光通信系统与光网络的区别及联系

往期发布的文章中，笔者分享了不少涉及光通信系统和光网络的文章，最近有部分读者（尤其是一些正准备进行相关研究的科研工作者）跟笔者交流：光通信系统与光网络有什么区别？二者有什么联系？

说实话，二者虽然不同但区别不大（内涵差不多，外延区别有点大），为和大家开展有益交流，本期就来阐述一下。

首先，讲一句题外话，物理先辈们曾告诉我们，光有波粒二象性，那么光通信系统和光网络中承载的光子信息体现出来的特性也有二象性（如下图所示），所以光通信系统与光网络都值得我们去搞清楚~

图1. 光的波粒二象性

在谈该问题之前，我们先来了解一下什么是光通信系统，什么是光网络；二者不说明，确实容易混淆。

光通信系统是采用光波高速传输信息的系统；通常由电信号端机（含收发模块），光信号端机（含收发模块），光传输信道（大多数情况下用各类光纤、少数情况下用室内外大气或外层自由空间信道）等组成（实验室中的光通信系统如下图所示）。

图2 实验室中的光通信系统

光网络是采用光波高速处理信息的网络，并采用更多的光电子器件、设备及应用更多的控制方式实现多节点、多系统中高速信息的传输、宽带信息的交换和多类信息的灵活接入（往往采用跟光通信系统同样的光传输信道，常用的电信级光网络如下图所示）。

图3 常用的电信级光网络

依据上文，大家不难看出两者的共性：1、都采用物理光波，具备高速特性；2、都采用必备的光电子器件、线材及设备，广义上具备光、电信号的融合性；3、都采用光传输信道（大多数情况下用各类光纤，如下图所示），具备信道的同质性和复用性。

图4 常见的各类光纤信道

同样依据上面的简述，我们也会产生这样的疑惑：1、从应用范畴上来讲，光网络是否涵盖光通信系统？2、从二者的应用模式来看，光通信系统似乎更聚焦于实现光信息的高速传输，光网络则同时聚焦于实现高速信息的传输、宽带信息的交换和多类信息的灵活接入？3、光网络似乎要解决的技术问题更多？

而上述问题，恰恰体现了二者的区别和联系；笔者逐一跟大家交流。

首先，光通信系统一般涉及两个节点（一个信源+一个信宿）间的光信息传递，在信源和信宿间有调制器（发送机）、信道（各类光纤或自由空间信道）、解调器（接收机）；其研究或应用一般限于物理层（最多至数据链路层）。光网络则涉及用户端机或路由器的节点间（这里的节点包含边缘节点（一般靠近用户端机侧）和网络中的核心节点（含入口、出口和中间路由器））的信息传递，其中边缘节点起到信息收发作用，核心节点起到信息路由交换作用；通常物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层都需要考虑，要解决信道共享、资源分配、路由选择、流量工程、差错控制、QoS等等一系列技术问题。所以，狭义上而言，光网络是涵盖光通信系统的。

其次，光通信系统实现光信息从一个信源到一个信宿的高速传输，也就是说实现的是“单点到单点“的传输，必然导致其研究或应用主要是面向传输机制的（但并不是说不需要交换机制和接入机制，只是说传输机制是主导性机制）；而光网络实现光信息从多个信源到多个信宿的高速传输，也就是说实现的是”多点到多点“的传输，而因为涉及的收发节点多，且接入的业务类型也杂，所以必然导致其研究或应用是兼顾高速信息传输、宽带信息交换和多类信息灵活接入三大主题。

最后要说的是，因为光网络在一般情形下会面向多个节点实现光信息的高速传输、宽带交换和灵活接入，所以要解决的技术问题常常更多；在如下特殊情形下，例如某个光网络的通信容量还不如某个光通信系统的大，或者某个光网络的通信速率还不如某个光通信系统的高，那么光通信系统就要解决更多传输领域的技术问题（此时交换问题和接入问题就显得不那么重要了）。

综上所述，虽然搞清楚光通信系统和光网络的区别和联系有一定意义，但笔者还是建议不要将二者孤立化，还是需要有机统一起来，毕竟无论是光通信系统还是光网络，它们在广义上都是统一的，二者存在之目的都是为了满足人类在广域网、城域网和接入网多类业务的通信需求，二者发展之目标都是为了更高速率的信息传输、更大容量的信息交换和更灵活的宽带接入得以实现。

以上内容供大家比较学习和进行研究工作时参考，本来还有许多要讲的，例如“光通信系统或光网络发展的终极目标是什么“等，留待以后有机会再与大家分享所思所得，读者也完全可以自己查阅文献，兼虑时间有限，谢谢大家理解，今后继续….

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）

​

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（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。

​

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

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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。

​

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）。

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

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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。

​

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

​

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。

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）

​

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

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