什么是相干光通信？（一）
???為什么在骨干網，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等復雜調制格式具體實現的方式
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在光通信行業里，我們經常聽到400G和100G傳輸，而相干光通信和PAM4傳輸技術在數據中心及網絡基礎設施中是當下實現這兩種速率的主要技術方向。按照這兩種技術各自的優勢，它們分別在線路側骨干網傳輸和客戶側模塊發揮著各自的優勢。PAM4傳輸技術之前小K普及過很多次了，那么相干又怎么理解呢？
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從傳輸技術來看，有三個維度可以用來增加傳輸的信息量：
?更高符號速率?10 GBaud/s → 25 GBaud/s → 56G Baud/s……；
?更多并行通道數??波分復用或者多路光纖1x → 4x → 8x → 32x……；
?高階復雜調制?如 PAM-4，QPSK，16QAM，64QAM……
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PAM4可以看作是一種高階幅度調制，在相同的符號速率下可以傳輸NRZ信號兩倍的比特位數，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制信息，從而擴充了傳輸容量。
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首先采用復雜調制的相干光通信節省了光帶寬資源，提升了光纖傳輸效率，是進一步提高傳輸帶寬的選擇。傳統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用技術的實施，我們還是遇到了瓶頸。
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左? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 右
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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（把一個幅度取為0，另一個幅度為非0，就是OOK，On-Off Keying，該調制方式的實現簡單），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，導致串擾的出現。
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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。 舉例來說，與NRZ-OOK調制格式相比，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據，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用PDM可以在同一個波長傳遞兩個并行偏振通道，相當于提升兩倍頻譜效率。通過QPSK高階調制和PDM偏振復用技術，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的數據。
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02
光相干接收機的另一個優點是數字信號處理功能。數字相干接收機的解調過程是完全線性的；所有傳輸光信號的復雜幅度信息包括偏振態在檢測后被保存分析，因此可以進行各種信號補償處理，比如做色度色散補償和偏振模式色散補償。這就使得長距離傳輸的鏈路設計變得更加簡單，因為傳統的非相干光通信是要通過光路補償器件來進行色散補償等工作的。（傳統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，抵達時間不一樣。）
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圖（2）
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03
相干接收機比普通的接收機靈敏度高大約20dB,因此在傳輸系統中無中繼的距離就會越長。得益于接收機的高靈敏度，我們可以減少在長距離傳輸光路上進行放大的次數。
基于以上原因，相干光通信可以減少長距離傳輸的光纖架設成本，簡化光路放大和補償設計，因此在長距離傳輸網上成為了主要的應用技術。
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PART
二
了解相干光通信之前所需的知識儲備
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接下來我們要講的是相干光發射的復雜調制技術，但要講明白復雜調制的原理，我們還得花點時間回顧以下內容作為基石：
傳統強度調制
I/Q調制
星座圖
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『強度調制』根據其原理不同，一般可以簡單分為直接調制（DML）和外調制(EML)兩種。
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直接調制DML
Direct Modulation Laser
直接調制原理簡單, 信號直接調制光源的輸出光強，激光器出光功率與驅動電流成正比。
但是直接調制大的問題就是頻率啁啾，使其不適用于更高頻的調制。
調制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
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圖（3）
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用于直接調制的激光器，我們就稱為DML（Direct Modulation Laser）激光器。
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外調制EML
External Modulation Laser
用于外調制的激光器，我們就稱為EML（External Modulation Laser）激光器。外調制常用的方式有兩種，一種是EA電吸收，將調制器與激光器集成到一起，激光器的光送到EA調制器，EA調制器等同于一個門，門開的大小由電壓控制。因此可以通過改變電場大小，調整對光信號的吸收率。
外調制還有一種就是大名鼎鼎的?MZ Mach-Zehnder馬赫-曾德爾調制器。在MZ調制器中，輸入的激光被分成兩路。通過改變施加在MZ調制器上的偏置電壓，兩路光之間的相位差發生變化，再在調制器輸出端疊加在一起。
物理學上的雙縫干涉實驗證明了光有波的特性↓↓↓
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圖（4）
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MZ正是利用了光波的這一特性，完成了信號的調制：
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
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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，從而實現光的強度調制。
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小知識：利用電光效應控制相位
在構建相位調制器時，我們可以受益于某些晶體(如鈮酸鋰)的折射率n依賴于局部電場強度的效應。這就是所謂的“電光效應”。
這對相位調制有什么幫助?如果n是場強度的函數，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，通過選擇適當的電壓就可以控制出射光的相位(見下圖)。
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上圖顯示了框圖和周期性的光功率和ΔU傳播之間的關系。半波電壓Uπ是功率傳輸中π的相位變化所需的電壓，意味著調制器在不傳輸功率和傳輸100％的輸入功率的電壓差。
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什么是『I/Q調制』？為什么要用I/Q調制？
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光波當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：
在偏振復用中，這些正交分量可以作為兩個不同的通道傳遞獨立信號；
在波分復用中應用不同的頻率ω可以在不同渠道獨立數據傳輸這些頻率/波長；
對于復雜的調制方案, 就可以用上振幅E, 相位Ф等參數共同調制信號---這就是基本的I/Q調制
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這樣是不是感覺調制方案有了很多種可能性？事實上，這也的確是高階復雜調制的理論根據。
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