采用復數光調制技術提高光纖數據傳輸速率

圖3提出如何結合運用這些不同技術來增進光譜效率的構想。最下方是簡易的OOK，如果改用正交相移鍵控(QPSK)，則可將OOK符碼率的傳輸速率提高一倍，因為QPSK可編碼二位符號。藉由使用極化復用(PDM)技術，傳輸速率還可再提高一倍。QPSK加PDM可讓使用者在相同時鐘速率下，獲得2×2=4倍的數據傳輸速率。最后，利用脈沖整形濾波器進一步縮小占用帶寬后，用戶可以100Gb/s的速率，透過50GHz信道傳輸數據。

圖3　藉由結合使用不同的調制技術，光譜效率可迅速倍增。

強化帶寬/信噪比效能 光譜傳輸加速升級

上面的方法看起來好像萬無一失，只要不再遇到其他問題就好了。但是，事情當然不會這么簡單。

早在1940年代，美國數學家和電子工程師，同時也是信息論之父Claude Shannon發現，傳輸信道最大的無誤差數據傳輸速度，取決于噪聲和帶寬。他把此速率稱為“信道容量”，即眾所周知的“Shannon極限值”。

Shannon–Hartley定理：

信道容量：

Shannon–Hartley定理

其中，B是帶寬(Hz)、S是平均接收信號功率(W)，而N是平均噪聲功率(W)。藉由增加帶寬，或是將信噪比(SNR=S/N)優化，用戶可增加信道容量;事實上，Shannon–Hartley定理僅提供理論上的最大值，卻未指出那一種信號傳輸法可讓用戶最接近此極限值。

實作時，SNR是最根本的限制因素。因此，從現在到未來，業界都須持斷改進這個問題，以達成Shannon極限值。當數據傳輸速率超過100Gb/s，就需更出色的SNR性能，以便在給定帶寬下進行長距離傳輸。

Ellis、Zhao和Cotter利用這些范例參數，來仿真相關傳輸和檢測類型的信息光譜密度C/B(圖4)。進行非線性傳輸時，信息光譜密度不會隨著發射功率光譜密度而無限增加。由于光纖本身具有功率放大器的飽和效應和非線性效應，因此其信息光譜密度有最高上限。不過如果是進行純線性傳輸，就不會遇到這種問題。

圖4　圖中使用A. Ellis、J. Zhao和D. Cotter論文《接近非線性Shannon極限值》JLT 28(4), 423-433中提出的每極化預期信息頻光譜密度限制的范例。

在圖4中，使用者可清楚看出，就信息光譜密度而言，OOK的直接檢測法(僅萃取振幅信息)，完全無法與復數調制信號之相干檢測法相抗衡。毫無疑問的，不同類型的復數調制法，對于光傳輸方案開發人員能夠多接近Shannon光譜效率極限，有關鍵性影響。