眾所周知，我們現在的整個通信網絡，對于光通信技術有著極大的依賴。我們的骨干網、光纖寬帶以及5G，都離不開光通信技術的支撐。

所謂光通信，就是利用光信號攜帶信息，在光纖中進行數據傳輸的技術。

光波是電磁波的一種，所以，光信號也符合電磁波的物理特性。

想要提升光通信的信息傳輸量，基本上分為以下三種思路：

第一個思路：提升信號的波特率。

波特率（Baud），準確來說就叫波特，叫波特率只是口語習慣。它的定義是：單位時間內傳送的碼元符號（Symbol）的個數。

波特率很容易理解，我每秒傳輸的符號越多，當然信息量就越大。

目前，隨著芯片處理技術從16nm提高到7nm和5nm，光學器件和光電轉換器件的波特率也從30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud，甚至120+Gbaud。

然而，波特率并不是無限大的。越往上，技術實現難度越高。高波特率器件，會帶來一系列系統性能損傷問題，需要更先進的算法和硬件進行補償。

大家需要注意，波特率并不是比特率（傳輸速率）。

對于二進制信號，0和1，1個符號就是1比特（bit）。那么，每秒的符號數（波特率）就等于每秒的比特數（比特率，bit/s）。對于四進制信號，1個符號可以表達2比特，每秒的符號數×2=每秒的比特數。

四進制，相同的波特率，比特率翻倍（信息量翻倍）

所以說，為了提升每秒的比特數（信息傳輸速率），我們需要一個符號能盡量表達更多的比特。怎么做到呢？我們待會再說。

第二個思路：采用更多的光纖數或通道數。

用更多的光纖，這個思路很容易粗暴。光纖數量越多，相當于單車道變雙車道、四車道、八車道，當然傳輸信息量會翻倍。

但是，這種方式涉及到投資成本。而且，光纖數太多，安裝也會很麻煩。

在一根光纖里，建立多個信道，這是個更好的辦法。

信道數可以是空間信道，也可以是頻率信道。

空間信道包括模式（單模/多模）、纖芯（多纖芯的光纖）、偏振（待會會講）。

頻率信道的話，這就要提到WDM（波分復用技術）。它把不同的業務數據，放在不同波長的光載波信號中，在一根光纖中傳送。

WDM波分復用

波長×頻率=光速（恒定值），所以波分復用其實就是頻分復用

WDM同樣也不是無限波數的。每個波長都必須在指定的波長范圍內，而且相互之間還要有保護間隔，不然容易“撞車”。

目前行業正在努力將光通信的頻段拓展到“C+L”頻段（詳情：鏈接），可以實現192個波長，頻譜帶寬接近9.6THz。如果單波400G，那就是192×400G=76.8Tbps的傳輸速率。

第三個思路，也是我們今天要重點介紹的思路—— 高階調制 。

也就是說，采用更高級的調制技術，提升單個符號所能代表的比特（對應第一個思路），進而提升比特率。

對于調制，大家一定不會陌生。我們經常聽說的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，都是調制技術。

以前我給大家講電通信和移動通信的時候，提到過：想讓電磁波符號表達不同的信息，無非就是對電磁波的幾個物理維度進行調整。

大家比較熟悉的物理維度，是幅度、頻率、相位。

光波也是電磁波，所以，對光波進行調制，思路基本是一樣的。

光纖通信系統，主要有6個物理維度可供復用，即：頻率（波長）、幅度、相位、時間（OTDM）、空間（空分復用）、偏振（PDM）。

**█ **幅度調制

頻率復用其實就是WDM波分復用，剛才已經介紹過了。接下來，我們看看 幅度調制 。

在早期的光通信系統里，我們采用的是 直接調制 （DML，Direct Modulation Laser）。它就屬于強度（幅度）調制。

在直接調制中，電信號直接用開關鍵控（OOK，On-Off Keying）方式，調制激光器的強度（幅度）。

這個和我們的航海信號燈有點像。亮的時候是1，暗的時候是0，一個符號一個比特，簡單明了。

直接調制的優點是采用單一器件，成本低廉，附件損耗小。但是，它的缺點也很多。它的調制頻率受限（與激光器馳豫振蕩有關），會產生強的頻率啁啾，限制傳輸距離。直接調制激光器可能出現的線性調頻，使輸出線寬增大，色散引入脈沖展寬，使信道能量損失，并產生對鄰近信道的串擾（看不懂就跳過吧）。

所以，后來出現了 外調制 （EML，External Modulation Laser）。

在外調制中，調制器作用于激光器外的調制器上，借助電光、熱光或聲光等物理效應，使激光器發射的激光束的光參量發生變化，從而實現調制。

如下圖所示：

外調制常用的方式有兩種。

一種是 EA電吸收調制 。將調制器與激光器集成到一起，激光器恒定光強的光，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。通過改變電場的大小，可以調整對光信號的吸收率，進而實現調制。

還有一種，是MZ調制器，也就是 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。

電壓是如何產生相位差的呢？

基于電光效應——某些晶體(如鈮酸鋰)的折射率n，會隨著局部電場強度變化而變化。

如下圖所示，雙臂就是雙路徑，一個是Modulated path（調制路徑），一個是Unmodulated path（非調制路徑）。

當作用在調制路徑上的電壓變化時，這個臂上的折射率n發生了變化。光在介質中的傳播速率v=c/n（光在真空中的速率除以折射率），所以，光傳播的速率v發生變化。

兩條路徑長度是一樣的，有人先到，有人后到，所以，就出現了相位的差異。

如果兩路光的相位差是0度，那么相加以后，振幅就是1+1=2。

如果兩路光的相位差是90度，那么相加以后，振幅就是2的平方根。

如果兩路光的相位差是180度，那么相加以后，振幅就是1-1=0。

大家應該也想到了，其實MZ調制器就是基于雙縫干涉實驗，和水波干涉原理一樣的。

峰峰疊加，峰谷抵消