光通信的最強(qiáng)進(jìn)階科普1

眾所周知，我們現(xiàn)在的整個通信網(wǎng)絡(luò)，對于光通信技術(shù)有著極大的依賴。我們的骨干網(wǎng)、光纖寬帶以及5G，都離不開光通信技術(shù)的支撐。

所謂光通信，就是利用光信號攜帶信息，在光纖中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。

光波是電磁波的一種，所以，光信號也符合電磁波的物理特性。

想要提升光通信的信息傳輸量，基本上分為以下三種思路：

第一個思路：提升信號的波特率。

波特率（Baud），準(zhǔn)確來說就叫波特，叫波特率只是口語習(xí)慣。它的定義是：單位時間內(nèi)傳送的碼元符號（Symbol）的個數(shù)。

波特率很容易理解，我每秒傳輸?shù)姆栐蕉啵?dāng)然信息量就越大。

目前，隨著芯片處理技術(shù)從16nm提高到7nm和5nm，光學(xué)器件和光電轉(zhuǎn)換器件的波特率也從30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud，甚至120+Gbaud。

然而，波特率并不是無限大的。越往上，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度越高。高波特率器件，會帶來一系列系統(tǒng)性能損傷問題，需要更先進(jìn)的算法和硬件進(jìn)行補(bǔ)償。

大家需要注意，波特率并不是比特率（傳輸速率）。

對于二進(jìn)制信號，0和1，1個符號就是1比特（bit）。那么，每秒的符號數(shù)（波特率）就等于每秒的比特?cái)?shù)（比特率，bit/s）。對于四進(jìn)制信號，1個符號可以表達(dá)2比特，每秒的符號數(shù)×2=每秒的比特?cái)?shù)。

四進(jìn)制，相同的波特率，比特率翻倍（信息量翻倍）

所以說，為了提升每秒的比特?cái)?shù)（信息傳輸速率），我們需要一個符號能盡量表達(dá)更多的比特。怎么做到呢？我們待會再說。

第二個思路：采用更多的光纖數(shù)或通道數(shù)。

用更多的光纖，這個思路很容易粗暴。光纖數(shù)量越多，相當(dāng)于單車道變雙車道、四車道、八車道，當(dāng)然傳輸信息量會翻倍。

但是，這種方式涉及到投資成本。而且，光纖數(shù)太多，安裝也會很麻煩。

在一根光纖里，建立多個信道，這是個更好的辦法。

信道數(shù)可以是空間信道，也可以是頻率信道。

空間信道包括模式（單模/多模）、纖芯（多纖芯的光纖）、偏振（待會會講）。

頻率信道的話，這就要提到WDM（波分復(fù)用技術(shù)）。它把不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，放在不同波長的光載波信號中，在一根光纖中傳送。

WDM波分復(fù)用

波長×頻率=光速（恒定值），所以波分復(fù)用其實(shí)就是頻分復(fù)用

WDM同樣也不是無限波數(shù)的。每個波長都必須在指定的波長范圍內(nèi)，而且相互之間還要有保護(hù)間隔，不然容易“撞車”。

目前行業(yè)正在努力將光通信的頻段拓展到“C+L”頻段（詳情：鏈接），可以實(shí)現(xiàn)192個波長，頻譜帶寬接近9.6THz。如果單波400G，那就是192×400G=76.8Tbps的傳輸速率。

第三個思路，也是我們今天要重點(diǎn)介紹的思路—— 高階調(diào)制 。

也就是說，采用更高級的調(diào)制技術(shù)，提升單個符號所能代表的比特（對應(yīng)第一個思路），進(jìn)而提升比特率。

對于調(diào)制，大家一定不會陌生。我們經(jīng)常聽說的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是調(diào)制技術(shù)。

以前我給大家講電通信和移動通信的時候，提到過：想讓電磁波符號表達(dá)不同的信息，無非就是對電磁波的幾個物理維度進(jìn)行調(diào)整。

大家比較熟悉的物理維度，是幅度、頻率、相位。

光波也是電磁波，所以，對光波進(jìn)行調(diào)制，思路基本是一樣的。

光纖通信系統(tǒng)，主要有6個物理維度可供復(fù)用，即：頻率（波長）、幅度、相位、時間（OTDM）、空間（空分復(fù)用）、偏振（PDM）。

**█ **幅度調(diào)制

頻率復(fù)用其實(shí)就是WDM波分復(fù)用，剛才已經(jīng)介紹過了。接下來，我們看看 幅度調(diào)制 。

在早期的光通信系統(tǒng)里，我們采用的是 直接調(diào)制 （DML，Direct Modulation Laser）。它就屬于強(qiáng)度（幅度）調(diào)制。

在直接調(diào)制中，電信號直接用開關(guān)鍵控（OOK，On-Off Keying）方式，調(diào)制激光器的強(qiáng)度（幅度）。

這個和我們的航海信號燈有點(diǎn)像。亮的時候是1，暗的時候是0，一個符號一個比特，簡單明了。

直接調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是采用單一器件，成本低廉，附件損耗小。但是，它的缺點(diǎn)也很多。它的調(diào)制頻率受限（與激光器馳豫振蕩有關(guān)），會產(chǎn)生強(qiáng)的頻率啁啾，限制傳輸距離。直接調(diào)制激光器可能出現(xiàn)的線性調(diào)頻，使輸出線寬增大，色散引入脈沖展寬，使信道能量損失，并產(chǎn)生對鄰近信道的串?dāng)_（看不懂就跳過吧）。

所以，后來出現(xiàn)了 外調(diào)制 （EML，External Modulation Laser）。

在外調(diào)制中，調(diào)制器作用于激光器外的調(diào)制器上，借助電光、熱光或聲光等物理效應(yīng)，使激光器發(fā)射的激光束的光參量發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

如下圖所示：

外調(diào)制常用的方式有兩種。

一種是 EA電吸收調(diào)制 。將調(diào)制器與激光器集成到一起，激光器恒定光強(qiáng)的光，送到EA調(diào)制器，EA調(diào)制器等同于一個門，門開的大小由電壓控制。通過改變電場的大小，可以調(diào)整對光信號的吸收率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

還有一種，是MZ調(diào)制器，也就是 Mach-Zehnder馬赫-曾德爾調(diào)制器 。

在MZ調(diào)制器中，輸入的激光被分成兩路。通過改變施加在MZ調(diào)制器上的偏置電壓，兩路光之間的相位差發(fā)生變化，再在調(diào)制器輸出端疊加在一起。

電壓是如何產(chǎn)生相位差的呢？

基于電光效應(yīng)——某些晶體(如鈮酸鋰)的折射率n，會隨著局部電場強(qiáng)度變化而變化。

如下圖所示，雙臂就是雙路徑，一個是Modulated path（調(diào)制路徑），一個是Unmodulated path（非調(diào)制路徑）。

當(dāng)作用在調(diào)制路徑上的電壓變化時，這個臂上的折射率n發(fā)生了變化。光在介質(zhì)中的傳播速率v=c/n（光在真空中的速率除以折射率），所以，光傳播的速率v發(fā)生變化。

兩條路徑長度是一樣的，有人先到，有人后到，所以，就出現(xiàn)了相位的差異。

如果兩路光的相位差是0度，那么相加以后，振幅就是1+1=2。

如果兩路光的相位差是90度，那么相加以后，振幅就是2的平方根。

如果兩路光的相位差是180度，那么相加以后，振幅就是1-1=0。

大家應(yīng)該也想到了，其實(shí)MZ調(diào)制器就是基于雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，和水波干涉原理一樣的。

峰峰疊加，峰谷抵消