? 為什么在骨干網(wǎng)，長距傳輸上選擇了相干光通信？
? 了解相干光通信之前所需的知識儲備
? QPSK，QAM等復(fù)雜調(diào)制格式具體實現(xiàn)的方式
在光通信行業(yè)里，我們經(jīng)常聽到400G和100G傳輸，而相干光通信和PAM4傳輸技術(shù)在數(shù)據(jù)中心及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中是當(dāng)下實現(xiàn)這兩種速率的主要技術(shù)方向。按照這兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢，它們分別在線路側(cè)骨干網(wǎng)傳輸和客戶側(cè)模塊發(fā)揮著各自的優(yōu)勢。PAM4傳輸技術(shù)之前小K普及過很多次了，那么相干又怎么理解呢？
從傳輸技術(shù)來看，有三個維度可以用來增加傳輸?shù)男畔⒘浚?/span>
更高符號速率 10 GBaud/s → 25 GBaud/s → 56G Baud/s……；
更多并行通道數(shù) 波分復(fù)用或者多路光纖1x → 4x → 8x → 32x……；
高階復(fù)雜調(diào)制 如 PAM-4，QPSK，16QAM，64QAM……
PAM4可以看作是一種高階幅度調(diào)制，在相同的符號速率下可以傳輸NRZ信號兩倍的比特位數(shù)，而相干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(diào)制信息，從而擴(kuò)充了傳輸容量。
首先采用復(fù)雜調(diào)制的相干光通信節(jié)省了光帶寬資源，提升了光纖傳輸效率，是進(jìn)一步提高傳輸帶寬的選擇。傳統(tǒng)概念上光纖的帶寬是不受限制的，然而隨著速率的提升和波分復(fù)用技術(shù)的實施，我們還是遇到了瓶頸。
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(dāng)符號率提升至40 GBaud甚至100 GBaud時，OOK（把一個幅度取為0，另一個幅度為非0，就是OOK，On-Off Keying，該調(diào)制方式的實現(xiàn)簡單），信號占用的帶寬變得大于50-GHz ITU信道的帶寬。從圖中可以看出，頻譜加寬的信道開始與它們的相鄰信道重疊，導(dǎo)致串?dāng)_的出現(xiàn)。
右圖 給出了使用多種不同技術(shù)的組合如何提高頻譜效率的想法。 舉例來說，與NRZ-OOK調(diào)制格式相比，使用QPSK可以將符號利用率提升兩倍。這樣我們就使用一半的符號率傳輸同樣速率的數(shù)據(jù)，占用的光譜帶寬也減少了一半。然后通過上面我們說過的偏振復(fù)用PDM可以在同一個波長傳遞兩個并行偏振通道，相當(dāng)于提升兩倍頻譜效率。通過QPSK高階調(diào)制和PDM偏振復(fù)用技術(shù)，我們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。 后再利用脈沖整形濾波器進(jìn)一步縮小占用頻譜之后，可以在50GHz帶寬的信道中傳輸112Gbps的數(shù)據(jù)。
02
光相干接收機(jī)的另一個優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號處理功能。數(shù)字相干接收機(jī)的解調(diào)過程是*線性的；所有傳輸光信號的復(fù)雜幅度信息包括偏振態(tài)在檢測后被保存分析，因此可以進(jìn)行各種信號補(bǔ)償處理，比如做色度色散補(bǔ)償和偏振模式色散補(bǔ)償。這就使得長距離傳輸?shù)逆溌吩O(shè)計變得更加簡單，因為傳統(tǒng)的非相干光通信是要通過光路補(bǔ)償器件來進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)裙ぷ鞯摹?/span>（傳統(tǒng)傳輸鏈路的色散問題，即光信號各個組成成分在光纖中傳輸時，抵達(dá)時間不一樣。）
圖（2）
03
相干接收機(jī)比普通的接收機(jī)靈敏度高大約20dB,因此在傳輸系統(tǒng)中無中繼的距離就會越長。得益于接收機(jī)的高靈敏度，我們可以減少在長距離傳輸光路上進(jìn)行放大的次數(shù)。
基于以上原因，相干光通信可以減少長距離傳輸?shù)墓饫w架設(shè)成本，簡化光路放大和補(bǔ)償設(shè)計，因此在長距離傳輸網(wǎng)上成為了主要的應(yīng)用技術(shù)。
PART
二
了解相干光通信之前所需的知識儲備
接下來我們要講的是相干光發(fā)射的復(fù)雜調(diào)制技術(shù)，但要講明白復(fù)雜調(diào)制的原理，我們還得花點(diǎn)時間回顧以下內(nèi)容作為基石：
傳統(tǒng)強(qiáng)度調(diào)制
I/Q調(diào)制
星座圖
『強(qiáng)度調(diào)制』根據(jù)其原理不同，一般可以簡單分為直接調(diào)制（DML）和外調(diào)制(EML)兩種。
直接調(diào)制DML
Direct Modulation Laser
直接調(diào)制原理簡單, 信號直接調(diào)制光源的輸出光強(qiáng)，激光器出光功率與驅(qū)動電流成正比。
但是直接調(diào)制大的問題就是頻率啁啾，使其不適用于更高頻的調(diào)制。
調(diào)制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(diào)制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）
用于直接調(diào)制的激光器，我們就稱為DML（Direct Modulation Laser）激光器。
