电光调制与声光调制原理和应用领域

调制种类和各种调制原理

将传输的信息加载于激光辐射的过程称为激光调制。光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。光调制可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率和波长调制。下面将分别介绍各种调制的原理和方法。

光强度调制

光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，这样，就可采用交流选频放大器放大，然后把待测的量连续测量出来。

光相位调制

利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量的原理称为光相位调制。光波的相位由光传播的物理长度、传播介质的折射率及其分布等参数决定，也就是说改变上述参量即可产生光波相位的变化，实现相位调制。

光偏振调制

利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为 I=I0cos2α，式中I0为两偏振器主平面一致时所通过的光强；α为两偏振器主平面间的夹角。

频率和波长调制

利用外界因素改变光的频率或光的波长，通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长调制。

电光调制

利用电光效应实现的调制叫电光调制。电光调制的物理基础是电光效应，即是某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。调制晶体是电光调制器的核心部件，它按一定的方向加工成圆柱体或长方形体状。

电光调制器利用电光效应工作的光调制器，将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置称为调制器，其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号，电光调制属于外调制，即在激光器外的光路中进行调制。目前光通讯领域所用的电光调制器大多是铌酸锂材料做得光波导强度调制器。

电光调制的分类

电光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及强度调制等。

• 振幅调制：就是使载波的振幅随着调制信号的规律而变化的震荡，简称调幅；

• 调频和调相：频率调制和相位调制，就是光载波的频率或者相位随着调制信号的变化规律而改变的震荡，因为这两种调制波都表现为总相角ψ(τ)的变化，因此统称为角度调制。

• 强度调制：就是光载波的强度（光强）随调制信号规律而变化的激光震荡。

激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器（探测器）一般都是直接的响应其所接收的光强度变化的缘故。

图1是典型的电光强度调制器示意图，电光晶体(例如KDP晶体)放在一对正交偏振器之间，对晶体实行纵向运用，则加电场后的晶体感应主轴x1′、x2′方向，相对晶轴x1、x2方向旋转45°，并与起偏器的偏振轴P1成45°夹角。

图1纵向电光强度调制器示意图（电光晶体KDP）

通过计算得到检偏器输出的光强I与通过起偏器输入的光强I0之比为

当光路中未插入1/4波片时，上式的j即是电光晶体的电光延迟。且

所以 称 为光强透过率(%)， 它随外加电压的变化如图2所示 I0

图2光强透过率随外加电压变化图

如果外加电压是正弦信号

则透过率为

该式说明，一般的输出调制信号不是正弦信号，它们发生了畸变，如图2中曲线 3所示。如果在光路中插入1/4波片，则光通过调制器后的总相位差是(π/2+φ)，因此有

é2

工作点由O移到A点。在弱信号调制时，，上式可近似表示为

可见，当插入1/4波片后，一个小的正弦调制电压将引起透射光强在50%透射点附近作正弦变化，如图2中的曲线4所示。 从而实现了输出调制信号相对于输入信号的线性响应。

声光调制

声光调制的物理基础是声光效应，声光效应是指光波在介质中传播时，被超生波场衍射或散射的现象。介质的折射率周期变化形成折射率光栅时，光波在介质中传播就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化。声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程，调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电-声换能器上，将相应的电信号转化成超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。声光调制器是由声光介质，电-声换能器，吸声（或反射）装置及驱动电源等组成。

超声波是一种弹性波，当它通过介质时，介质中的各点将出现随时间和空间周期性变化的弹性应变。由于弹光效应，介质中各点的折射率也会产生相应的疏密周期性变化。这样声光介质在超声波的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射，这就是声光效应。衍射光的强度、频率和方向将随超声波而变化。声光调制器就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。

声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式，行波所形成的声光栅其栅面是在空间移动的。介质折射率的增大和减小是交替变化的，并且以超声波的速度向前推进。介质中折射率的变化如图3所示，在声光介质中，两列相向而行的超声波（其波长、相位和振幅均相同）产生叠加，在空间将形成超声驻波。声驻波形成的声光栅在空间是固定的。声波在一个周期T内，介质将两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期（T/2）在波腹处变化一次，即由极大值变为极小值，或由极小值变为极大值，在两次变化的某一瞬间介质各部分折射率相同，相当于一个不受超声场作用的均匀介质。

图3介质中折射率随超声波的变化图

按照超声波频率的高低和介质中声光相互作用长度的不同，由声光效应产生的衍射有两种常用的极端情况：拉曼—奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射。衡量这两类衍射的参量是

