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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如需转载请联系原公众号

来源：鲜枣课堂

编辑：云开叶落

创新“烽火”引领光通信跨越山海

湖北武汉，位于东湖高新区的中国信科集团园区内，一尊球体雕塑顶端，一颗标注为“FiberHome”（烽火）的小行星引人注目。

该雕塑落成于2019年5月17日。许多人不知道，它与贵州大山深处的国之重器——FAST“中国天眼”有关。“天眼”核心部件、保障海量天文观测数据传输的“视神经”动光缆，即由中国信科集团旗下的烽火通信科技股份有限公司（以下简称“烽火通信”）研发而成。

为感谢烽火通信的突出贡献，国家天文台将中国科学家此前发现的第121547号小行星永久命名为“烽火通信星”。

1976年，在武汉邮电科学研究院，赵梓森“抻”出中国第一根具有实用价值的光纤。时至今日，立足于中国光谷的烽火通信，已发展成国内领先、国际知名的信息通信设备与网络解决方案提供商。

2018年4月26日，习近平总书记在烽火科技集团有限公司考察。他语重心长地对企业负责人说，新发展理念，创新是第一位的。我国已经成为世界第二大经济体，过去那种主要依靠资源要素投入推动经济增长的方式行不通了，必须依靠创新。具有自主知识产权的核心技术，是企业的“命门”所在。企业必须在核心技术上不断实现突破，掌握更多具有自主知识产权的关键技术，掌控产业发展主导权。

“核心关键技术必须掌握”

“我当时在现场，总书记和大家亲切握手，察看烽火自主研发的芯片和光网络产品，了解产品用途、性能、国产化率、在国际同行业中的地位等情况……”34岁的邱小青至今非常清晰地记得4年前，习近平总书记来到公司考察时的一幕。

展品中，有烽火通信研发的我国第一款可以商用的25G高速激光器芯片，打破了国外技术垄断。

习近平总书记再次强调核心技术、关键技术、国之重器必须立足于自身。他指出，过去在外部封锁下，我们自力更生，勒紧裤腰带、咬紧牙关创造了“两弹一星”，这是因为我们发挥了社会主义制度优势——集中力量办大事。下一步，科技攻关也要这样做，要摒弃幻想、靠自己。

光芯片是光通信系统中的关键核心器件。相对于传统三五族材料光芯片，硅光芯片采用硅光子技术，是将硅光材料和器件通过特色工艺制造的新型集成电路，具有集成度高、成本低、光波导传输性能好等特点。一直以来，其技术壁垒很高。

4年来，烽火通信凭借打造“中国芯”的信念，坚持自主研发，突破了多个“卡脖子”难题。

在研发出100G硅光芯片后，烽火通信研发团队一度面临抉择：是沿用旧有的产业链和技术路线，还是继续开发更小体积与成本的下一代产品？

当时，国际同行已采用全新的技术路径开发下一代产品。“技术掌握在别人手里”，必须依靠自己拼。烽火通信为研发团队增加人手与经费投入，大家夜以继日讨论技术方案、测试、修改。

经过3年的艰苦研发，2021年底，烽火通信推出了中国首款、拥有自主知识产权的400G相干商用硅光收发芯片。这是目前国际上已报道的、集成度最高的商用硅光集成芯片之一。

今年，中国信科集团国家重点实验室还发布了国内首款1.6T硅光互联芯片。这意味着，我国硅光芯片技术实现向Tb/s级的首次跨越，这也将为超级计算、人工智能等新技术、新产业发展提供有力支撑。

坚持创新、不断攻克核心关键技术，中国信科集团的专利墙上，34330件全球申请专利中，发明专利超过90%，累计荣获国家级、省部级的科技奖项100多项。烽火通信自研核心芯片已批量应用，预制棒、光纤、光缆实现完全自主生产，各类产品国产化率不断提升。

针对汽车行业近年出现的“芯片荒”，2021年9月，烽火通信与东风汽车集团联合成立“车规级芯片联合实验室”，2022年成立武汉二进制半导体有限公司，共同打造高可靠性的汽车芯片产品，努力实现关键核心技术的自主可控。

“跨越更远的山海”

每当端详和同事们一起与总书记合影的照片，邱小青总会想起总书记来考察时的场景——习总书记对大家说，你们所从事的光通信行业很重要，要建设网络强国，需要你们加快脚步，更快地占领一些制高点。

4年来，她明显感觉到，同事们的干劲更足了。原本在公司从事宣讲工作的邱小青也对自己提出了更高要求，她主动申请调往专业性更强、挑战更大的技术销售岗位。经过几年历练，如今已成长为公司国内营销部售前经理。