外調(diào)制EML
External Modulation Laser
用于外調(diào)制的激光器，我們就稱為EML（External Modulation Laser）激光器。外調(diào)制常用的方式有兩種，一種是EA電吸收，將調(diào)制器與激光器集成到一起，激光器的光送到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。因此可以通過改變電場大小，調(diào)整對光信號的吸收率。
外調(diào)制還有一種就是大名鼎鼎的 MZ 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。
物理學(xué)上的雙縫干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(diào)制：
相差是0度，那么相加以后，振幅就是1+1=2
相差是90度，那么相加以后，振幅就是
相差是180度，那么相加以后，振幅就是1-1=0
由上面的描述，我們知道，相差變化可以帶來振幅（能量）的變化，從而實現(xiàn)光的強(qiáng)度調(diào)制。
（上下滑動，查看更多）
小知識：利用電光效應(yīng)控制相位
在構(gòu)建相位調(diào)制器時，我們可以受益于某些晶體(如鈮酸鋰)的折射率n依賴于局部電場強(qiáng)度的效應(yīng)。這就是所謂的“電光效應(yīng)"。
這對相位調(diào)制有什么幫助?如果n是場強(qiáng)度的函數(shù)，那么通過晶體的光的速度和波長也是。因此，如果對晶體施加電壓，那么通過晶體的光的波長就會減小，通過選擇適當(dāng)?shù)碾妷壕涂梢钥刂瞥錾涔獾南辔?見下圖)。
上圖顯示了框圖和周期性的光功率和ΔU傳播之間的關(guān)系。半波電壓Uπ是功率傳輸中π的相位變化所需的電壓，意味著調(diào)制器在不傳輸功率和傳輸100％的輸入功率的電壓差。
什么是『I/Q調(diào)制』？為什么要用I/Q調(diào)制？
光波當(dāng)然不會僅僅由振幅來定義，通過下面具有Ex和Ey兩個偏振分量的電磁波電場的經(jīng)典數(shù)學(xué)公式描述可以知道有很多光波特征參數(shù)都可以用來對信息進(jìn)行編碼呢，比如：
在偏振復(fù)用中，這些正交分量可以作為兩個不同的通道傳遞獨(dú)立信號；
在波分復(fù)用中應(yīng)用不同的頻率ω可以在不同渠道獨(dú)立數(shù)據(jù)傳輸這些頻率/波長；
對于復(fù)雜的調(diào)制方案, 就可以用上振幅E, 相位Ф等參數(shù)共同調(diào)制信號---這就是基本的I/Q調(diào)制
這樣是不是感覺調(diào)制方案有了很多種可能性？事實上，這也的確是高階復(fù)雜調(diào)制的理論根據(jù)。
圖（5）
I/Q調(diào)制在下圖用極坐標(biāo)描述，這里，I為in-phase同相或?qū)嵅浚琎為quadrature正交相位或虛部，如圖（6）所示藍(lán)色矢量端點(diǎn)的位置對應(yīng)一個點(diǎn) (也稱為“星座點(diǎn)")在這個圖中(這被稱為“星座圖")，這個點(diǎn)其實就是振幅E和相位Ф的一對組合。
圖（6）
I/Q調(diào)制聽起來有個蠻高大上的名字，那它是不是就比前面講過的OOK調(diào)制Niubility呢？先讓下面哥仨挨個來個自我介紹：
圖（7）
由此可知，調(diào)制幅度和/或相位不意味著相對OOK調(diào)制具有更高的傳輸效率。
而相干傳輸技術(shù)于傳統(tǒng)上用的NRZ，RZ和OOK信號相比，要提高傳輸效率，就要使用多個符號表示多個位數(shù)，那么用一個MZM調(diào)制器只能實現(xiàn)BPSK調(diào)制，那么要實現(xiàn)QPSK，則要有兩個正交的MZM調(diào)制器。
這意味著在Q路有 90° 的相移, 表現(xiàn)在時域上的波形為圖（8）所示，一共有4個符號，每一個時鐘周期傳輸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)
還要說明的是在復(fù)雜編碼情況下，現(xiàn)在實際上有兩種不同的速度需要被澄清：
首先 是以每秒比特數(shù)測量的比特率，也稱為“傳輸速率"。
其次，符號率S量化以波特為單位測量的每秒傳輸?shù)姆枖?shù)。 因此，它通常被稱為“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為例進(jìn)一步解釋這個公式。對于100-Gbps QPSK信號，這意味著它的傳輸速率是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25GHz。
圖（9）
什么是QAM?什么是『星座圖』？
QAM是Quadrature AmplitudeModulation的縮寫，也叫“正交振幅調(diào)制"，其幅度和相位同時變化。它的優(yōu)點(diǎn)是每個符號包含的比特個數(shù)更多，從而可獲得更高的系統(tǒng)效率。
對于給定的系統(tǒng)，所需要的符號數(shù)為2n，這里n就是每個符號的比特數(shù)。
? 對于16QAM，n=4，因此有16個符號，每個符號4bit：0000，0001，0010等
? 對于64QAM，n=6，因此有64個符號，每個符號6bit：000000，000001，000010等
而由這些符號組成的在極坐標(biāo)中的位置集合就是星座圖，對于相位調(diào)制，可以通過星座圖來直觀的感受信號質(zhì)量的好壞：
圖（10）
圖（11）顯示了QPSK中四個符號的星座點(diǎn)，可以把它看作是4QAM，其中四個符號中每個符號由兩比特編碼而成。星座點(diǎn)都位于一個半徑為E的圓上，這意味著這四個符號只有不同的相位 (即總是相鄰點(diǎn)之間的π/ 2).
