光通信——21世纪通信革命

1、光通信21世纪的通信革命 湖南理工学院信息学院湖南理工学院信息学院 刘靖刘靖 教授教授 内 容一、光子的初步认识二、光子的起源 三、光子的结构（猜想）四、光子通信的优越性五、神奇的信息传输媒体光纤 一、光子的初步认识一、光子的初步认识 光是生命的源泉。光是生命的源泉。光子光子, , 为人类提供了青山绿水的生活环境，也为人类提供了为人类提供了青山绿水的生活环境，也为人类提供了 衣、食、住、行的资源，使我们能目睹五彩缤纷的世界。衣、食、住、行的资源，使我们能目睹五彩缤纷的世界。 光是宇宙之神光是宇宙之神。光开万物。光开万物, , 万物皆有灵，万物皆有光。古人对光的陌生，产生万物皆有灵，万物皆有光。

2、古人对光的陌生，产生 了了对光的崇拜。对光的崇拜。 人与自然界打交道最多的是光：人与自然界打交道最多的是光： 黑暗中要有灯光黑暗中要有灯光 近视要配眼镜近视要配眼镜 观看远方的物体，要用望远镜观看远方的物体，要用望远镜 观看细小的物体，要用显微镜观看细小的物体，要用显微镜 20世纪世纪60年代后，光子逐步走进人类的生活舞台。最近年代后，光子逐步走进人类的生活舞台。最近20年，产品已逐步走年，产品已逐步走 进市场。目前人们使用的光子产品有：激光打印机、光笔、光盘、扫描仪、进市场。目前人们使用的光子产品有：激光打印机、光笔、光盘、扫描仪、 传真机等。零有激光测距、激光医疗、激光加工、激光武器、光子

3、美容等。传真机等。零有激光测距、激光医疗、激光加工、激光武器、光子美容等。 光子，带领人类进入了高度发达的信息时代光纤通信光子，带领人类进入了高度发达的信息时代光纤通信 在电学领域，光子的对应物是电子。电子，是我们很熟悉的，如：电灯、电话、在电学领域，光子的对应物是电子。电子，是我们很熟悉的，如：电灯、电话、电视、电子计算机等。但是，电子的固有缺陷，使得电子技术的发展走到了山穷电视、电子计算机等。但是，电子的固有缺陷，使得电子技术的发展走到了山穷水尽的地步。水尽的地步。二、光子的起源 （ 1）物质的结构 世界所有物质都是由分子构成，或直接由原子构成；原子由带正电的原子核原子核和带负电的核外电子

4、电子构成，原子核原子核是由带正电荷的质子和不带电荷的中子构成，原子中，质子数=电子电子数，因此正、负抵消，原子就不显电。原子是个空心球体，原子中大部分的质量都集中在原子核原子核上，电子电子几乎没有质量，通常忽略不计。 值得说明的是：电子围绕原子核运动，就像行星绕着太阳运动一样。 行星可在不同的轨道上绕着太阳运转，且在不同的轨道上行星所具有的能量是不同的。 同理，电子围绕原子核运动，也可处在不同的轨道上；当电子处在不同的轨道时，原子系统所具有的能量是不同的。 （2）原子的能级 原子是有能量的。能量值取决于电子绕原子核运动的轨道。电子所在的轨 道离核越近，受到核的吸收力越大，电子的能量越低。反之，

5、电子离原子 核越远，电子的能量越高。 原子中，电子所处的不同能量状态，称原子轨道的能级。 玻尔假设一：原子只能处于一系列不连续的能量状态中。在这些状态中， 原子是稳定的，电子虽绕原子核运动，但并不向外辐射能量。这些状态 叫做定态。 (玻尔：1885年10月生于丹麦，是20世纪一流的物理学家。打破了 经典物理学一统天下的局面，开创了揭示微观世界基本特征的前景。 ) （3）光子的产生 一个原子，可以有许多不同的能量状态和相应的能级。 电子可以在不同的能级之间跃迁。 玻尔假设二：原子从一种能级（E初）跃迁到另一种能级（E终）时， 辐射（或吸收）一定频率的光子。光子的能量，由这两个能级的能量 之差决定