自我加压、不断革新、创优争先的精神气质，自烽火通信成立起，就已融入到文化基因里。

20世纪80年代，全国上下从农村电话到国家骨干电话网，用的都是国外进口的设备，行业内流传着“七国八制”的说法：当时的中国通讯市场上总共有8种制式的机型，来自7个国家。“巴统”（全称“输出管制统筹委员会”，总部在巴黎——记者注）对中国实行技术封锁和限制。

20世纪90年代，我国光纤通信技术不断进步，但一大问题是研究成果远离市场需求，许多技术的商用化水平远落后于发达国家。

在科技体制改革大潮中，武汉邮电科学研究院率先开展企业化转制，转制为烽火科技集团，并发起创立烽火通信。

2000年，烽火通信在印尼设立海外办事处，开启国际化拓展之路。经过20余年发展，现在已拥有27家海外子公司，并且在南美、东南亚、欧洲建立起生产基地和研发中心……截至目前，该公司产品出口100多个国家和地区。数据显示，2021年，烽火通信在国际市场实现逆势增长，进出口额达到140亿元，其中出口额突破100亿元，同比增长49%。

面对海洋通信产业，烽火通信投入研发资源，如今已成为国内唯一、国际屈指可数的集岸端传输设备、中继器等湿端产品、海缆三大类产品和海缆工程施工于一体的企业，具备完整的海洋网络解决方案和工程项目总承包能力。

为保持企业竞争力，烽火通信不断加大研发投入。2021年，该公司营业收入263.15亿元，同比增长24.87%；净利润2.88亿元，同比增长高达181.52%。公司全年研发投入超过37亿元，研发费用同比增长34.20%。

打造年轻人喜爱的成长平台

“目前我们的第一代产品已经规模商用，第二代更高速率的产品也会在今年正式投产。”能够作为核心人员参与超高速相干硅光芯片及器件的研发，为实现“中国芯”的梦想添砖加瓦，飞思灵模拟IC设计工程师卢鲁璐子觉得“非常有成就感”。

2018年，卢鲁璐子博士毕业于华中科技大学光学工程专业，入职烽火通信旗下的飞思灵微电子从事芯片研发。

烽火通信对青年员工实行导师制、项目组培养，这让卢鲁璐子倍感亲切。她经常与项目组的伙伴们共同学习、探讨国际会议和产业会议的前沿知识。“项目组很像大学的课题组，团队在项目推进艰难的时候，总能互相鼓劲、齐力攻关。”这也使得她能够心无旁骛地投入到科研工作中去。

“科技创新，人才是第一资源。”烽火通信人力资源部副总经理徐东磊介绍，公司每年从全球各大高校招聘的优秀毕业生就有1000多人。通过股权激励、“人才房”项目等，提高人才归属感，促进企业与人才共同发展。如今，公司员工平均年龄29岁，90后经理人已达数十位。

这里鼓励科研创新，也倡导年轻人喜欢的生活方式。今年春天，《烽火已点亮》RAP视频在光谷朋友圈流传。画面中，一群青年男女头戴鸭舌帽，跳起街舞唱起嘻哈。这群年轻人全部来自烽火通信，作词、表演也均由他们自己完成。

作词徐沐岳，30岁出头，现在国外从事客户经理工作；主唱袁俊，是位刚入职的新员工，属于菲律宾地区部；主唱沈晶聂就职于美洲地区部，在公司奋斗了10年左右，已迈入中层，是一名客户群经理；几位伴舞，来自销售部门、支撑部门等。网友评价：“平常看大家安安静静地都在工位上，暗地里却是个Rapper，太卷了！”

“新发展理念，创新是第一位的。”自主创新，也是习近平总书记给光谷、给武汉、给湖北布置的“重点课题”。

5月29日，湖北省委召开发布会公布数据：2021年，全省规上工业战略性新兴产业实现营业收入10964.3亿元，高新技术产业增加值达到10196.5亿元，均为首次突破万亿元大关。东湖高新区成为全省优质企业聚集地，拥有4300家国家级高新技术企业，在全省占比近三成。

坚持以创新驱动发展，当前，以湖北东湖科学城为核心，光谷科技创新大走廊建设加快推进。

全球创新指数，武汉再进位。不久前，世界知识产权组织发布2021年全球创新指数，武汉排名连续4年上升，位列世界城市集群第25位，城市发展含“新”量不断递增。

本报武汉6月12日电

中青报·中青网记者 朱娟娟 通讯员 凃燕 来源：中国青年报

责任编辑：

来源：中国青年报

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