眾所周知，我們現在的整個通信網絡，對于光通信技術有著極大的依賴。我們的骨干網、光纖寬帶以及 5G，都離不開光通信技術的支撐。
所謂光通信，就是利用光信號攜帶信息，在光纖中進行數據傳輸的技術。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），準確來說就叫波特，叫波特率只是口語習慣。它的定義是：單位時間內傳送的碼元符號（Symbol）的個數。波特率很容易理解，我每秒傳輸的符號越多，當然信息量就越大。目前，隨著芯片處理技術從 16nm 提高到 7nm 和 5nm，光學器件和光電轉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，技術實現難度越高。高波特率器件，會帶來一系列系統性能損傷問題，需要更先進的算法和硬件進行補償。
大家需要注意，波特率并不是比特率（傳輸速率）。
對于二進制信號，0 和 1，1 個符號就是 1 比特（bit）。那么，每秒的符號數（波特率）就等于每秒的比特數（比特率，bit / s）。對于四進制信號，1 個符號可以表達 2 比特，每秒的符號數 ×2 = 每秒的比特數。
四進制，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數（信息傳輸速率），我們需要一個符號能盡量表達更多的比特。怎么做到呢？我們待會再說。
第二個思路：采用更多的光纖數或通道數。
用更多的光纖，這個思路很容易粗暴。光纖數量越多，相當于單車道變雙車道、四車道、八車道，當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（波分復用技術）。它把不同的業(yè)務數據，放在不同波長的光載波信號中，在一根光纖中傳送。
▲ WDM 波分復用，波長 × 頻率 = 光速（恒定值），所以波分復用其實就是頻分復用
WDM 同樣也不是無限波數的。每個波長都必須在指定的波長范圍內，而且相互之間還要有保護間隔，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），可以實現 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介紹的思路 —— 高階調制。
也就是說，采用更高級的調制技術，提升單個符號所能代表的比特（對應第一個思路），進而提升比特率。對于調制，大家一定不會陌生。我們經常聽說的 PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是調制技術。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不同的信息，無非就是對電磁波的幾個物理維度進行調整。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，對光波進行調制，思路基本是一樣的。光纖通信系統，主要有 6 個物理維度可供復用，即：頻率（波長）、幅度、相位、時間（OTDM）、空間（空分復用）、偏振（PDM）。
幅度調制
頻率復用其實就是 WDM 波分復用，剛才已經介紹過了。接下來，我們看看幅度調制。
在早期的光通信系統里，我們采用的是直接調制（DML，Direct Modulation Laser）。它就屬于強度（幅度）調制。在直接調制中，電信號直接用開關鍵控（OOK，On-Off Keying）方式，調制激光器的強度（幅度）。
這個和我們的航海信號燈有點像。亮的時候是 1，暗的時候是 0，一個符號一個比特，簡單明了。
直接調制的優(yōu)點是采用單一器件，成本低廉，附件損耗小。但是，它的缺點也很多。它的調制頻率受限（與激光器馳豫振蕩有關），會產生強的頻率啁啾，限制傳輸距離。直接調制激光器可能出現的線性調頻，使輸出線寬增大，色散引入脈沖展寬，使信道能量損失，并產生對鄰近信道的串擾（看不懂就跳過吧）。
所以，后來出現了外調制（EML，External Modulation Laser）。在外調制中，調制器作用于激光器外的調制器上，借助電光、熱光或聲光等物理效應，使激光器發(fā)射的激光束的光參量發(fā)生變化，從而實現調制。如下圖所示：
外調制常用的方式有兩種。
一種是 EA 電吸收調制。將調制器與激光器集成到一起，激光器恒定光強的光，送到 EA 調制器，EA 調制器等同于一個門，門開的大小由電壓控制。通過改變電場的大小，可以調整對光信號的吸收率，進而實現調制。