式中，L是声光相互作用长度；λ是通过声光介质的光波长； λs是超声波长。当Q≤0.3时，为拉曼—奈斯衍射。当Q≥4π时，为布拉格衍射。而在0.3<Q<4π的中间区内，衍射现象较为复杂，通常的声光器件均不工作在这个范围内。

1.拉曼－奈斯衍射

在超声波频率较低，且声光介质的厚度L又比较小的情况下，当激光垂直于超声场的传播方向入射到声光介质中时，将产生明显的拉曼－奈斯声光衍射现象，如图4所示。在这种情况下，超声光栅类似于平面光栅，当光通过时，将产生多级衍射，而且各级衍射的极大值对称分布在零级条纹的两侧，其强度依次递减。

图4拉曼－奈斯衍射图

假设频率为Ω的超声波是沿x1方向传播的平面纵波，波矢为Ks，则如图4所示，在介质中将引起正弦形式的弹性应变 相应地将引起折射率椭球的变化，声光介质在超声波作用下，折射率沿x1方向出现了正弦形式的增量，因而声光介质沿x1方向的折射率分布为

如果光通过这种折射率发生了变化的介质， 就会产生衍射。 根据理论分析，各级衍射光的衍射角θ满足如下关系：

相应于第m级衍射的极值光强为 式中，Ii是入射光强，

V=2Π(∆n)Mλ表示光通过声光介质后， 由于折射率变化引起的附加相移，Jm(V)

是第m阶贝塞尔函数， 由于 所以，在零级透射光两边，同级衍射光强相等，这种各级衍射光强的对称分布是拉曼－奈斯型衍射的主要特征之一。相应各级衍射光的频率为ω+mΩ，即衍射光相对入射光有一个多普勒频移。 超声驻波的情况

在光电子技术的实际应用中，声光介质中的超声波可能是一个声驻波，在这种情况下，介质中沿x1方向的折射率分布为 n(x1,t)=n0+(Δn)MsinΩtsin Ksx1 光通过这种声光介质时，其衍射极大的方位角θ仍满足

λssinθ=mλ m=0, ±1, …

各级衍射光强将随时间变化，正比于J2m(VsinΩt)，以2Ω的频率被调制。这一点是容易理解的:因为声驻波使得声光介质内各点折射率增量在半个声波周期内均要同步地由“+”变到“-”， 或由“-”变到“+”一次， 故在其越过零点的一瞬间， 各点的折射率增量均为零，此时各点的折射率相等， 介质变为无声场作用情况， 相应的非零级衍射光强必为零。此外，理论分析指出，在声驻波的情况下，零级和偶数级衍射光束中， 同时有频率为ω,ω±2Ω，ω±4Ω，… 的频率成分;在奇数级衍射光束中，则同时有频率为ω±Ω,ω±3Ω，… 的频率成分。

2 ．布拉格衍射

在实际应用的声光器件中，经常采用布拉格衍射方式工作。 布拉格衍射是在超声波频率较高，声光作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。 这种衍射工作方式的显著特点是衍射光强分布不对称，而且只有零级和+1或-1级衍射光，如果恰当地选择参量，并且超声功率足够强，可以使入射光的能量几乎全部转移到零级或1级衍射极值方向上。 因此， 利用这种衍射方式制作的声光器件，工作效率很高。

图5布拉格衍射图

布拉格衍射光强

由光的电磁理论可以证明，对于频率为ω的入射光， 其布拉格衍射的±1级衍射光的频率为ω±Ω， 相应的零级和1级衍射光强分别为

ø

式中，V是光通过声光介质后，由折射率变化引起的附加相移。 可见，当V/2=π／2I0=0,I1=Ii。这表明，通过适当地控制入射超声功率可以将入射光功率全部转变为1级衍射光功率。根据这一突出特点，可以制作出转换效率很高的声光器件。

电光调制器EOM种类

电光调制器有很多种，根据不同的标准可以分成不同的类别：

• 根据电极结构不同，EOM可以分为集总参数调制器和行波调制器；

• 根据波导结构不同，EOM可以分为Mach-Zehnder干涉式强度调制器和定向耦合式强度调制器；

• 根据通光方向与电场方向的关系，EOM可以分为纵向调制器和横向调制器。纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定（与偏振无关），不存在自然双折射的影响等优点，其缺点是半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大；KDP晶体横向电光调制的主要缺点是存在自然双折射引起的相位延迟，可采用“组合调制器”的结构予以补偿。

