光通信的最强进阶科普1
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（信息量翻倍）
所以说，为了提升每秒的比特数（信息传输速率），我们需要一个符号能尽量表达更多的比特。怎么做到呢？我们待会再说。
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（待会会讲）。
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（详情：链接），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（对应第一个思路），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。
大家比较熟悉的物理维度，是幅度、频率、相位。
光波也是电磁波，所以，对光波进行调制，思路基本是一样的。
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（看不懂就跳过吧）。
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。
如下图所示：
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。
电压是如何产生相位差的呢？
基于电光效应——某些晶体(如铌酸锂)的折射率n，会随着局部电场强度变化而变化。
如下图所示，双臂就是双路径，一个是modulated path（调制路径），一个是unmodulated path（非调制路径）。
当作用在调制路径上的电压变化时，这个臂上的折射率n发生了变化。光在介质中的传播速率v=c/n（光在真空中的速率除以折射率），所以，光传播的速率v发生变化。
两条路径长度是一样的，有人先到，有人后到，所以，就出现了相位的差异。
如果两路光的相位差是0度，那么相加以后，振幅就是1+1=2。
如果两路光的相位差是90度，那么相加以后，振幅就是2的平方根。
如果两路光的相位差是180度，那么相加以后，振幅就是1-1=0。
大家应该也想到了，其实mz调制器就是基于双缝干涉实验，和水波干涉原理一样的。
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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（信息量翻倍）
所以说，为了提升每秒的比特数（信息传输速率），我们需要一个符号能尽量表达更多的比特。怎么做到呢？我们待会再说。
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（待会会讲）。
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（详情：链接），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（对应第一个思路），进而提升比特率。
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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。
电压是如何产生相位差的呢？
基于电光效应——某些晶体(如铌酸锂)的折射率n，会随着局部电场强度变化而变化。
如下图所示，双臂就是双路径，一个是modulated path（调制路径），一个是unmodulated path（非调制路径）。
当作用在调制路径上的电压变化时，这个臂上的折射率n发生了变化。光在介质中的传播速率v=c/n（光在真空中的速率除以折射率），所以，光传播的速率v发生变化。
两条路径长度是一样的，有人先到，有人后到，所以，就出现了相位的差异。
如果两路光的相位差是0度，那么相加以后，振幅就是1+1=2。
如果两路光的相位差是90度，那么相加以后，振幅就是2的平方根。
如果两路光的相位差是180度，那么相加以后，振幅就是1-1=0。
大家应该也想到了，其实mz调制器就是基于双缝干涉实验，和水波干涉原理一样的。
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