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
转载内容仅代表作者观点
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来源：鲜枣课堂
编辑：云开叶落
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2023年成为400G干线传输系统商用元年 ，启动一个新的速率代际。近几年，中国电信、中国移动、中国联通三大运营商围绕400G开展了多场景实验室测试和现网试点，主要有16QAM、16QAM-PCS、QPSK 三种调制技术，具有不同的频谱效率和传输距离。QPSK的波特率约为130GBaud，是骨干网络部署较理想的选择，能有效减少电中继，从而降低成本和能耗，是业界公认的引领骨干传输网的下一个大的技术代际。中国移动于11月初率先启动了最高限价约36.3亿元、400G端口数量超万个的省际骨干传送网400G OTN新技术试验网设备集中采购项目，开启了在全球规模部署400G超长距传输系统的序幕。伴随着400G商用，C+L波段扩展也逐步趋于成熟，C6T+L6T的干线应用也逐步提上议事日程，放大器的C波段6THz EDFA已经商用，L波段EDFA基本满足商用要求，性能还有进一步优化的空间。其他核心器件如C和L波段的ITLA/AWG/WSS/OSC/OPM等器件已无技术障碍，逐步趋于成熟，但是“C+L”一体化方案仍面临挑战，一体化器件的全部成熟还需一段时间。面向未来，国内运营商会结合各自的业务情况、网络发展规划和和技术发展路线，逐步向400G演进过渡，干线层面400G QPSK C6T+L6T 已经形成基本共识，但400G中短距存在不同应用场景，需要综合考虑频谱效率、传输性能和低成本部署等多方因素。可以预见，未来几年，围绕400G的技术方案、应用策略和实际部署都会是业界关注的重点。在光接入领域 50G PON和FTTR成为宽带光接入聚焦点。截至2023年，华为、中兴、烽火等企业均已发布了单波长50G PON样机，三大运营商也已完成50G Combo PON、对称50G PON、50G PON工业应用等不同场景下现网试验，50G PON的行业标准相继发布，国际标准也在稳步推进过程中，预计2025年50G PON将在我国开始规模商用，将推动我国泛在万兆全光接入的应用步伐。在家庭光网方面，FTTR总体架构、物理层、数据链路层国际技术标准在ITU-T陆续获得通过，确定了高速光纤用户驻地收发器的系统架构，定义了FTTR的波长和光链路预算、物理层和链路层成帧和交互协议等。截至目前，国内FTTR出货量已经超过1000万套，用户增速迅猛。在光器件领域 光电合封（CPO）、线性驱动（LPO）等可实现能耗效率优化及时延降低的技术成为业界研究热点。具体来看，博通、思科、英伟达、新华三、锐捷、熹联光芯、腾讯等相继发布CPO样机或开展合作预研；光迅、海信、索尔思、华工正源、剑桥、迅特、Macom、Semtech等纷纷推出LPO相关样品，但在光电性能、交换机适配、测试方法等方面仍存在尚未解决的问题。标准化方面，OIF已发布3.2T CPO和外置光源实施协议，并正在开展线性112G电接口规范制定；IPEC开展了800G LPO光模块异厂家互通、以及与交换机的兼容性等测试，并准备发布LPO研究报告；CCSA已完成CPO相关研究课题，正在讨论LPO相关立项，进一步推动技术产业发展。在推动产业应用 方面 ，中国信通院组织举办第二届“光华杯”千兆光网应用创新大赛，征集千兆光网典型应用超过1万7千个，在全国范围内选树优秀应用标杆示范，掀起千兆光网应用热潮。深入开展追光计划-工业领航等行动，分阶段、分类型、分应用场景，逐步打造“全光工厂”，研究发布建设标准；指导发布千兆光网垂直行业产业链名录信息，牵引推动全环节产业链发展；研究发布工业制造企业千兆光网建设指南，分工业门类和细分行业指导制造业光网升级和应用赋能。针对中小微企业，研究发布千兆光网部署应用解决方案，推进示范推广，支撑数字化转型。通过指导产业链和垂直行业协同推进，推动千兆光网应用覆盖辐射超过80%的国民经济大类。 展望2024：呈多元化融合创新演进趋势 面向2024年，超高速率、超大容量、智能化管控，并且适配多应用场景仍是未来高速光通信的整体发展趋势，此外，光传感、光计算等光信息处理技术快速发展，将逐步与光通信等领域交叉融合，呈现多元化融合创新演进趋势。在传送网、光模块器件及信息处理领域 ，2024年，800G/1.6T光传输系统和模块器件将持续为行业的重要关注点，同时集成化、大容量、低能耗也是光传输系统及模块器件的重要发展趋势；“C+L”波段系统相关的光放、器件和系统仍有进一步优化空间；空分复用是光纤突破Pbps容量的可期路径，国内还需加大产业化研究和可行性应用试验；空芯光纤研究热点持续；智能化、确定性、数字孪生等技术持续与光网络融合发展；CPO/LPO、以及可能新出现的其他XPO等延续竞争发展；通感一体、光计算与光互联等关键技术有待加速突破。在接入网领域 ，50G PON和FTTR为实现端到端万兆全光接入提供了理想的解决方案。2024年，50G PON将进一步深化应用场景，扩大试点范围，在光网发展领先地区率先实现50G PON的小规模部署，逐步推动万兆城市的建设。随着FTTR标准正式发布，家庭场景下将由目前1.25G/2.5G非对称FTTR逐步转向2.5G对称速率的FTTR的部署，更好的匹配家庭东西向业务流量的承载，面向小微企业的10G速率FTTR预计也将迎来规模应用。END作者：中国信息通信研究院技术与标准研究所所长
张海懿
责编/版式：盖贝贝
审核：舒文琼监制：刘启诚相关问答
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