LN电光波导相位调制器结构示意图

M-Z干涉仪波导调制器结构示意图

定向耦合式强度调制器结构示意图

声光与电光技术的应用

一、声光技术的应用

1 、声光技术在信号处理中的应用

随着微电子技术的发展，要求信号处理系统具有实时并行处理的能力。数字信号处理技术虽然发展迅速，但在实现并行处理方面也受到一定的局限性。而唯有光学系统具有高度的并行处理能力和特有的宽带性能。因此本质上就具有并行处理能力的光学和具有高效率换能器的结合——声光器件就显示出了巨大的优势，声光器件能够在高密度的信号环境中实现多通道瞬时并行快速处理，并越来越多地应用的军事领域，如敌方信号的无源拦截与分析，雷达信号处理，扩频通信和数据传输等领域。

声光信号在信号处理中的应用分为两大类，即在频域和时域中的应用。声光信号处理在频域领域通过频谱分析和傅立叶变换来实现。在时域里通过信号的卷积和相关来实现。

2 、声光技术在光计算领域的应用

早在上一世纪60年代，人们就开展了光计算的探索研究。由于受到科学技术发展水平的制约，在研究光计算元器件方面并没有明显的进展。随着模拟声光信号处理的成功，以及声光器件本身的并行处理能力，同时还具有大的时间带宽积等特点，因此利用声光器件就有可能实现对信号的并行快速处理能力。因此适合用于各种声光代数处理器，以及各种新型声光逻辑元件。

由于声光布拉格衍射光的强度为输入光强度与衍射效率之积，因此可以利用声光器件实现乘法运算。把其中的一个乘数的电信号加入到声光压电换能器上，于是在声光介质中就会产生一个可动的声学衍射光栅，其衍射效率正比于驱动信号强度，而代表另一乘数的电信号则用来调制光源，则光源输出光强度正比于该乘数。当光束按布拉格角入射到声光池时，就与声光发生互作用，产生衍射光。此衍射光的强度正比于入射光强度与衍射效率之积，因此它代表了了个乘数之积。若采用多路声光器件和多路激光输入，则可同时完成多路乘法，因此，利用声光布拉格池作为信号处理器，在本质上具有并行处理和流水线的特点，具有高速并行处理能力。其缺点是输出的可分辨点数受到声光布拉格池的时间带宽积的限制。

利用声光布拉格池可以实现矩阵-矢量乘法，矩阵-矩阵乘法，三重矩阵积，求矩阵本征值等基本代数运算。可以用来求解线性方程组和微分方程等。人们已经提出了各种不同的代数处理器，如：

• 单换能器声光矩阵乘法器

• 多换能器声光矩阵乘法器。

• 数字声光精密矩阵乘法器。

• 系数声光乘法器

• 用于求解线性代数方程组的并行声光脉动处理器

• 用于求解三角线性代数方程组的并行声光脉动处理器。

3 、声光技术在军事领域的应用

声光器件在军事上也有广泛应用，利用声光技术制作的雷达波谱分析器，可以使外来的雷达信号与本机内半导体激光器产生的振荡信号经混频，放大后，驱动声光调制器，产生超声波，当外来信号变化时，超声波长也变化，衍射光的角度也变化，反映在二极管列阵上，从而识别敌方雷达信号。同时，各种新型结构的声光器件，如时间积分以及混合时间、空间、频率多路复用的声光相关器的出现，大大拓展了声光相关器的能力及灵活性。

4 、声光技术在其他领域的应用

随着激光技术、光通信技术、光学传感等利用激光技术进行测量技术的飞速发展，声光器件在上述领域的应用越来越广泛。

声光器件在激光领域的应用主要是利用声光作用对激光束的调制和偏转控制来实现激光束的快扫描。声光器件具有无机械振动，高速和寿命长的特点，缺点是没有电光器件调制速度快。但声光器件具有温度稳定性高，消光比大等优点。因此声光器件广泛应用于激光记录，测量和显示等领域。如激光大屏幕显示，激光传真，激光打印等，此外在激光技术中还利用声光器件调Q，锁模作用来实现激光的调Q及锁模，以获得高功率的超短脉冲。

在光通讯和光纤传感技术中，主要利用声光器件的移频作用实现相干光通讯和干涉性光纤传感，是光线陀螺等高灵敏度，高精度光纤传感器中的关键器件。其突出的优点是把声光互作用和光纤相结合，做成光纤声光器件。

