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技術(shù)文章
什么是相干光通信？
閱讀：1221 發(fā)布時(shí)間：2021-1-12? 為什么在骨干網(wǎng)，長(zhǎng)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(shí)儲(chǔ)備
? QPSK，QAM等復(fù)雜調(diào)制格式具體實(shí)現(xiàn)的方式
在光通信行業(yè)里，我們經(jīng)常聽(tīng)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(shí)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(shì)，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(shì)。PAM4傳輸技術(shù)之前小K普及過(guò)很多次了，那么相干又怎么理解呢？
從傳輸技術(shù)來(lái)看，有三個(gè)維度可以用來(lái)增加傳輸?shù)男畔⒘浚?/strong>
更高符號(hào)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(hào)速率下可以傳輸NRZ信號(hào)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(lái)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(shí)施，我們還是遇到了瓶頸。
左 右
左圖 可以看到隨著信號(hào)速率的提高，光信號(hào)的頻譜也在變寬。當(dāng)符號(hào)率提升至40 GBaud甚至100 GBaud時(shí)，OOK（把一個(gè)幅度取為0，另一個(gè)幅度為非0，就是OOK，On-Off Keying，該調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單），信號(hào)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(kāi)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(lái)說(shuō)，與NRZ-OOK調(diào)制格式相比，使用QPSK可以將符號(hào)利用率提升兩倍。這樣我們就使用一半的符號(hào)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(guò)上面我們說(shuō)過(guò)的偏振復(fù)用PDM可以在同一個(gè)波長(zhǎng)傳遞兩個(gè)并行偏振通道，相當(dāng)于提升兩倍頻譜效率。通過(guò)QPSK高階調(diào)制和PDM偏振復(fù)用技術(shù)，我們將單波長(zhǎng)通道的光信號(hào)頻譜占用減小到了原來(lái)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)處理功能。數(shù)字相干接收機(jī)的解調(diào)過(guò)程是*線性的；所有傳輸光信號(hào)的復(fù)雜幅度信息包括偏振態(tài)在檢測(cè)后被保存分析，因此可以進(jìn)行各種信號(hào)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(zhǎng)距離傳輸?shù)逆溌吩O(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的非相干光通信是要通過(guò)光路補(bǔ)償器件來(lái)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(wèn)題，即光信號(hào)各個(gè)組成成分在光纖中傳輸時(shí)，抵達(dá)時(shí)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(wú)中繼的距離就會(huì)越長(zhǎng)。得益于接收機(jī)的高靈敏度，我們可以減少在長(zhǎng)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(zhǎng)距離傳輸?shù)墓饫w架設(shè)成本，簡(jiǎn)化光路放大和補(bǔ)償設(shè)計(jì)，因此在長(zhǎng)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(shí)儲(chǔ)備
接下來(lái)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(shí)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(jiǎn)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(jiǎn)單, 信號(hào)直接調(diào)制光源的輸出光強(qiáng)，激光器出光功率與驅(qū)動(dòng)電流成正比。
但是直接調(diào)制大的問(wèn)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(shí)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(shí)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(gè)門，門開(kāi)的大小由電壓控制。因此可以通過(guò)改變電場(chǎng)大小，調(diào)整對(duì)光信號(hào)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?tīng)栒{(diào)制器。在MZ調(diào)制器中，輸入的激光被分成兩路。通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(hào)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(lái)振幅（能量）的變化，從而實(shí)現(xiàn)光的強(qiáng)度調(diào)制。
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小知識(shí)：利用電光效應(yīng)控制相位
在構(gòu)建相位調(diào)制器時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度的效應(yīng)。這就是所謂的“電光效應(yīng)"。
這對(duì)相位調(diào)制有什么幫助?如果n是場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)，那么通過(guò)晶體的光的速度和波長(zhǎng)也是。因此，如果對(duì)晶體施加電壓，那么通過(guò)晶體的光的波長(zhǎng)就會(huì)減小，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)碾妷壕涂梢钥刂瞥錾涔獾南辔?見(jiàn)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(huì)僅僅由振幅來(lái)定義，通過(guò)下面具有Ex和Ey兩個(gè)偏振分量的電磁波電場(chǎng)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(lái)對(duì)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(gè)不同的通道傳遞獨(dú)立信號(hào)；
