通信工程导论.doc

基于光纤通信的认知与畅想 顾善植引言：2009年高锟因为在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，荣获诺贝尔物理学奖。全网宽带化的实现，最后一公里的最佳解决，5G的发展需要更多的人才与投资去实现，本文着重回顾光纤通信的发展，对其原理的思考，并根据光的粒子性对光通信的开发进行构想。关键字：光纤，原理，EPON，光的粒子性正文 目录：一：光导纤维：二：光信息传输技术：2.1 光纤结构与原理2.2 光纤损耗与色散2.3 特种抗弯曲光纤的诞生2.4 *欧盟加速光纤通讯技术的研发创新三：光纤通信的展望：3.1 光纤无线融合传输技术3.2 *光通信的畅想 一 光导纤维 光通常情况下沿直线传播，而进入不同介质时，比如光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。这就是全反射的作用。后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。起初，用玻璃丝来通信要求光纤对光能的损失为20db/km,当时即便是最好的玻璃照相机镜头玻璃，损失也在700db/km。1966年，高锟提出单模光波导结构模型，1972年，美国康宁公司耗资3000万制造出20米长损耗小于20db/km的光纤样品。硬件的完善往往取决于纯净度，现在的光纤纯度很高，几乎不含杂质，所以在一定波段上传输损耗很小。常用的石英光纤，最小损耗波长为1.55um， 其次为1.3um，每千米损耗不到1dB。这一成就使因特网与无线移动通信网的发展有了坚实保障。光纤通信也成为了信息时代的重要支柱。 二：光信息传输技术2.1 光纤结构与原理光纤的主要成分是二氧化硅(SiO2)，由纤芯、包层、涂覆层组成。纤芯为掺杂的二氧化硅（如二氧化锗），以提高纤芯折射率。直径一般550um 。包层为纯二氧化硅，外径125 um 。涂覆层为环氧树脂，硅橡胶等高分子材料，外径250um ，用于增强柔韧性和机械强度(国际电信联盟（ITU-T）标准：光纤外径统一为125 um ，多模光纤芯径50 um ，单模光纤芯径9 um)多模光纤与单模光纤：按光纤传输模式分类光纤模式：能在光纤中传播的电磁波不但要满足芯包界面全反射条件，还要满足相干加强条件。对具体光纤结构，只有一系列特定的电磁波可以在光纤中有效传播，这些特定的电磁波称为光纤模式。单模光纤：光纤中只传播一种模式，芯径410 um 。无模式色散，传光性能好，适用大容量、长距离通信。因截面小，制造、连接、耦合困难。多模光纤：光纤中传播多种模式，芯径约50 um ，SI或 GI型。SI型模式色散大，带宽窄。制造、连接、耦合容易。单模工作条件：V 2.405。2.2光纤损耗与色散世界上不可能存在毫无杂质的玻璃，起初让光纤通信能够商用化，降低杂质是必须克服的难关。战争史上曾发现制造低杂质玻璃的方法搅拌。1970年，Coring宣布利用化学气相沉积法制造出了损耗率为20db/km的试验性单模光纤，奠定了光纤通信的基础。前人执着于这方面的研究，源于损耗左右着通信的质量。研究发现：光束的发散角不为零时，光功率与传输距离之间呈平方反比关系。即距离增加一倍，功率密度减小到四分之一，即。指数衰减规律： 光纤损耗系数：现实生活中，光纤商用化距离遍布全国，有着八横八纵，即便看似很小的系数乘以距离也会造成极大的损耗，当年高锟研究玻璃纤维时也面临着两大障碍：1.光在一般玻璃中能减达到3db/m,2.千米以上长度的微细玻璃纤维如何生产与稳定。而结论就是降低杂质铁离子于减少散射。在玻璃中，光波能减的主要原因是杂质铁离子吸收光能，实验数据发现：铁离子含量减到百分之一以下，就能实现20db/km.所以所有的研究都是值得的，即便1970年的康宁公司耗资3000万初步实现这一想法也这么认为。那么，光纤为什么会有这么难以解决的损耗问题。通常有：吸收损耗本征吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。散射损耗 瑞利散射损耗、结构不完善散射损耗、非线性效应散射损耗。其它损耗 弯曲损耗、连接损耗、耦合损耗。在应用中，除了损耗作用，这里再介绍一下色散作用：回忆一下我们小时候与小伙伴玩过的两人三足跑，两个人动作保持一致才能有效地到达终点，现在有十个人站成一排，同样的规则，大家彼此都是独立的个体，必然有快有慢，在跑步中必须保持同样的节奏，才能完成。同样，在一根传输线中，有许多不同频率或不同模式的信号，如果不加以控制，就会在传播过程中，因群速度不同互相散开，引起信号波形失真，脉冲展宽。而这一物理现象将直接导致光信号在传输过程中的畸变，从而影响通信的可靠性。