输10Gb的信息（100亿个信号），如果使用电通信的话，每隔100米就要调整一次信号。与此相比，使用光通信的话，需要调整间隔可为100千米以上。调整信号的次数越少，所使用的机器数量也越少，因此具有经济节能的效果。

比如说，现在和国外的朋友通话或上网聊天时，感觉与在国内通话没什么两样。不像以前那样声音会滞后。在只有电通信的时代，一次能传输的距离短而且传输的信息量少，国际间的通信主要通过人造卫星作为中继传输。但是，使用光通信的话，一次性传输的距离长而且传输的信息量多，因此，通过使用铺设在海底的光纤光缆，就能实现与海外自然畅通的通信。（电波和光的速度相同。但是，由于经由卫星的话传输路径会变长，信号到达较慢。海底电缆的距离短很多，所以信号会更快达到。）

2）一次性传输海量信息

大量用户可以同时接收需要的信息（电影或新闻等）。在1秒钟内，电通信最多只能传输10Gb（100亿个0和1信号）的信息，与此相比，光通信最多可以传输1Tb（1万亿个0和1信号）的信息。

3）通信速度快

电通信会因电噪声出现错误，导致通信速度下降。但是，光通信不会受到噪声的影响，因此可快速传输信号。

光通信用在什么地方

｜光通信存在于身边乃至世界

互联网、手机、IP电话等使用网络的设备，将每个人与其所在地区、与整个国家联系起来，甚至连接至全球通信网。比如说，电脑和手机发出的信号聚集在本地通信运营商的基站和网络供应商，再通过海底光缆中的光纤传输至世界各地。

｜连接网络的各种设备

我们平常所使用的各种设备都能联网。网络的出现，让我们的生活变得更加舒适便捷。

为什么需要光通信技术

｜通信量

我们的通信量每年都在增加。我们平时使用手机、短信、接收图像、网络（虚拟）商店时进行信息交流。设备性能逐年改善，使用方法也随之改变。我们可以想象，今后的通信量还会不断增大。光通信技术就运用于信息交流中。

｜传输量

随着整个社会通信量的增加，不断出现了只需1根光纤就能传输更多信息的技术。

表示传输量的单位

单位是bps。即bit per second的简称，表示1秒钟内可以传输的比特数。比如说，1bps表示的则是1秒钟内可以传输1比特的数据。

光通信中所使用的装置（光传输装置）

｜光传输装置是做什么的呢

光通信网的关键部位装有光传输装置。这个装置发挥着许多作用。

1.信号转换（发送信号）：将电信号转换成光信号。

2.信号复用：将多个窄的信号汇聚成一个宽的信号。

3.信号中继：远距离传输，中途中继信号。

4.信号转向：转换信号的传输方向。

5.信号解复用：将复用的信号分解成原来的单独信号。

6.信号转换（接收信号）：将光信号转换成电信号。

｜光传输装置

装置中安装了各种部件。

1. 转换（发送信号）

将接收的电信号转换成光信号。

2.复用

复用多个信号同时发送。

3.中继

传输过程中，信号的波形和强度发生劣化，因此需要将波形复原到原信号那样整齐的波形，加大光强。如果波形劣化严重，就需要暂时将光信号转换成电信号，波形错误修正后，重新转换成光信号进行传输。

4.转向

根据信号的去向，光开关切换光信号的传输方向。

5.解复用

将复用的信号分解成原来的单独信号。

6.转换（接收信号）

将接收的光信号转换成电信号。

通信方式（现在与将来）

下面通过汽车和车道来说明通信方式。假设汽车代表占有车道的时间（1区间）、货物代表每次搬运的信息量（比特数）、车道代表光的一个波长。

｜现在的通信速度：每波长传输10Gbps、40Gbps

・时分复用法（TDM: Time Division Multiplexing)

因为每次可以传输的信息有限，所以需要分时段传输。比如说，多个用户同时发送信息时，搬运信息的车道只有一条，因此装载不同信息包裹的货车需要排成一列进行搬运。车道出现堵塞时，传输速度就会变慢。