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(zhǎng)；
對(duì)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(hào)---這就是基本的I/Q調(diào)制
這樣是不是感覺(jué)調(diào)制方案有了很多種可能性？事實(shí)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?，Q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(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn) (也稱為“星座點(diǎn)")在這個(gè)圖中(這被稱為“星座圖")，這個(gè)點(diǎn)其實(shí)就是振幅E和相位Ф的一對(duì)組合。
圖（6）
I/Q調(diào)制聽(tīng)起來(lái)有個(gè)蠻高大上的名字，那它是不是就比前面講過(guò)的OOK調(diào)制Niubility呢？先讓下面哥仨挨個(gè)來(lái)個(gè)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(duì)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(hào)相比，要提高傳輸效率，就要使用多個(gè)符號(hào)表示多個(gè)位數(shù)，那么用一個(gè)MZM調(diào)制器只能實(shí)現(xiàn)BPSK調(diào)制，那么要實(shí)現(xiàn)QPSK，則要有兩個(gè)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(shí)域上的波形為圖（8）所示，一共有4個(gè)符號(hào)，每一個(gè)時(shí)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(shuō)明的是在復(fù)雜編碼情況下，現(xiàn)在實(shí)際上有兩種不同的速度需要被澄清：
首先 是以每秒比特?cái)?shù)測(cè)量的比特率，也稱為“傳輸速率"。
其次，符號(hào)率S量化以波特為單位測(cè)量的每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)。 因此，它通常被稱為“波特率"。 利用比特/符號(hào)的編碼效率e， 符號(hào)率計(jì)算如下：
圖（9）以QPSK為例進(jìn)一步解釋這個(gè)公式。對(duì)于100-Gbps QPSK信號(hào)，這意味著它的傳輸速率是100Gbps，而它的符號(hào)率S =（100Gbps）/（2比特/符號(hào)）= 50Gbaud，此信號(hào)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(shí)變化。它的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)符號(hào)包含的比特個(gè)數(shù)更多，從而可獲得更高的系統(tǒng)效率。
對(duì)于給定的系統(tǒng)，所需要的符號(hào)數(shù)為2n，這里n就是每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)。
? 對(duì)于16QAM，n=4，因此有16個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)4bit：0000，0001，0010等
? 對(duì)于64QAM，n=6，因此有64個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)6bit：000000，000001，000010等
而由這些符號(hào)組成的在極坐標(biāo)中的位置集合就是星座圖，對(duì)于相位調(diào)制，可以通過(guò)星座圖來(lái)直觀的感受信號(hào)質(zhì)量的好壞：
圖（10）
圖（11）顯示了QPSK中四個(gè)符號(hào)的星座點(diǎn)，可以把它看作是4QAM，其中四個(gè)符號(hào)中每個(gè)符號(hào)由兩比特編碼而成。星座點(diǎn)都位于一個(gè)半徑為E的圓上，這意味著這四個(gè)符號(hào)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(duì)相干光通信的解釋，這時(shí)候就可以上場(chǎng)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(hào)以調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻的方式調(diào)制到光載波上，經(jīng)過(guò)后端處理發(fā)送出去。到達(dá)接收端以后，首先經(jīng)過(guò)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(hào)進(jìn)行相干混合，然后由探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。
那么在實(shí)際應(yīng)用中
前面所提到的各種調(diào)制方式
的實(shí)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(shí)現(xiàn)的方式
/// 首先來(lái)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(duì)相位Φ= 0.在信號(hào)分離后，每個(gè)分支上只有一半的功率。在藍(lán)色信號(hào)示例中，沒(méi)有電壓施加到調(diào)制器分支，因此如果它們具有相等的長(zhǎng)度，則信號(hào)的相對(duì)相位在兩個(gè)臂上保持不變。合路后會(huì)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(shí)域和IQ圖
在紅色信號(hào)的示例中,較低的分支上的信號(hào)相移π?2和上分支相移3π?2。在綠色信號(hào)的示例中，情況正好相反。這兩個(gè)信號(hào)的共同之處是，當(dāng)重新組合這兩支信號(hào)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相消干擾，即這兩個(gè)向量加起來(lái)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(méi)有信號(hào)。對(duì)于黃色信號(hào), 信號(hào)相位移動(dòng)了π。當(dāng)疊加藍(lán)色和綠色兩個(gè)信號(hào)時(shí)，你會(huì)得到一個(gè)相長(zhǎng)干擾，由此產(chǎn)生的波是一個(gè)原始位移的正弦波。
/// 用于傳輸QPSK信號(hào)的馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器