6、，即： h =E初-E终 其中，h 是普朗克常量， 是光的频率。电子从高能级向低能级跃迁，辐射出一定频率的光子；电子从低能级向高能级跃迁，吸收一定频率的光子。氵频率： 信号通过频率来区分，不同频率代表不同信息。 频率包括基频和谐波（谐波频率是基波基波频率的整倍数）。 傅立叶级数：任何一个周期函数，都可用正弦和余弦函数构成的无穷 级数来表示 。 展开成级数后，可以知道每个频率分量的大小；在频域中可以评价信号 的特征，便于信号的处理。 信号可从零频率开始，也可以不从零开始，直到某个较高的谐波频率。 基频包含了信号的大部分能量，决定信号波形的大体形状。 谐波决定信号波形的细节，决定信号的清晰度。 （

7、女生谐波成分丰富，所以女生音质清晰、饱满、悦耳，好听。）01( )cossinnnnf taan t bn t带宽：是“频带宽带”的简称，指通信线路传送信号的频率范围，是“上限频率”与 “下限频率”的差值。 例如：人耳能感觉到的声音信号的频率范围是2020000Hz。 图像信号的频率范围是06MHz。 带宽越宽，谐波越丰富，高频分量越多，信号的清晰度越高。 带宽越宽，线路的传输容量越大，可同时传输的信息就越多。 通信技术的主攻方向之一，就是努力提高传输线路的带宽，增加信 息的传输容量。 带宽是通信线路可处理的频率范围。通常地，通信设备带宽越宽，性能 越优良，电路结构越复杂，价格越高。 带宽的资

8、源性： 装电话价格：1993年：5100元； 1995年：3400元； 1997年：1400元； 2000年：200元 2000年后：免费 电子通信的最高频率：109Hz（1） 若每门电话的带宽为20KHz： 910250000()4000门91050000( )20000门（2） 若每门电话带宽4KHz（信号频率范围204000Hz）： 带宽犹如石油、煤炭，是资源，用完后不再有。 无委：无线电频率管理委员会 在全球或者局部范围，对无线电频率进行统一分配和管理。无线电频率分布无线电频率分布波段名称波段名称波长范围波长范围频率范围频率范围 应用举例应用举例长波波段(低频)100010000m30

9、300kHz低频LF航海设备；长距离点与点间通信中波波段（中频）1001000m3003000kHz中频MF调幅广播；警察用无线电短波波段（高频）10100m330MHz高频HF短波广播；移动通信；军用通信；业余无线电台超短波波段（甚高频）110m30300MHz甚高频VHF电视；调频广播；空中交通管制；业余无线电台分米波波段（超高频）10100cm3003000MHz特高频UHF电视；遥测；雷达；业余无线电台厘米波波段（特高频）110cm330GHz超高频SHF雷达；卫星和空间通信；毫米波波段（极高频）0.11cm30300GHz极高频EHF雷达；射电天文学自红外线至紫外线0.1cm5101

10、151016光通信83 10/fc三、光子的结构（猜想）第一，光子由带正电的光微子+和带负电的光微子- 组成。+ 与- 的质量 相等，但电荷的极性相反，所以光子对外不显电性(光子属电中性粒子)。 第二，光子的结构类似于氢原子，以+ 为核心，- 围绕+ 运动。 第三，-围绕+ 作高速的螺旋状运动，其核心以光速c 匀速向前推进，核心 的推进方向即光子的传播方向。 第四，在垂直光子传播方向的平面内， - 绕 + 旋进的轨迹为一个圆。 在平行于光子传播方向且包含该方向的平面内，其轨迹是一条周期性 变化的类正弦曲线，它代表光子的偏振性，即横波性。第五，光子的电场与磁场相互正交，且都垂直于光子的传播方向。

11、第六，+ 和- 的质量与电荷均来自于它的母体：原子核和核外电子。 电子技术的发展：电子技术的发展：经历了电子管经历了电子管晶体管晶体管 集成电路集成电路大规模集成电路大规模集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路五个发展阶段。五个发展阶段。 然而，集成电路的集成度是有限度的。然而，集成电路的集成度是有限度的。集成电路的集成电路的线条线条宽度不可能小于电子的宽度不可能小于电子的平均自由程平均自由程（电（电子在与物质发生子在与物质发生碰撞前平均的自由运动的距离碰撞前平均的自由运动的距离 ）50nm, , 即人们常说即人们常说的的“电子瓶颈电子瓶颈”。目前，超大规模集成电路的加工水平。目前，超大规模

