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

图解激光器知识点

用于光通信的激光器，以半导体激光器为主，主要分两种类型，边发射与面发射

▲边发射

▲面发射

VCSEL

VCSEL，叫垂直腔面发射

☝垂直腔，两组布拉格光栅做发射腔

▲VCSEL历史

▲VCSEL应用

▲典型氧化物限制结构

这个限制，一是限制光场，二是降低阈值电流

FP与DFB

FP与DFB都是边发射激光器，FP结构的激光器，是通过两侧反射镜做光反馈，DFB是通过光栅做光反馈

▲FP的反射腔

▲DFB的布拉格反射

▲FP无需刻蚀光栅，工艺简单

▲DFB需要刻蚀光栅，工艺复杂

▲FP是多纵模激光器

▲DFB是单纵模激光器

DFB的RWG与BH结构

DFB激光器应用广泛，常用的RWG结构，与BH结构

▲紫色是波导结构

RWG，脊波导，上图紫色是波导设计，工艺简单

BH，异质掩埋，掩埋的是有源层，工艺复杂

为什么要掩埋？

RWG结构的有源层是下图这样

脊型波导，再通过两侧折射率差，将光场压缩至椭圆形，下图

掩埋结构，把有源层做窄

那它的光场压下来，就是接近于圆形

BH结构的圆形光斑，非常适用于通信，与光纤耦合效率高，功率大，阈值电流低（功耗低）

EML

EML，是DFB结构与EAM电吸收调制器的集成器件

半导体有激子吸收效应，也就是可以吸收光，那DFB的光，一会儿吸收一会儿不吸收，对外界看起来就是1,0的区别

▲EML ▼DML

电吸收调制器原理

外加电场后，能带发射概念

吸收波长偏移，产生调制效果

DBR激光器

DBR激光器与DFB类似，只一半光栅，可以通过电流调整相位，也就是说可以通过电流的大小，调谐输出波长

可调谐激光器

可调谐激光器，就是能调输出波长，上一类的DBR是可以做调谐的。

最简单的一种，就是温度调谐，DFB激光器可以随温度变化而变化，那让他工作在不同温度，就可以实现不同波长

把激光器级联起来，就可以调更多的波长了的。

另一种，就是双臂结构，设计俩激光器（各种类型都行），用游标效应。

咱FP出来的是多纵模，

两组FP，纵模间隔略作差异设计

能对准的就可以激射，向游标卡尺一样

这种双臂结构，有好些设计，原理都类同

还有已与采样光栅的DBR

量子级联激光器

量子级联激光器主要用在

咱们DFB是多量子阱结构（十来个），量子级联就是3个，通过量子隧穿三步完成激射

电子不断从高能级向低能级跳，辐射出光子能量

QCL量子级联激光器，同样可以做FP、DFB、外腔调制各种类型，波长集中在红外

气体激光器

气体激光器是用气体做增益物质，CO2激光器是应用比较多的一种，主要在激光加工行业

CO2激光器，有一种辅助气体氮气，电击中氮气后，能量增加会被CO2吸收，再通过两侧反射镜，就激射出光

光纤激光器

光纤激光器，增益物质叫增益光纤

普通传输信号的光纤是单包层，不产生增益

增益光纤是双包层

在泵浦光的作用下，纤芯就吸收能量，产生增益。增，就是放大

光纤激光器，主要用于激光加工行业

准分子激光器

准分子激光器，也是一种气体激光器，他俩的区别在于CO2做不了超快激光器，它的加工过程产生热量，对加工面有损伤

准分子激光器，破坏的是物质的肽键，对加工面不产生破坏力

准分子的准，是说常态下这些分子不存在，只有激发状态下才有，常用这些惰性气体做准分子激光器，193nm是半导体光刻工艺中最常用的

常态下没有ArF这种分子，分别是蓝色的氟和红色的氩

收到激发时，产生一个极端时间的ArF分子，从高能级跳下时分开同时产生一颗光子

这个超短脉冲，破坏分子肽键，这就是加工过程

世界上第一台激光器--红宝石激光器

1960年，梅曼发明第一台激光器，是红宝石激光器

用红宝石做增益物质，在泵浦灯光作用下产生辐射，通过两个反射片进行放大，就是LASER，受激辐射光放大

YAG激光器

类似，把红宝石晶体，换成钇铝石榴石，就叫YAG激光器，也是用于激光加工市场

自由电子激光器

这是用于军事上的一类能量激光武器，可以穿透钢板

目前体积也很大

它的原理很简单，用电子摆动起来（像波），光是电磁波

用波动的电子做谐振，产生加速，产生巨大的光能量

如何让电子产生波动性？磁可以改变电的方向

用一组极性交替分布的磁，让电子穿过去

电子就产生扭摆

这就成了自由电子激光器

太赫兹激光器

太赫兹，是个新兴技术，它的电磁波频谱介于微波与红外之间，（国华用绿色标志），刚好位于电学与光学范畴的交接点，太赫兹可以用于安检、以及早期癌症检测等等领域

它既可以做太赫兹电学应用，也可以做光学应用，光学上加反射腔等也可以做激光器

用超短激光打在两片电极中间，就可以激射出太赫兹波

它的电极（电学范畴这样）

太赫兹的传输，发射与接收

去年，MIT 在nature发表一个中红外太赫兹激光器，波长100um

▲激射太赫兹

▲同频同相，进行锁频放大

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