☑  為(wei) 什麽(me) 在骨幹網，長距傳(chuan) 輸上選擇了相幹光通信？

☑  了解相幹光通信之前所需的知識儲(chu) 備

☑  QPSK，QAM等複雜調製格式具體(ti) 實現的方式

在光通信行業(ye) 裏，我們(men) 經常聽到400G和100G傳(chuan) 輸，而相幹光通信和PAM4傳(chuan) 輸技術在數據中心及網絡基礎設施中是當下實現這兩(liang) 種速率的主要技術方向。按照這兩(liang) 種技術各自的優(you) 勢，它們(men) 分別在線路側(ce) 骨幹網傳(chuan) 輸和客戶側(ce) 模塊發揮著各自的優(you) 勢。PAM4傳(chuan) 輸技術之前小K普及過很多次了，那麽(me) 相幹又怎麽(me) 理解呢？

從(cong) 傳(chuan) 輸技術來看，有三個(ge) 維度可以用來增加傳(chuan) 輸的信息量：

更高符號速率 10 GBaud/s → 25 GBaud/s → 56G Baud/s……；

更多並行通道數  波分複用或者多路光纖1x → 4x → 8x → 32x……；

高階複雜調製 如 PAM-4，QPSK，16QAM，64QAM……

PAM4可以看作是一種高階幅度調製，在相同的符號速率下可以傳(chuan) 輸NRZ信號兩(liang) 倍的比特位數，而相幹光通信則利用光波的更多維度，偏振，幅度，相位和頻率來承載更多的調製信息，從(cong) 而擴充了傳(chuan) 輸容量。

首先采用複雜調製的相幹光通信節省了光帶寬資源，提升了光纖傳(chuan) 輸效率，是進一步提高傳(chuan) 輸帶寬的選擇。傳(chuan) 統概念上光纖的帶寬是不受限製的，然而隨著速率的提升和波分複用技術的實施，我們(men) 還是遇到了瓶頸。

左                                          右

左圖 可以看到隨著信號速率的提高，光信號的頻譜也在變寬。當符號率提升至40 GBaud甚至100 GBaud時，OOK（把一個(ge) 幅度取為(wei) 0，另一個(ge) 幅度為(wei) 非0，就是OOK，On-Off Keying，該調製方式的實現簡單），信號占用的帶寬變得大於(yu) 50-GHz ITU信道的帶寬。從(cong) 圖中可以看出，頻譜加寬的信道開始與(yu) 它們(men) 的相鄰信道重疊，導致串擾的出現。

右圖 給出了使用多種不同技術的組合如何提高頻譜效率的想法。 舉(ju) 例來說，與(yu) NRZ-OOK調製格式相比，使用QPSK可以將符號利用率提升兩(liang) 倍。這樣我們(men) 就使用一半的符號率傳(chuan) 輸同樣速率的數據，占用的光譜帶寬也減少了一半。然後通過上麵我們(men) 說過的偏振複用PDM可以在同一個(ge) 波長傳(chuan) 遞兩(liang) 個(ge) 並行偏振通道，相當於(yu) 提升兩(liang) 倍頻譜效率。通過QPSK高階調製和PDM偏振複用技術，我們(men) 將單波長通道的光信號頻譜占用減小到了原來的四分之一。 後再利用脈衝(chong) 整形濾波器進一步縮小占用頻譜之後，可以在50GHz帶寬的信道中傳(chuan) 輸112Gbps的數據。

02

光相幹接收機的另一個(ge) 優(you) 點是數字信號處理功能。數字相幹接收機的解調過程是*線性的；所有傳(chuan) 輸光信號的複雜幅度信息包括偏振態在檢測後被保存分析，因此可以進行各種信號補償(chang) 處理，比如做色度色散補償(chang) 和偏振模式色散補償(chang) 。這就使得長距離傳(chuan) 輸的鏈路設計變得更加簡單，因為(wei) 傳(chuan) 統的非相幹光通信是要通過光路補償(chang) 器件來進行色散補償(chang) 等工作的。（傳(chuan) 統傳(chuan) 輸鏈路的色散問題，即光信號各個(ge) 組成成分在光纖中傳(chuan) 輸時，抵達時間不一樣。）