12、集成电路的加工水平已经到了已经到了 65 nm，距离电子的，距离电子的平均自由程平均自由程仅相隔一步之仅相隔一步之遥，并能批量生产。这说明，电子技术的发展到了接近遥，并能批量生产。这说明，电子技术的发展到了接近山穷水尽的处境，受到了重大挑战。山穷水尽的处境，受到了重大挑战。 电子瓶颈出现的根本原因：电子瓶颈出现的根本原因：集成电路中，信息的载体是集成电路中，信息的载体是电子。电子是个好东西，是现在文明的基石，但有下列电子。电子是个好东西，是现在文明的基石，但有下列的固有缺陷，如：的固有缺陷，如： 电 子 技 术 的 局 限 性四、光子通信的优越性电脑主板的电路图 电子是费米子，带电量，存在库仑

13、力，相互间有干扰。当集 成度过高时，电子间互相影响，产生热效应，能量损失大， 信息间相互干扰，严重影响通信的质量。因此，以电子作为 载体的信息传输，其性能是很差的。 电子有质量。在金属中，电子的传播速度很慢，只能达到104 105m/s的数量级，单位时间内能传递的信息量较少，远远 不能满足现代通信高速、大容量的需求。 电子通信的带宽很窄，被传递信息的清晰度不高。理论上， 频分系统中，带宽越宽，通信质量越好。目前，普通电话的 典型带宽是4000Hz，典型电视的带宽是8106Hz。人的 耳朵能感觉的声音频率范围是0 20000 Hz，而普通电话 只取了其中的0 4K Hz，无情地去掉了声音的高次谐

14、波分 量，自然，电话通信的清晰度很差。电子的工作频率很低，最大值只能到达109Hz。理论上，载波频率 越高，通信容量越大。如果把这109Hz全部用来装电话，也只能装 250000门电话。如果全部用来播送电视节目，只能播放09/(8106) 125套节目。目前，电子通信下的频谱资源是很缺乏的。90代早 期，装一门电话要化5000多元。电子通信的保密性很差（辐射大，容易接口），不符合现代军事的 需要。电子在金属中传输时，损耗很大，需要中继。很难适用于海底通信 和长距离通信。 电子的缺陷，决定了电子的处境是很艰难的。目前，电子交换和信息处理的发展已经接近电子速率的极限。在通信领域，人们一直在寻求取代

15、电子的最佳措施。这种取代的措施已经确定，就是用光子替代电子。 光子 技 术 的 优越 性 光子不带电，相互间没有电磁作用。因此，相互间不产生 相互干扰，通信的质量高。这种性质，使得科学家能在极小 的空间里开辟很多的信息通道。例如，贝尔实验室的光学转 换器，可以做得很小，以致在不到2毫米直径的器件中，可 装入2000多个通道。 光子没有静止质量，并以光速运动，可以更快地传递信息。 光子的传播速度很快，在介质中的传播速度可达 108m/s ， 比电子在金属中的快数千倍，可承载更多信息。 光纤通信的典型带宽为太赫兹（1012Hz），可以极大地提高 通信质量（包括语音、图像、视频等） 光波的频率很高（

16、1014Hz），可以利用的带宽很宽。可以估 算，用一路光信号，可同时传输250亿门电话和1.25107路 电视。全世界按50亿人口算，即使每个人装5门电话也不会出 现频谱紧张的情形。现在装电话不要钱，就是这个原因。 光子通信的保密性好，不易窃听。光子被局限在介质内传输，向外辐射 少，泄漏极少，串音小，抗干扰能力强，在长途传输中，不易被窃听。 光子之间没有相互作用，相当于一个封闭系统，所以能量损耗小，可以 做到万里传输无中继，节省人力、物力、财力，具有相当的经济价值。 正是由于光子的这些优势，发达国家（如美国、英国、法国、德国、日本、韩国、包括台湾地区）的信息产业部，在权衡电子与光子的利弊后，果

