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。
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。
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，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。
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。
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。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。
接下来，我们讲讲光相位调制。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，波形，其实又可以用三角函数来表示。
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。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。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。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。
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。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。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。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。
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。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。
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。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。
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！