相干光通信非常复杂的光通信技术，是德科技将为我们详细介绍什么是相干光通信，文章分为上下两部分，本篇主要讨论相干信号的调制技术和发射机复杂调制部分，下一篇将重点讨论相干接收部分的相关内容，感谢是德科技团队为我们提供的技术文章。

　　文章开始前，插入广告：是德科技在5月29日上海浦东嘉里大酒店，一年一度的科技饕餮盛宴“KeysightWorld2019”还将为您讲解更多光通信，数据中心最新行业趋势，前沿技术研究。请扫二维码提前报名还能领取精美礼品哦！

　　在光通信行业里，我们经常听到400G和100G传输，而相干光通信和PAM4传输技术在数据中心及网络基础设施中是当下实现这两种速率的主要技术方向。按照这两种技术各自的优势，它们分别在线路侧骨干网传输和客户侧模块发挥着各自的优势。PAM4传输技术之前小K普及过很多次了，那么相干又怎么理解呢？

　　PAM4可以看作是一种高阶幅度调制，在相同的符号速率下可以传输NRZ信号两倍的比特位数，而相干光通信则利用光波的更度，偏振，幅度，相位和频率来承载更多的调制信息，从而扩充了传输容量。

　　首先采用复杂调制的相干光通信节省了光带宽资源，提升了光纤传输效率，是进一步提高传输带宽的绝佳选择。传统概念上光纤的带宽是不受限制的，然而随着速率的提升和波分复用技术的实施，我们还是遇到了瓶颈。

　　左图可以看到随着信号速率的提高，光信号的频谱也在变宽。当符号率提升至40GBaud甚至100GBaud时，OOK（把一个幅度取为0，另一个幅度为非0，就是OOK，On-OffKeying，该调制方式的实现简单），信号占用的带宽变得大于50-GHzITU信道的带宽。从图中可以看出，频谱加宽的信道开始与它们的相邻信道重叠，导致串扰的出现。

　　右图[b]给出了使用多种不同技术的组合如何提高频谱效率的想法。举例来说，与NRZ-OOK调制格式相比，使用QPSK可以将符号利用率提升两倍。这样我们就使用一半的符号率传输同样速率的数据，占用的光谱带宽也减少了一半。然后通过上面我们说过的偏振复用PDM可以在同一个波长传递两个并行偏振通道，相当于提升两倍频谱效率。通过QPSK高阶调制和PDM偏振复用技术，我们将单波长通道的光信号频谱占用减小到了原来的四分之一。最后再利用脉冲整形滤波器进一步缩小占用频谱之后，可以在50GHz带宽的信道中传输112Gbps的数据。

　　光相干接收机的另一个优点是数字信号处理功能。数字相干接收机的解调过程是完全线性的；所有传输光信号的复杂幅度信息包括偏振态在检测后被保存分析，因此可以进行各种信号补偿处理，比如做色度色散补偿和偏振模式色散补偿。这就使得长距离传输的链路设计变得更加简单，因为传统的非相干光通信是要通过光路补偿器件来进行色散补偿等工作的。（传统传输链路的色散问题，即光信号各个组成成分在光纤中传输时，抵达时间不一样。）

　　相干接收机比普通的接收机灵敏度高大约20dB,因此在传输系统中无中继的距离就会越长。得益于接收机的高灵敏度，我们可以减少在长距离传输光路上进行放大的次数。

　　基于以上原因，相干光通信可以减少长距离传输的光纤架设成本，简化光路放大和补偿设计，因此在长距离传输网上成为了主要的应用技术。

　　接下来我们要讲的是相干光发射的复杂调制技术，但要讲明白复杂调制的原理，我们还得花点时间回顾以下内容作为基石：

　　用于外调制的激光器，我们就称为EML（ExternalModulationLaser）激光器。外调制常用的方式有两种，一种是EA电吸收，将调制器与激光器集成到一起，激光器的光送到EA调制器，EA调制器等同于一个门，门开的大小由电压控制。因此可以通过改变电场大小，调整对光信号的吸收率。