圖（2）

03

相幹接收機比普通的接收機靈敏度高大約20dB,因此在傳(chuan) 輸係統中無中繼的距離就會(hui) 越長。得益於(yu) 接收機的高靈敏度，我們(men) 可以減少在長距離傳(chuan) 輸光路上進行放大的次數。

基於(yu) 以上原因，相幹光通信可以減少長距離傳(chuan) 輸的光纖架設成本，簡化光路放大和補償(chang) 設計，因此在長距離傳(chuan) 輸網上成為(wei) 了主要的應用技術。

PART

二

了解相幹光通信之前所需的知識儲(chu) 備

接下來我們(men) 要講的是相幹光發射的複雜調製技術，但要講明白複雜調製的原理，我們(men) 還得花點時間回顧以下內(nei) 容作為(wei) 基石：

• 傳(chuan) 統強度調製

• I/Q調製

• 星座圖

『強度調製』根據其原理不同，一般可以簡單分為(wei) 直接調製（DML）和外調製(EML)兩(liang) 種。

直接調製DML

Direct Modulation Laser

直接調製原理簡單, 信號直接調製光源的輸出光強，激光器出光功率與(yu) 驅動電流成正比。

但是直接調製大的問題就是頻率啁啾，使其不適用於(yu) 更高頻的調製。

• 調製1的時候，輸入到激光器的電流大，激光器的輸出振幅大，能量大，亮

• 調製0的時候，輸入到激光器的電流小，激光器的輸出振幅小，能量小，暗

圖（3）

用於(yu) 直接調製的激光器，我們(men) 就稱為(wei) DML（Direct Modulation Laser）激光器。

外調製EML

External Modulation Laser

用於(yu) 外調製的激光器，我們(men) 就稱為(wei) EML（External Modulation Laser）激光器。外調製常用的方式有兩(liang) 種，一種是EA電吸收，將調製器與(yu) 激光器集成到一起，激光器的光送到EA調製器，EA調製器等同於(yu) 一個(ge) 門，門開的大小由電壓控製。因此可以通過改變電場大小，調整對光信號的吸收率。

外調製還有一種就是大名鼎鼎的 MZ Mach-Zehnder馬赫-曾德爾調製器。在MZ調製器中，輸入的激光被分成兩(liang) 路。通過改變施加在MZ調製器上的偏置電壓，兩(liang) 路光之間的相位差發生變化，再在調製器輸出端疊加在一起。

物理學上的雙縫幹涉實驗證明了光有波的特性↓↓↓

圖（4）

MZ正是利用了光波的這一特性，完成了信號的調製：

• 相差是0度，那麽(me) 相加以後，振幅就是1+1=2

• 相差是90度，那麽(me) 相加以後，振幅就是

• 相差是180度，那麽(me) 相加以後，振幅就是1-1=0

由上麵的描述，我們(men) 知道，相差變化可以帶來振幅（能量）的變化，從(cong) 而實現光的強度調製。

（上下滑動，查看更多）

小知識：利用電光效應控製相位

在構建相位調製器時，我們(men) 可以受益於(yu) 某些晶體(ti) (如铌酸鋰)的折射率n依賴於(yu) 局部電場強度的效應。這就是所謂的“電光效應"。

這對相位調製有什麽(me) 幫助?如果n是場強度的函數，那麽(me) 通過晶體(ti) 的光的速度和波長也是。因此，如果對晶體(ti) 施加電壓，那麽(me) 通過晶體(ti) 的光的波長就會(hui) 減小，通過選擇適當的電壓就可以控製出射光的相位(見下圖)。

上圖顯示了框圖和周期性的光功率和ΔU傳(chuan) 播之間的關(guan) 係。半波電壓Uπ是功率傳(chuan) 輸中π的相位變化所需的電壓，意味著調製器在不傳(chuan) 輸功率和傳(chuan) 輸100％的輸入功率的電壓差。

什麽(me) 是『I/Q調製』？為(wei) 什麽(me) 要用I/Q調製？

光波當然不會(hui) 僅(jin) 僅(jin) 由振幅來定義(yi) ，通過下麵具有Ex和Ey兩(liang) 個(ge) 偏振分量的電磁波電場的經典數學公式描述可以知道有很多光波特征參數都可以用來對信息進行編碼呢，比如：