・波分复用法(WDM: Wavelength Division Multiplexing)

一次能传输的信息量较多，通过改变波长，可同时传输多位用户的信息。比如说，即使多位用户同时发送信息，只要分布着多条车道就不易造成堵塞，能够流畅地运送货物（比特数），而且传输速度比较平稳。

・多级调制法 (MM:Multi-level Modulation)

在1波长的1个区间传输多个信号的方法。通过改变光的波形，在同一波长上传输多位用户的信息。具有代表性的技术是四相差分相移键控调制法（DQPSK:Differential Quadrature Phase-Shift-Keying)。通常情况下，每辆货车装载的货物是1比特，但是，使用“DQPSK”时，每辆货车可装载2比特货物。

｜将来的通信速度：每波长传输100Gbps

100Gbps相当于约0.4秒传输一张DVD的速度。（假设换算成容量为4.7GB的DVD）

・偏振复用法(Polarization multiplexing)

光在振动的同时向前进。振动的方向叫做“偏波”，分成垂直振动前进的光（垂直偏波）和水平振动前进的光（水平偏波）两种。偏波中包含的信息不会互相干扰，可传输大量信息。比如说，1条车道上同时行驶着2辆货车，这2辆货车在传输信息时不会发生碰撞。

神通广大的光网络（实例介绍）

光纤遍布全世界，我们在各种场合都能获得高质量的服务。接下来介绍相关实例。

小故事（为什么天空是蓝色的，夕阳是红色的呢）

｜为什么天空是蓝色的，夕阳是红色的呢？

你有没有想过，为什么天空看起来是蓝色的呢？ 天空呈现蓝色是有原因的。光的波长不同，呈现的颜色也不尽相同。太阳光进入地球的空气层（大气层）后会与空气中的灰尘（分子）发生碰撞，因此会改变光的朝向。也就是说，因为波长较短的光（比起红光蓝光波长更短）更容易与灰尘发生碰撞，所以光线容易到处扩散。天空之所以看起来是蓝色，是因为波长较短的蓝光扩散至整片天空。

｜太阳光的波长

太阳光看上去泛白，实际上因为混杂着从红光到蓝光的各色光。也就是说，太阳光中的光的波长各不相同。

｜天空呈现蓝色的原因（太阳光与灰尘发生碰撞）

1)太阳光进入空气层。空气层中漂浮着许多灰尘。

2)波长较短的蓝光容易与灰尘发生碰撞，光就向四周扩散。

另外，波长较长的红光在灰尘间自由穿梭。

3)蓝光扩散至整片天空，从远处看，天空呈现蓝色。

｜夕阳呈现红色的原因

为什么蓝色的天空在傍晚时分会呈现红色呢？这与太阳光穿过空气层的距离有关。太阳下山时，太阳的位置从我们的正上方向水平方向移动。于是，太阳光穿过空气层的距离，比起在正上方时，水平方向时变得更长，之前从灰尘缝隙中穿过的波长较长的红光开始与灰尘发生碰撞。而且，由于蓝光的波长较短，无法到达远处，只有被红光覆盖的天空映入我们的眼帘，因此，夕阳看上去是红色。

夕阳呈现红色的原因是，波长较长的光即使穿过厚厚的大气层后也不容易发生散射，具有能够到达远处的特性。光通信正是利用了这一原理，为了减少光纤中的散射，实现远距离传输，使用的是波长稍长的光。

预备知识（什么是波长）

｜什么是波长

从字面上看，“波长”就是“波的长度”。“波”包括声波、电波和光波等。波长是指一个波到下一个波之间的“一波”之长。

波长的差异随处可见。比如说，颜色的差异和声音高低的差异都取决于波长的“长短”。

｜波的伙伴

波长不同，种类各异。光通信中所使用的频率是1.3微米或1.55微米，属于红外线的一种。

（文章来源：科普零距离）

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