什么是相干光通信？（二）
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。
图（6）
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：
图（7）
由此可知，调制幅度和/或相位不意味着相对OOK调制具有更高的传输效率。
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：
图（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)
还要说明的是在复杂编码情况下，现在实际上有两种不同的速度需要被澄清：
首先 是以每秒比特数测量的比特率，也称为“传输速率”。
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-Gbps QPSK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。
图（9）
什么是QAM?什么是『星座图』？
QAM是Quadrature AmplitudeModulation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。
对于给定的系统，所需要的符号数为2n，这里n就是每个符号的比特数。
☞ 对于16QAM，n=4，因此有16个符号，每个符号4bit：0000，0001，0010等
☞ 对于64QAM，n=6，因此有64个符号，每个符号6bit：000000，000001，000010等
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（10）
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。
图（11）
有了前面这些铺垫，这一段大家常用的对相干光通信的解释，这时候就可以上场了！
相干光通信的基本原理
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。
那么在实际应用中
前面所提到的各种调制方式
的实现方式又是怎样的呢？
我们进入第三部分一探究竟
PART
三
QPSK，QAM等复杂调制格式
具体实现的方式
/// 首先来看看MZ调制器Mach-Zehnder调制器的相移效应
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。
图（12）马赫-曾德调制器相位漂移的例子、时域和IQ图
在红色信号的示例中,较低的分支上的信号相移π⁄2和上分支相移3π⁄2。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。对于黄色信号, 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。
/// 用于传输QPSK信号的马赫-曾德尔调制器
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。
图（13）调制QPSK信号的发射机设置
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π⁄2。
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π⁄2。两个分支重组后，结果是一个QPSK信号，如图（13）底部所示。
/// 发射机更为复杂的调制方案实现方式
对于16-QAM这样的高阶调制方案，发射机的设置必须能够提供更多的幅度级和相位，这意味着更高的复杂性。
在16-QAM中，每个符号编码4比特，需要两个不同的光功率级别。为了实现这一点，它们的模块化和在电/光调制程度有很多不同的方法。图（14）提供了四个实现示例进行比较：
图（14）
图（14）列举了QPSK以外调制格式的发射机的实现方式，如16-QAM在实践中，右下角的设置是常用的。
图（14）左上角 是一个由离散元件组成的发射器。数字-模拟转换(DAC)是在光信号上进行的。以BERT为例，有4个输出通道以电的方式产生四个符号。这四个电压驱动两个马赫-曾德尔调制器。带有splitter的激光源提供两路光信号，然后由马赫-曾德尔干涉仪进行调制。在较低的分支上，连接了一个光学衰减器得到第二个较低的光振幅。上支具有另一个马赫-曾德尔调制器，相对于下支去移动上支相位，重组后的结果是得到16 QAM的光信号。
事实上，可以看到会需要不止一个马赫-曾德尔调制器，这就是这个设置的缺点，因为它们是比较昂贵的组件。同时，铌酸锂元件必须具有恒定工作温度，才能实现的相位控制，这也很难保证。
图（14）右上角 的示例中是把马赫-曾德尔干涉仪集成在一个光学芯片上，则相位控制将更容易。这里，分支1和分支2各自发出QPSK信号。两个分支的干涉结果为16-QAM信号。
但是这种方法的缺点是它不可商业化。
图（15）
图（15）两个并行的16-QAM调制步骤：在一个分支上，得到绿色的QPSK信号，并与第二个分支上的另一个QPSK信号组合，得到蓝色的16-QAM星座点。
图（14）左下角 的例子中，有两种设计是在电气领域中执行DAC。可以使用标准码型发生器创建4比特的序列。信号的I部分在上部两只分支，其中一只分支上的衰减器提供第二个振幅电平。同样的情况也存在于下部的两个分支上，在那里产生信号的Q部分。通过组合器后，两级电信号控制马赫-曾德尔调制器的光信号。
这种方法的缺点是，由于它有许多组件，所以设置非常复杂，因此不够灵活，其次电压分辨率对于两个以上的振幅级别来说不够好，所以它也不可能实现像64QAM这样的高阶调制方案。
图（14）右下角 的框图显示了方便和灵活的实现方式。在实践中，这是通常使用的发射机实现方式。用任意波形发生器对信号进行调制，然后由它驱动马赫-曾德尔干涉仪。使用这种方法可以生成更多的电平。用这种光发射机可以实现比16-QAM复杂得多的调制方案。
当然，利用这种逻辑，小伙伴们可能会想象这样的方案，我们是不是可以通过尽可能多的增加在一个符号中编码的比特数来增加数据速率，然后所需的光学带宽保持不变。但这显然没那么简单。因为除占用带宽外，还必须考虑技术可行性，现有基础设施的配合等。调制格式越复杂，每个调制符号所对应的比特数越多（调制效率越高），但终会受限于香农定律，代价是星座图中的点越靠近，需要的SNR的代价越大。因此，对于更高的传输速率，需要更复杂的调制格式，对应的产品挑战就越大，这将是我们下一篇将要探讨的内容。
除了相干复杂调制方案之外，它还可以与其他传输方法相结合，以通过光纤链路更有效地传输数据信号。例如，在偏振多路复用（PDM）中，与路光信号正交偏振的第二路光信号携带独立信息并在同一光纤上传输（见下图）。这就实现了双通道并行传输，传输带宽加倍，而不需要第二个光纤。通过偏振多路复用与波分复用技术，可以实现单光纤10Tb/s以上的传输带宽。