還有一種，是 MZ 調制器，也就是 Mach-Zehnder 馬赫-曾德爾調制器。在 MZ 調制器中，輸入的激光被分成兩路。通過改變施加在 MZ 調制器上的偏置電壓，兩路光之間的相位差發(fā)生變化，再在調制器輸出端疊加在一起。
電壓是如何產生相位差的呢？
基于電光效應 —— 某些晶體 (如鈮酸鋰) 的折射率 n，會隨著局部電場強度變化而變化。如下圖所示，雙臂就是雙路徑，一個是 Modulated path（調制路徑），一個是 Unmodulated path（非調制路徑）。
當作用在調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。
大家應該也想到了，其實 MZ 調制器就是基于雙縫干涉實驗，和水波干涉原理一樣的。
▲ 峰峰疊加，峰谷抵消
光相位調制
接下來，我們講講光相位調制。（敲黑板，這部分可是重點！）其實剛才我們已經講到了相位，不過那個是借助相位差產生幅度差，依舊屬于幅度調制。
首先，我們回憶一下高中（初中？）的數學知識 —— 虛數和三角函數。在數學中，虛數就是形如 a+b*i 的數。實部 a 可對應平面上的橫軸，虛部 b 與對應平面上的縱軸，這樣虛數 a+b*i 可與平面內的點 (a,b) 對應。
大家應該還記得，坐標軸其實是可以和波形相對應的，如下：
波形，其實又可以用三角函數來表示，例如：
多么優(yōu)美，多么妖嬈~
X = A * sin（ωt+φ）= A * sinθ
Y = A * cos（ωt+φ）= A * cosθ
ω 是角速度，ω=2πf，f 是頻率。
φ 是初相位，上圖為 0°。
還記得不？把 A 看出幅度，把 θ 看成相位，就是電磁波的波形。
θ=0°，sinθ=0
θ=90°，sinθ=1
θ=180°，sinθ=0
θ=270°，sinθ=-1
好了，基礎知識復習完畢，現在進入正文。
首先，我們介紹一下，星座圖。
其實剛才介紹 MZ 調制器相位變化的時候，已經看到了星座圖的影子。下面這幾張圖圖，都屬于星座圖。圖中的黑色小點，就是星座點。
大家會發(fā)現，星座圖和我們非常熟悉的縱橫坐標系很像。是的，星座圖里的星座點，其實就是振幅 E 和相位Ф的一對組合。
就要提出 I / Q 調制（不是智商調制）。
I，為 in-phase，同相或實部。Q，為 quadrature phase，正交相位或虛部。所謂正交，就是相對參考信號相位有-90 度差的載波。
我們繼續(xù)來看。
在星座圖上，如果幅度不變，用兩個不同的相位 0 和 180°，表示 1 和 0，可以傳遞 2 種符號，就是 BPSK（Binary Phase Shift Keying，二進制相移鍵控）。
▲ BPSK
BPSK 是最簡單最基礎的 PSK，非常穩(wěn)，不容易出錯，抗干擾能力強。但是，它一個符號只能傳送 1 個比特，效率太低。
于是，我們升級一下，搞個 QPSK（Quadrature PSK，正交相移鍵控）。
QPSK，是具有 4 個電平值的四進制相移鍵控（PSK）調制。它的頻帶利用率，是 BPSK 的 2 倍。
▲ 圖片來自是德科技
隨著進制的增加，雖然頻帶利用率提高，但也帶來了缺點 —— 各碼元之間的距離減小，不利于信號的恢復。特別是受到噪聲和干擾時，誤碼率會隨之增大。
為解決這個問題，我們不得不提高信號功率（即提高信號的信噪比，來避免誤碼率的增大），這就使功率利用率降低了。
有沒有辦法，可以兼顧頻帶利用率和各碼元之間的距離呢？
有的，這就引入了 QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調制）。
QAM 的特點，是各碼元之間不僅相位不同，幅度也不同。它屬于相位與幅度相結合的調制方式。
大家看下面這張動圖，就明白了：
Amp，振幅。Phase，相位。
其實，QPSK 就是電平數為 4 的 QAM。上圖是 16QAM，16 個符號，每個符號 4bit（0000，0001，0010 等）。
64QAM 的話，64 個符號（2 的 n 次方，n=6），每個符號 6bit（000000，000001，000010 等）。
QPSK 這種調制，到底是怎么搗鼓出來的呢？
我們可以看一個通過 MZ 調制器搗鼓 QPSK 的圖片：
▲ 圖片來自是德科技