　　外调制还有一种就是大名鼎鼎的MZMach-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。

　　光波当然不会仅仅由振幅来定义，通过下面具有Ex和Ey两个偏振分量的电磁波电场的经典数学公式描述可以知道有很多光波特征参数都可以用来对信息进行编码呢，比如：

　　I/Q调制在下图用极坐标描述，这里，I为in-phase同相或实部，Q为quadrature正交相位或虚部，如图（6）所示蓝色矢量端点的位置对应一个点(也称为“星座点”)在这个图中(这被称为“星座图”)，这个点其实就是振幅E和相位Ф的一对组合。

　　I/Q调制听起来有个蛮高大上的名字，那它是不是就比前面讲过的OOK调制Niubility呢？先让下面哥仨挨个来个自我介绍：

　　而相干传输技术于传统上用的NRZ，RZ和OOK信号相比，要提高传输效率，就要使用多个符号表示多个位数，那么用一个MZM调制器只能实现BPSK调制，那么要实现QPSK，则要有两个正交的MZM调制器。

　　这意味着在Q路有90°的相移,表现在时域上的波形为图（8）所示，一共有4个符号，每一个时钟周期传输2比特：

　　其次，符号率S量化以波特为单位测量的每秒传输的符号数。因此，它通常被称为“波特率”。利用比特/符号的编码效率e，符号率计算如下：

　　图（9）以QPSK为例进一步解释这个公式。对于100-GbpsQPSK信号，这意味着它的传输速率是100Gbps，而它的符号率S=（100Gbps）/（2比特/符号）=50Gbaud，此信号占用的光通信带宽约为25GHz。

　　QAM是QuadratureAmplitudeModulation的缩写，也叫“正交振幅调制”，其幅度和相位同时变化。它的优点是每个符号包含的比特个数更多，从而可获得更高的系统效率。

　　而由这些符号组成的在极坐标中的位置集合就是星座图，对于相位调制，可以通过星座图来直观的感受信号质量的好坏：

　　图（11）显示了QPSK中四个符号的星座点，可以把它看作是4QAM，其中四个符号中每个符号由两比特编码而成。星座点都位于一个半径为E的圆上，这意味着这四个符号只有不同的相位(即总是相邻点之间的π/2).

　　传统的OOK也可以用星座图表示，由于信息仅在振幅中，所以位值1可以在半径为(=振幅)E的圆上的任何位置。

　　在发送端，采用外光调制的方式将信号以调幅、调相、调频的方式调制到光载波上，经过后端处理发送出去。到达接收端以后，首先经过前端处理如均衡等，再进入光混频器与本地光振荡器产生的光信号进行相干混合，然后由探测器进行探测。

　　同样的我们还是在IQ图中描述。在图（12）中可以看到恒定幅度的正弦波示例，并定义相对相位Φ=0.在信号分离后，每个分支上只有一半的功率。在蓝色信号示例中，没有电压施加到调制器分支，因此如果它们具有相等的长度，则信号的相对相位在两个臂上保持不变。合路后会产生具有原始幅度但相移Φ=π的正弦波。

　　在红色信号的示例中,较低的分支上的信号相移π2和上分支相移3π2。在绿色信号的示例中，情况正好相反。这两个信号的共同之处是，当重新组合这两支信号时，会出现相消干扰，即这两个向量加起来等于零向量。

　　因此，在红色和绿色的例子中，调制器的出口没有信号。对于信号,信号相位移动了π。当叠加蓝色和绿色两个信号时，你会得到一个相长干扰，由此产生的波是一个原始位移的正弦波。

　　使用QPSK调制的马赫-曾德尔调制器在发射机设置中是如何使用的?在图（13）中给出了完整的框图，并概述了QPSK调制的原理。

　　在QPSK调制中，相对于OOK的传输速率是通过将2比特编码为一个符号来实现的两倍扩张。这四个符号在IQ图的四个星座点中，它们的振幅相同但点与点相差π2。

　　在发射机中，电比特流被一个多路复用器分成信号的I和Q部分。这两部分中的每一部分都直接调制马赫-曾德尔调制器一只臂上的激光信号的相位。另一个马赫-曾德尔调制器把较低的分支相移π2。两个分支重组后，结果是一个QPSK信。