傳統(tǒng)的OOK也可以用星座圖表示，由于信息僅在振幅中，所以位值1可以在半徑為(=振幅)E的圓上的任何位置。
圖（11）
有了前面這些鋪墊，這一段大家常用的對相干光通信的解釋，這時候就可以上場了！
相干光通信的基本原理
在發(fā)送端，采用外光調(diào)制的方式將信號以調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻的方式調(diào)制到光載波上，經(jīng)過后端處理發(fā)送出去。到達(dá)接收端以后，首先經(jīng)過前端處理如均衡等，再進(jìn)入光混頻器與本地光振蕩器產(chǎn)生的光信號進(jìn)行相干混合，然后由探測器進(jìn)行探測。
那么在實際應(yīng)用中
前面所提到的各種調(diào)制方式
的實現(xiàn)方式又是怎樣的呢？
我們進(jìn)入第三部分一探究竟
PART
三
QPSK，QAM等復(fù)雜調(diào)制格式
具體實現(xiàn)的方式
/// 首先來看看MZ調(diào)制器Mach-Zehnder調(diào)制器的相移效應(yīng)
同樣的我們還是在IQ圖中描述。在圖（12）中可以看到恒定幅度的正弦波示例，并定義相對相位Φ= 0.在信號分離后，每個分支上只有一半的功率。在藍(lán)色信號示例中，沒有電壓施加到調(diào)制器分支，因此如果它們具有相等的長度，則信號的相對相位在兩個臂上保持不變。合路后會產(chǎn)生具有原始幅度但相移Φ = π的正弦波。
圖（12）馬赫-曾德調(diào)制器相位漂移的例子、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。這兩個信號的共同之處是，當(dāng)重新組合這兩支信號時，會出現(xiàn)相消干擾，即這兩個向量加起來等于零向量。
因此，在紅色和綠色的例子中，調(diào)制器的出口沒有信號。對于黃色信號, 信號相位移動了π。當(dāng)疊加藍(lán)色和綠色兩個信號時，你會得到一個相長干擾，由此產(chǎn)生的波是一個原始位移的正弦波。
/// 用于傳輸QPSK信號的馬赫-曾德爾調(diào)制器
使用QPSK調(diào)制的馬赫-曾德爾調(diào)制器在發(fā)射機(jī)設(shè)置中是如何使用的?在圖（13）中給出了完整的框圖，并概述了QPSK調(diào)制的原理。
圖（13）調(diào)制QPSK信號的發(fā)射機(jī)設(shè)置
在QPSK調(diào)制中，相對于OOK的傳輸速率是通過將2比特編碼為一個符號來實現(xiàn)的兩倍擴(kuò)張。這四個符號在IQ圖的四個星座點(diǎn)中，它們的振幅相同但點(diǎn)與點(diǎn)相差π?2。
在發(fā)射機(jī)中，電比特流被一個多路復(fù)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(diào)制馬赫-曾德爾調(diào)制器一只臂上的激光信號的相位。另一個馬赫-曾德爾調(diào)制器把較低的分支相移π?2。兩個分支重組后，結(jié)果是一個QPSK信號，如圖（13）底部所示。
/// 發(fā)射機(jī)更為復(fù)雜的調(diào)制方案實現(xiàn)方式
對于16-QAM這樣的高階調(diào)制方案，發(fā)射機(jī)的設(shè)置必須能夠提供更多的幅度級和相位，這意味著更高的復(fù)雜性。
在16-QAM中，每個符號編碼4比特，需要兩個不同的光功率級別。為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，它們的模塊化和在電/光調(diào)制程度有很多不同的方法。圖（14）提供了四個實現(xiàn)示例進(jìn)行比較：
圖（14）
圖（14）列舉了QPSK以外調(diào)制格式的發(fā)射機(jī)的實現(xiàn)方式，如16-QAM在實踐中，右下角的設(shè)置是常用的。