• 在偏振複用中，這些正交分量可以作為(wei) 兩(liang) 個(ge) 不同的通道傳(chuan) 遞獨立信號；

• 在波分複用中應用不同的頻率ω可以在不同渠道獨立數據傳(chuan) 輸這些頻率/波長；

• 對於(yu) 複雜的調製方案, 就可以用上振幅E, 相位Ф等參數共同調製信號---這就是基本的I/Q調製

這樣是不是感覺調製方案有了很多種可能性？事實上，這也的確是高階複雜調製的理論根據。

圖（5）

I/Q調製在下圖用極坐標描述，這裏，I為(wei) in-phase同相或實部，Q為(wei) quadrature正交相位或虛部，如圖（6）所示藍色矢量端點的位置對應一個(ge) 點 (也稱為(wei) “星座點")在這個(ge) 圖中(這被稱為(wei) “星座圖")，這個(ge) 點其實就是振幅E和相位Ф的一對組合。

圖（6）

I/Q調製聽起來有個(ge) 蠻高大上的名字，那它是不是就比前麵講過的OOK調製Niubility呢？先讓下麵哥仨挨個(ge) 來個(ge) 自我介紹：

圖（7）

由此可知，調製幅度和/或相位不意味著相對OOK調製具有更高的傳(chuan) 輸效率。

而相幹傳(chuan) 輸技術於(yu) 傳(chuan) 統上用的NRZ，RZ和OOK信號相比，要提高傳(chuan) 輸效率，就要使用多個(ge) 符號表示多個(ge) 位數，那麽(me) 用一個(ge) MZM調製器隻能實現BPSK調製，那麽(me) 要實現QPSK，則要有兩(liang) 個(ge) 正交的MZM調製器。

這意味著在Q路有 90° 的相移, 表現在時域上的波形為(wei) 圖（8）所示，一共有4個(ge) 符號，每一個(ge) 時鍾周期傳(chuan) 輸2比特：

圖（8）

* A 代表 00--- → a sin(ωt+45)

* B 代表 01---- →  a sin(ωt+225)

* C 代表 11---- → asin(ωt+315)

* D 代表 10---- → a sin(ωt+135)

還要說明的是在複雜編碼情況下，現在實際上有兩(liang) 種不同的速度需要被澄清：

首先 是以每秒比特數測量的比特率，也稱為(wei) “傳(chuan) 輸速率"。

其次，符號率S量化以波特為(wei) 單位測量的每秒傳(chuan) 輸的符號數。 因此，它通常被稱為(wei) “波特率"。 利用比特/符號的編碼效率e， 符號率計算如下：

圖（9）以QPSK為(wei) 例進一步解釋這個(ge) 公式。對於(yu) 100-Gbps QPSK信號，這意味著它的傳(chuan) 輸速率是100Gbps，而它的符號率S =（100Gbps）/（2比特/符號）= 50Gbaud，此信號占用的光通信帶寬約為(wei) 25GHz。

 圖（9）

什麽(me) 是QAM?什麽(me) 是『星座圖』？

QAM是Quadrature AmplitudeModulation的縮寫(xie) ，也叫“正交振幅調製"，其幅度和相位同時變化。它的優(you) 點是每個(ge) 符號包含的比特個(ge) 數更多，從(cong) 而可獲得更高的係統效率。

對於(yu) 給定的係統，所需要的符號數為(wei) 2n，這裏n就是每個(ge) 符號的比特數。

☞   對於(yu) 16QAM，n=4，因此有16個(ge) 符號，每個(ge) 符號4bit：0000，0001，0010等

☞  對於(yu) 64QAM，n=6，因此有64個(ge) 符號，每個(ge) 符號6bit：000000，000001，000010等

而由這些符號組成的在極坐標中的位置集合就是星座圖，對於(yu) 相位調製，可以通過星座圖來直觀的感受信號質量的好壞：

 圖（10）

圖（11）顯示了QPSK中四個(ge) 符號的星座點，可以把它看作是4QAM，其中四個(ge) 符號中每個(ge) 符號由兩(liang) 比特編碼而成。星座點都位於(yu) 一個(ge) 半徑為(wei) E的圓上，這意味著這四個(ge) 符號隻有不同的相位 (即總是相鄰點之間的π/ 2).