如下图所示，同一起跑线的信号到达终点的时间不同而产生的脉冲展开现象，也可形象的用时延差定义。脉冲展宽导致接收端无法将相邻的脉冲分开，从而导致误码。因此，射散特性限制了光纤的传输容量。 2.3特种抗弯曲光纤的诞生 克服损耗的过程同时也是制造工艺完善的过程，上文提到的化学气相沉积法(MCVD-Modified Chemical Vapour Deposition)与棒外化学汽相沉积法(OVD-Outside Chemical Vapour Deposition)轴向汽相沉积法(VAD-Vapour phase Axial Deposition)微波等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD- Plasma activated Chemical Vapour Deposition )在国际广泛使用轴向汽相沉积法，即VAD法实物图在商业化的过程中，客户始终是利益的核心，研究了那么多类型的光纤终于要一展神威了。可在架设的过程中很快发现，弯曲对缆芯损伤较大，在焊接过程中只有缆芯对接才能保证信号的有效传输，光纤已经铺到了门外，如何在保证成本的情况下有效地进入户内。特种抗弯曲光纤入户 2007年7月,康宁基于nanoStructures的新型光纤能够适用于角度很小的转角而不会出现信号丢失 2.4欧盟加速光纤通讯技术的研发创新*聚焦国际前沿 资料：欧委会正式对外宣布，由爱尔兰都柏林三一学院电信研究中心（CTVR）教授Marco RUFFINI博士领导的，欧盟8个成员国主要电信科研机构和大型跨国集团，包括电信运营商和设备供应商如Telefonica、Telecom Italia、Alcatel-Lucent、Nokia-Siemens和数10家创新型中小企业在内的，欧洲DISCUS研发团队组建完成，将启动更廉价、更快速、更绿色的全光宽带（ALL-Optical Broadband）研发创新项目。 研发团队的研发创新活动将主要聚焦于：1）提高能效、简化操作和改进引入技术的整间断大容量体互联网结构优化设计；2）利用先进光子学技术（Photonics）难以想象的带宽特性及其灵活性，加速光子学技术在固定互联网的推广应用；3）根据平等原则，为所有的互联网用户接入点提供同等的优质高速宽带服务，典型的核心带宽在10Gb/s到100+Gb/s之间，直接连至用户；4）无缝衔接整合无线与固定光子学技术互联网，向用户提供最佳成本效益的无线或固定或移动的自动接入及网络流量，不牺牲延迟或带宽。 聚焦点同时也是创新点，给我们的启示也是发展点。物联时代下的光通信，各国都在发展，无论从科技还是从经济，光通信都是热点。 三：光纤通信的展望：3.1光纤无线融合传输技术 理论：利用新型的低成本光纤无线融合传输技术替换常规的无线传输技术，把远端ADC/DAC等数字化单元剥离并上移到基带池云机房，通过光纤中多域混合复用技术，用光信号“直接”传输未经数字化的天线,待发射或接收到几十甚至几百路模拟无线信号，就可以构建大规模阵列天线MIMO技术与大规模协作的云架构完美结合的5G无线网络。 EPON作为光纤宽带接入网技术的首选,存在接入不灵活,光纤到家成本相对较高等缺点，WiMAX灵活性高和易用性,其无线信道却不稳定且每用户分到的带宽有限。将EPON和WiMAX融合，为5G时代铺路。3.2 *光通信的畅想光纤入户存在的最后一公里问题，无线光通信有效地完善着。未来全光网络的实现必然以光纤为载体架设，我们不仅要在地球上实现覆盖，还要进军外太空，这种技术可能当下除非应紧的时候采用，更多的是在实验室里实现，可又有谁知道18个月后又是什么样，今天匪夷所思的理论也许刚走出实验室就能实现商用化。而光纤网络也许会被更安全的虚拟光纤替代。无论是有线还是无线，便利都是始终的标准。既然光通信，本文基本上在研究前人的成果，而且侧重于有线，本文最后对光通信技术进行适当联想。既然迈向5G时代，全球的网络覆盖必不可少，陆上海中的光纤架设正在完善，但大洋深处，沙漠中，一些欠发达国家，甚至刚刚拍完北极熊或者企鹅就能将照片上传的技术尚未实现。无线的资源是有限的，每一段频谱都有标价甚至无价，那么与其去争这么少的资源，不如对现有资源在开发，也许司空见惯的路边的小草隐藏着未来医药的良方。红外技术日臻成熟，红外网络也有不断尝试。大气中距离不到4000米覆盖，如果利用红外实现这些地区的网络覆盖，设想如下：选取短波红外作为研究对象，由基站释放红外信号，利用仿生学角度感知红外信号。红外的穿透性较弱，影响着距离。但红外作为光，它是由粒子组成的，遇到障碍物时能否从间隙中传过去。以每个光子为研究单位，携带着信息进行传输，能自由在一定空间内离散与聚合，这样能有效提高穿障能力。如果这一技术能实现，将一举两得，因为之前提到的光纤入户问题也随之解决了。在弯曲时造成的信号能减，