近年来，声光器件以其性能优越、品种繁多，逐步形成是具有突出特点的新型光电子器件。其中，声光调制器、Q开关、锁模器、移频器、偏转器、可调滤光器、超声流量计等在不同领域得到快速发展和广泛应用。其中根据报道，利用声光技术的新型激光精密照排机，使照排速度更快，照排精度更高，操作功能更强，在印刷排版业有良好的应用前景。

二、电光技术的应用

利用电光效应对光束进行调制的过程称为电光调制，电光调制技术的在二十世纪六十年代，人们已经利用电光效应进行光束调制和偏转，现以在光扫描、光存储、光显示等领域中有广泛的应用。

1 、电光调制在光通信中的应用

通信系统是将用户的信息(例如语言、图像和数据等) 利用电光调制到载送信息的载波上，然后经传播介质将载有信息的载波传送到接收方，接收方再用解调的手段，从载有信息的载波中将接收方所需的用户信息取出。光通信是以光作为载波，以大气或光纤作为传输介质，通过调制使用户信息加载于光波上，接收方由光接收器鉴别并还原成原来的信息。同声光调制一样，电光调制属于外调制。

激光器发射出去的光束是一种不载有任何信息的连续光波，这种光波经过电光调制器，可以使一个随时间变化的电信号转换成光信号，经大气或光纤传至光接收机。由于外调制方法不需要使用半导体器件组成的驱动电路，其调制速率不受器件工作速率的限制，因此，调制速率比内调制的调制速率要高出一个数量级，对光源的影响也小。而且采用外调制方法有利于使用集成光路技术制造集成光发射机，在未来的高速率、大容量的光纤通信中具有广阔的发展前景。

电光调制方法的优点

在于：时间响应快，反应灵敏，可做高速电光开关；除光源和电源外，其它部分可集中装在一个小盒里，尺寸较小。但工作电压过大，对器件性能参数要求较高，在一定程度上限制了它的应用范围。

2 、电光调制在激光调Q中的应用

激光调Q是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个量级。这种强的相干辐射光与物质相互作用，会产生一系列具有重大意义的新现象和新技术，是进行科学研究以及激光测距、激光雷达、高速全息照相等应用技术的重要光源。

利用晶体的电光效应，可以做成电光Q开关调制器，其工作过程为：YAG晶体在氙灯的光泵下发射自然光，通过偏振器后，变成沿X方向的线偏振光，若电光晶体上未加调制电压，光沿轴线方向(光轴) 通过晶体，其偏振状态不发生变化，经全反射镜反射后，再次通过调制晶体和偏振器。电光Q开关处于“打开”状态。如果在调制晶体上施加π/4电压，由于电光效应，沿X方向的线偏振光通过调制晶体后，两分量之间便产生π/2的相位差，经全反射镜反射再次通过调制晶体，又会产生π/2的相位差，往返一次共产生π相位差，合成后得到沿Y方向的线偏振光，无法通过偏振器，电光Q关处于“关闭”状态。因此，如果在氙灯刚开始点燃时，事先在调制晶体上加上λ/ 4 电压，使谐振腔处于“关闭”的低Q值状态，阻断激光振荡的形成。等到激光上能级反转的粒子数累积到最大值时，突然撤掉晶体上的λ/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。电光调Q具有开关时间短(约10-9s)，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄(10～20 ns) ，峰值功率高(几十MW以上)等优点，是目前应用较广的一种调Q技术。

3 、电光调制在激光测距中的应用

常用的激光测距可分为连续波激光测距和脉冲激光测距两种。He-Ne激光器发出的连续光，经过电光调制器，其光强度受到调制，它的两个峰值之间的间隔，正好是电振荡的半个波长。调制光射向设置有反射镜的目标，反射回来的光被专门的接收器所接收，测出在此路程中有多少个半波长及其余数，即可得出目标的距离。脉冲激光测距则是利用经过电光调Q的激光器对目标发射一个或一系列很窄的光脉冲，测量光脉冲到达目标再由目标返回接收机的时间，由此计算出目标的距离。连续波激光测距发射功率低，测距大多数用于合作目标。脉冲激光测距发射功率高，测距能力强，精度高，目前军用的大部分都是脉冲激光测距仪。主要用于地形测量、战场前沿测距，坦克及火炮的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。

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

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