傳(chuan) 統的OOK也可以用星座圖表示，由於(yu) 信息僅(jin) 在振幅中，所以位值1可以在半徑為(wei) (=振幅)E的圓上的任何位置。

圖（11）

有了前麵這些鋪墊，這一段大家常用的對相幹光通信的解釋，這時候就可以上場了！

相幹光通信的基本原理

在發送端，采用外光調製的方式將信號以調幅、調相、調頻的方式調製到光載波上，經過後端處理發送出去。到達接收端以後，首先經過前端處理如均衡等，再進入光混頻器與(yu) 本地光振蕩器產(chan) 生的光信號進行相幹混合，然後由探測器進行探測。

那麽(me) 在實際應用中

前麵所提到的各種調製方式

的實現方式又是怎樣的呢？

我們(men) 進入第三部分一探究竟

PART

三

QPSK，QAM等複雜調製格式

具體(ti) 實現的方式

///  首先來看看MZ調製器Mach-Zehnder調製器的相移效應

同樣的我們(men) 還是在IQ圖中描述。在圖（12）中可以看到恒定幅度的正弦波示例，並定義(yi) 相對相位Φ= 0.在信號分離後，每個(ge) 分支上隻有一半的功率。在藍色信號示例中，沒有電壓施加到調製器分支，因此如果它們(men) 具有相等的長度，則信號的相對相位在兩(liang) 個(ge) 臂上保持不變。合路後會(hui) 產(chan) 生具有原始幅度但相移Φ = π的正弦波。

圖（12）馬赫-曾德調製器相位漂移的例子、時域和IQ圖

在紅色信號的示例中,較低的分支上的信號相移π⁄2和上分支相移3π⁄2。在綠色信號的示例中，情況正好相反。這兩(liang) 個(ge) 信號的共同之處是，當重新組合這兩(liang) 支信號時，會(hui) 出現相消幹擾，即這兩(liang) 個(ge) 向量加起來等於(yu) 零向量。

因此，在紅色和綠色的例子中，調製器的出口沒有信號。對於(yu) 黃色信號, 信號相位移動了π。當疊加藍色和綠色兩(liang) 個(ge) 信號時，你會(hui) 得到一個(ge) 相長幹擾，由此產(chan) 生的波是一個(ge) 原始位移的正弦波。

/// 用於(yu) 傳(chuan) 輸QPSK信號的馬赫-曾德爾調製器

使用QPSK調製的馬赫-曾德爾調製器在發射機設置中是如何使用的?在圖（13）中給出了完整的框圖，並概述了QPSK調製的原理。

圖（13）調製QPSK信號的發射機設置

在QPSK調製中，相對於(yu) OOK的傳(chuan) 輸速率是通過將2比特編碼為(wei) 一個(ge) 符號來實現的兩(liang) 倍擴張。這四個(ge) 符號在IQ圖的四個(ge) 星座點中，它們(men) 的振幅相同但點與(yu) 點相差π⁄2。

在發射機中，電比特流被一個(ge) 多路複用器分成信號的I和Q部分。這兩(liang) 部分中的每一部分都直接調製馬赫-曾德爾調製器一隻臂上的激光信號的相位。另一個(ge) 馬赫-曾德爾調製器把較低的分支相移π⁄2。兩(liang) 個(ge) 分支重組後，結果是一個(ge) QPSK信號，如圖（13）底部所示。

///  發射機更為(wei) 複雜的調製方案實現方式

對於(yu) 16-QAM這樣的高階調製方案，發射機的設置必須能夠提供更多的幅度級和相位，這意味著更高的複雜性。

在16-QAM中，每個(ge) 符號編碼4比特，需要兩(liang) 個(ge) 不同的光功率級別。為(wei) 了實現這一點，它們(men) 的模塊化和在電/光調製程度有很多不同的方法。圖（14）提供了四個(ge) 實現示例進行比較：