在發(fā)射機中，電比特流被一個多路復用器分成信號的 I 和 Q 部分。這兩部分中的每一部分都直接調制 MZ 調制器一只臂上的激光信號的相位。另一個 MZ 調制器把較低的分支相移 π?2。兩個分支重組后，結果是一個 QPSK 信號。
高階 QAM 的調制難度更大。限于篇幅，下次我再專門給大家解釋。
此前介紹無線通信調制的時候，說過 5G 和 Wi-Fi 6 都在沖 1024QAM。那么，光通信是不是可以搞那么高階的 QAM 呢？
不瞞您說，還真有人這么干了。
前幾年，就有公司展示了基于先進的星系整形算法和奈奎斯特副載波技術的 1024QAM 調制，基于 66Gbaud 波特率，實現了 1.32Tbps 下的 400 公里傳輸，頻譜效率達到 9.35bit / s / Hz。
不過，這種高階調制仍屬于實驗室階段，沒有商用（也不知道有沒有可能商用）。目前實際應用的，好像沒有超過 256QAM。
高階 QAM 雖然帶來了傳輸速率的大幅提升，但對元器件性能要求很高，對芯片算力的要求也高。而且，如果信道噪聲或干擾太大，還是會出現剛才所說的高誤碼率問題。
▲ 1024QAM，密集恐懼癥的節(jié)奏
在相同的 30G + 波特率下，16QAM 的光信噪比（OSNR）比 QPSK 高出約 5dB。隨著星座中星座點個數的增加，16QAM 的 OSNR 將呈指數增長。
因此，16QAM 或更高階 QAM 的傳輸距離將被進一步限制。
為了進一步榨干光纖通信的帶寬潛力，廠商們祭出了新的大殺器，那就是 —— 相干光通信。下期，小棗君將詳細給大家介紹。
PAM4 和偏振復用
文章的最后，再說說兩個“翻倍”技術 ——PAM4 和 PDM 偏振多路復用。
先說 PAM4。
在 PAM4 之前，我們傳統使用的都是 NRZ。
NRZ，就是 Non-Return-to-Zero 的縮寫，字面意思叫做“不歸零”，也就是不歸零編碼。
采用 NRZ 編碼的信號，就是使用高、低兩種信號電平來表示傳輸信息的數字邏輯信號。
NRZ 有單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼。
單極性不歸零碼，“1”和“0”分別對應正電平和零電平，或負電平和零電平。
▲ 單極性不歸零碼
雙極性不歸零碼，“1”和“0”分別對應正電平和等效負電平。
▲ 雙極性不歸零碼
所謂“不歸零”，不是說沒有“0”，而是說每傳輸完一位數據，信號無需返回到零電平。（顯然，相比 RZ，NRZ 節(jié)約了帶寬。）
在光模塊調制里面，我們是用激光器的功率來控制 0 和 1 的。
簡單來說，就是發(fā)光，實際發(fā)射光功率大于某門限值，就是 1。小于某門限值，就是 0。
傳輸 011011 就是這樣：
▲ NRZ 調制
后來，正如前文所說，為了增加單位時間內傳輸的邏輯信息，就搞出了 PAM4。
PAM4，就是 4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四電平脈沖幅度調制。它是一種高級調制技術，采用 4 個不同的信號電平來進行信號傳輸。
還是傳輸 011011，就變成這樣：
▲ PAM4 調制
這樣一來，單個符號周期表示的邏輯信息，從 NRZ 的 1bit，變成了 2bit，翻了一倍。
▲ NRZ VS PAM4 （右邊是眼圖）
那么問題來了，如果 4 電平能夠翻一倍，為啥我們不搞個 8 電平、16 電平、32 電平？速度隨便翻倍，豈不爽歪歪？
答案是不行。
主要原因，還是在于激光器的技術工藝。實現 PAM4，需要激光器能夠做到對功率的精確控制。
如果工藝不 OK，搞更高位數電平，就會造成很高的誤碼率，無法正常工作。即便是 PAM4，如果信道噪聲太大，也是不能正常工作的。
什么是 PDM 偏振多路復用呢？
PDM 偏振多路復用，就是 Polarization Division Multiplexing。
不知道大家有沒有看過我之前寫過的關于天線的文章。天線里面，有一個雙極化的概念，在空間上，把電磁波“轉動”90 度，就可以實現兩個獨立的電磁波傳輸。
▲ 天線的雙極化
偏振復用的道理，其實也差不多。它利用光的偏振維度，在同一波長信道中，通過光的兩個相互正交偏振態(tài)，同時傳輸兩路獨立數據信息，以此達到提升系統總容量的目的。
它等于實現了雙通道傳輸，和 PAM4 一樣，翻了一倍。
▲ PDM 偏振復用，X 偏振和 Y 偏振，各自獨立，圖片來自是德科技
好啦，以上就是今天文章的全部內容，感謝大家的耐心觀看。