使用QPSK調(diào)制的馬赫-曾德?tīng)栒{(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(hào)的發(fā)射機(jī)設(shè)置
在QPSK調(diào)制中，相對(duì)于OOK的傳輸速率是通過(guò)將2比特編碼為一個(gè)符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的兩倍擴(kuò)張。這四個(gè)符號(hào)在IQ圖的四個(gè)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(gè)多路復(fù)用器分成信號(hào)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?tīng)栒{(diào)制器一只臂上的激光信號(hào)的相位。另一個(gè)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器把較低的分支相移π?2。兩個(gè)分支重組后，結(jié)果是一個(gè)QPSK信號(hào)，如圖（13）底部所示。
/// 發(fā)射機(jī)更為復(fù)雜的調(diào)制方案實(shí)現(xiàn)方式
對(duì)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(jí)和相位，這意味著更高的復(fù)雜性。
在16-QAM中，每個(gè)符號(hào)編碼4比特，需要兩個(gè)不同的光功率級(jí)別。為了實(shí)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(gè)實(shí)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(shí)現(xiàn)方式，如16-QAM在實(shí)踐中，右下角的設(shè)置是常用的。
圖（14）左上角 是一個(gè)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(hào)上進(jìn)行的。以BERT為例，有4個(gè)輸出通道以電的方式產(chǎn)生四個(gè)符號(hào)。這四個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)兩個(gè)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器。帶有splitter的激光源提供兩路光信號(hào)，然后由馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x進(jìn)行調(diào)制。在較低的分支上，連接了一個(gè)光學(xué)衰減器得到第二個(gè)較低的光振幅。上支具有另一個(gè)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器，相對(duì)于下支去移動(dòng)上支相位，重組后的結(jié)果是得到16 QAM的光信號(hào)。
事實(shí)上，可以看到會(huì)需要不止一個(gè)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器，這就是這個(gè)設(shè)置的缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兪潜容^昂貴的組件。同時(shí)，鈮酸鋰元件必須具有恒定工作溫度，才能實(shí)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?tīng)柛缮鎯x集成在一個(gè)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(hào)。兩個(gè)分支的干涉結(jié)果為16-QAM信號(hào)。
但是這種方法的缺點(diǎn)是它不可商業(yè)化。
圖（15）
圖（15）兩個(gè)并行的16-QAM調(diào)制步驟：在一個(gè)分支上，得到綠色的QPSK信號(hào)，并與第二個(gè)分支上的另一個(gè)QPSK信號(hào)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(jì)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(hào)的I部分在上部?jī)芍环种?，其中一只分支上的衰減器提供第二個(gè)振幅電平。同樣的情況也存在于下部的兩個(gè)分支上，在那里產(chǎn)生信號(hào)的Q部分。通過(guò)組合器后，兩級(jí)電信號(hào)控制馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的光信號(hào)。
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(duì)于兩個(gè)以上的振幅級(jí)別來(lái)說(shuō)不夠好，所以它也不可能實(shí)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(shí)現(xiàn)方式。在實(shí)踐中，這是通常使用的發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)方式。用任意波形發(fā)生器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后由它驅(qū)動(dòng)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。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(shí)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(huì)想象這樣的方案，我們是不是可以通過(guò)盡可能多的增加在一個(gè)符號(hào)中編碼的比特?cái)?shù)來(lái)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(méi)那么簡(jiǎn)單。因?yàn)槌加脦捦猓€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(gè)調(diào)制符號(hào)所對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)越多（調(diào)制效率越高），但終會(huì)受限于香農(nóng)定律，代價(jià)是星座圖中的點(diǎn)越靠近，需要的SNR的代價(jià)越大。因此，對(duì)于更高的傳輸速率，需要更復(fù)雜的調(diào)制格式，對(duì)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(guò)光纖鏈路更有效地傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。例如，在偏振多路復(fù)用（PDM）中，與路光信號(hào)正交偏振的第二路光信號(hào)攜帶獨(dú)立信息并在同一光纖上傳輸（見(jiàn)下圖）。這就實(shí)現(xiàn)了雙通道并行傳輸，傳輸帶寬加倍，而不需要第二個(gè)光纖。通過(guò)偏振多路復(fù)用與波分復(fù)用技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)單光纖10Tb/s以上的傳輸帶寬。