圖（14）

圖（14）列舉(ju) 了QPSK以外調製格式的發射機的實現方式，如16-QAM在實踐中，右下角的設置是常用的。

圖（14）左上角 是一個(ge) 由離散元件組成的發射器。數字-模擬轉換(DAC)是在光信號上進行的。以BERT為(wei) 例，有4個(ge) 輸出通道以電的方式產(chan) 生四個(ge) 符號。這四個(ge) 電壓驅動兩(liang) 個(ge) 馬赫-曾德爾調製器。帶有splitter的激光源提供兩(liang) 路光信號，然後由馬赫-曾德爾幹涉儀(yi) 進行調製。在較低的分支上，連接了一個(ge) 光學衰減器得到第二個(ge) 較低的光振幅。上支具有另一個(ge) 馬赫-曾德爾調製器，相對於(yu) 下支去移動上支相位，重組後的結果是得到16 QAM的光信號。

事實上，可以看到會(hui) 需要不止一個(ge) 馬赫-曾德爾調製器，這就是這個(ge) 設置的缺點，因為(wei) 它們(men) 是比較昂貴的組件。同時，铌酸鋰元件必須具有恒定工作溫度，才能實現的相位控製，這也很難保證。

圖（14）右上角 的示例中是把馬赫-曾德爾幹涉儀(yi) 集成在一個(ge) 光學芯片上，則相位控製將更容易。這裏，分支1和分支2各自發出QPSK信號。兩(liang) 個(ge) 分支的幹涉結果為(wei) 16-QAM信號。

但是這種方法的缺點是它不可商業(ye) 化。

圖（15）

圖（15）兩(liang) 個(ge) 並行的16-QAM調製步驟：在一個(ge) 分支上，得到綠色的QPSK信號，並與(yu) 第二個(ge) 分支上的另一個(ge) QPSK信號組合，得到藍色的16-QAM星座點。

圖（14）左下角 的例子中，有兩(liang) 種設計是在電氣領域中執行DAC。可以使用標準碼型發生器創建4比特的序列。信號的I部分在上部兩(liang) 隻分支，其中一隻分支上的衰減器提供第二個(ge) 振幅電平。同樣的情況也存在於(yu) 下部的兩(liang) 個(ge) 分支上，在那裏產(chan) 生信號的Q部分。通過組合器後，兩(liang) 級電信號控製馬赫-曾德爾調製器的光信號。

這種方法的缺點是，由於(yu) 它有許多組件，所以設置非常複雜，因此不夠靈活，其次電壓分辨率對於(yu) 兩(liang) 個(ge) 以上的振幅級別來說不夠好，所以它也不可能實現像64QAM這樣的高階調製方案。

圖（14）右下角 的框圖顯示了方便和靈活的實現方式。在實踐中，這是通常使用的發射機實現方式。用任意波形發生器對信號進行調製，然後由它驅動馬赫-曾德爾幹涉儀(yi) 。使用這種方法可以生成更多的電平。用這種光發射機可以實現比16-QAM複雜得多的調製方案。

當然，利用這種邏輯，小夥(huo) 伴們(men) 可能會(hui) 想象這樣的方案，我們(men) 是不是可以通過盡可能多的增加在一個(ge) 符號中編碼的比特數來增加數據速率，然後所需的光學帶寬保持不變。但這顯然沒那麽(me) 簡單。因為(wei) 除占用帶寬外，還必須考慮技術可行性，現有基礎設施的配合等。調製格式越複雜，每個(ge) 調製符號所對應的比特數越多（調製效率越高），但終會(hui) 受限於(yu) 香農(nong) 定律，代價(jia) 是星座圖中的點越靠近，需要的SNR的代價(jia) 越大。因此，對於(yu) 更高的傳(chuan) 輸速率，需要更複雜的調製格式，對應的產(chan) 品挑戰就越大，這將是我們(men) 下一篇將要探討的內(nei) 容。

除了相幹複雜調製方案之外，它還可以與(yu) 其他傳(chuan) 輸方法相結合，以通過光纖鏈路更有效地傳(chuan) 輸數據信號。例如，在偏振多路複用（PDM）中，與(yu) 路光信號正交偏振的第二路光信號攜帶獨立信息並在同一光纖上傳(chuan) 輸（見下圖）。這就實現了雙通道並行傳(chuan) 輸，傳(chuan) 輸帶寬加倍，而不需要第二個(ge) 光纖。通過偏振多路複用與(yu) 波分複用技術，可以實現單光纖10Tb/s以上的傳(chuan) 輸帶寬。