圖（14）左上角 是一個由離散元件組成的發(fā)射器。數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換(DAC)是在光信號上進(jìn)行的。以BERT為例，有4個輸出通道以電的方式產(chǎn)生四個符號。這四個電壓驅(qū)動兩個馬赫-曾德爾調(diào)制器。帶有splitter的激光源提供兩路光信號，然后由馬赫-曾德爾干涉儀進(jìn)行調(diào)制。在較低的分支上，連接了一個光學(xué)衰減器得到第二個較低的光振幅。上支具有另一個馬赫-曾德爾調(diào)制器，相對于下支去移動上支相位，重組后的結(jié)果是得到16 QAM的光信號。
事實上，可以看到會需要不止一個馬赫-曾德爾調(diào)制器，這就是這個設(shè)置的缺點(diǎn)，因為它們是比較昂貴的組件。同時，鈮酸鋰元件必須具有恒定工作溫度，才能實現(xiàn)的相位控制，這也很難保證。
圖（14）右上角 的示例中是把馬赫-曾德爾干涉儀集成在一個光學(xué)芯片上，則相位控制將更容易。這里，分支1和分支2各自發(fā)出QPSK信號。兩個分支的干涉結(jié)果為16-QAM信號。
但是這種方法的缺點(diǎn)是它不可商業(yè)化。
圖（15）
圖（15）兩個并行的16-QAM調(diào)制步驟：在一個分支上，得到綠色的QPSK信號，并與第二個分支上的另一個QPSK信號組合，得到藍(lán)色的16-QAM星座點(diǎn)。
圖（14）左下角 的例子中，有兩種設(shè)計是在電氣領(lǐng)域中執(zhí)行DAC?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)碼型發(fā)生器創(chuàng)建4比特的序列。信號的I部分在上部兩只分支，其中一只分支上的衰減器提供第二個振幅電平。同樣的情況也存在于下部的兩個分支上，在那里產(chǎn)生信號的Q部分。通過組合器后，兩級電信號控制馬赫-曾德爾調(diào)制器的光信號。
這種方法的缺點(diǎn)是，由于它有許多組件，所以設(shè)置非常復(fù)雜，因此不夠靈活，其次電壓分辨率對于兩個以上的振幅級別來說不夠好，所以它也不可能實現(xiàn)像64QAM這樣的高階調(diào)制方案。
圖（14）右下角 的框圖顯示了方便和靈活的實現(xiàn)方式。在實踐中，這是通常使用的發(fā)射機(jī)實現(xiàn)方式。用任意波形發(fā)生器對信號進(jìn)行調(diào)制，然后由它驅(qū)動馬赫-曾德爾干涉儀。使用這種方法可以生成更多的電平。用這種光發(fā)射機(jī)可以實現(xiàn)比16-QAM復(fù)雜得多的調(diào)制方案。
當(dāng)然，利用這種邏輯，小伙伴們可能會想象這樣的方案，我們是不是可以通過盡可能多的增加在一個符號中編碼的比特數(shù)來增加數(shù)據(jù)速率，然后所需的光學(xué)帶寬保持不變。但這顯然沒那么簡單。因為除占用帶寬外，還必須考慮技術(shù)可行性，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的配合等。調(diào)制格式越復(fù)雜，每個調(diào)制符號所對應(yīng)的比特數(shù)越多（調(diào)制效率越高），但終會受限于香農(nóng)定律，代價是星座圖中的點(diǎn)越靠近，需要的SNR的代價越大。因此，對于更高的傳輸速率，需要更復(fù)雜的調(diào)制格式，對應(yīng)的產(chǎn)品挑戰(zhàn)就越大，這將是我們下一篇將要探討的內(nèi)容。
除了相干復(fù)雜調(diào)制方案之外，它還可以與其他傳輸方法相結(jié)合，以通過光纖鏈路更有效地傳輸數(shù)據(jù)信號。例如，在偏振多路復(fù)用（PDM）中，與路光信號正交偏振的第二路光信號攜帶獨(dú)立信息并在同一光纖上傳輸（見下圖）。這就實現(xiàn)了雙通道并行傳輸，傳輸帶寬加倍，而不需要第二個光纖。通過偏振多路復(fù)用與波分復(fù)用技術(shù)，可以實現(xiàn)單光纖10Tb/s以上的傳輸帶寬。
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