17、断地将信息产业的目光更多地投向光子。 美国商业周报2000年1月1号指出：21世纪，谁首先抢先了光子技术的商品市场，谁就能在世界政治、经济、科研、军事中处于领先地位，成为世界的统治者。 光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。 光子是光线中携带能量的粒子。光子的光子的能量与波长相关。 光子是电磁辐射的量子单元，可以看成是光的粒子。光子没有静止质 量，无电荷，在真空中永远运动；它们是玻色子，是带电的或磁化的物 体之间电磁力的携带者。 光子是一种基本的光粒子。 光子视为能量的非正式单位，其能量等于h（一个光子是一个能量 包），h 是普朗克常量，是光的频率。特征电子光子静止质量mo0运动质量meh/c2传

18、播特性不能在自由空间传播能在自由空间传播传播速度小于光速(C)等于光速(C)时间特性有时间不可逆性有一定的类时间可逆性空间特性高度的空间局域性不具空间局域性粒子特性费米子(服从费米统计)玻色子(服从玻色统计)电 荷-e0取向特性两个自旋方向两个偏振方向电子与光子的比较电子学光子学1897年 汤姆逊（J.J.Thonlson）发现电子（电子是无线电通信的载体） 1906年 爱因斯坦（Einstein）提出了光子（光子是光通信的载体）1910年，在文献中开始出现“电子学” 1952年 在文献中开始出现“光子学” 1947年 发明晶体管 1960年 发明激光器 1959年 集成电路概念 1969年

19、集成光学概念 1961年 集成电路进入商用 1978年 光电子集成出现样品 1965年 英特尔创始人之一摩尔提出了摩尔定律：在价格不变情况下，集成度（芯片上集成的晶体管数量）每隔1824个月翻一番，性能也将提升一倍。 1976年 光纤通信进入商用1993年 波分复用（不同波长在同一光纤中的集成）概念与试验。 光纤通信中的摩尔定律：通信容量每912个月翻一番。2010年 集成电路的特征尺寸将趋于物理极限0.05m，一根头发丝截面大小的芯片上将集成3,000,000个晶体管，能完成一台 PC 机的功能。 2010年 一根头发丝截面大小的光纤中能复用1000到10000个不同的波长。光纤束中的信息容

20、量到达1015bit/S量级，即每秒传送1000万亿比特的信息，相当于129亿人通电话或传输5亿部电视节目的信息量。 发展历程的比较五、神奇的信息传输媒质-光纤 光纤是一种光波导光纤是一种光波导(Optical waveguide)；由折射率较高的；由折射率较高的纤芯纤芯和折射率和折射率 相对较低的相对较低的包层包层组成。组成。 纤芯的折射率比包层纤芯的折射率比包层稍稍高，损耗比包层要低，光的能量主要集中在纤芯内传输。高，损耗比包层要低，光的能量主要集中在纤芯内传输。 包层可为光的传输提供包层可为光的传输提供反射面反射面和和隔离层隔离层， 并起到一定的机械保护作用。并起到一定的机械保护作用。(

21、1) 光纤的外形光纤的外形 （2） 光纤的主要成分光纤的主要成分目前，通信用的光纤主要是石英系光纤， 其主要成分是高纯度的SiO2玻璃。在石英中，如果掺入折射率高于石英的掺杂剂， 就可以制作光纤的纤芯。 同样， 在石英中，如果掺入折射率低于石英的掺杂剂， 就可以作为包层材料。 纤芯中广泛应用的掺杂剂有：二氧化锗（GeO2）、五氧化二磷(P2O5)等， 包层中主要的掺杂剂为三氧化二硼（B2O3）、 氟（F）等。 （3） 光纤的主要性能参数光纤的主要性能参数 损耗 光波在光纤中传输，随着距离的增加，其强度逐渐减弱，这光波在光纤中传输，随着距离的增加，其强度逐渐减弱，这 种现象说明：种现象说明：光纤

22、是有光纤是有损耗损耗的的。 损耗是限制光纤通信损耗是限制光纤通信传输距离传输距离的重要因素。损耗用的重要因素。损耗用损耗系数损耗系数 ()表示，表示， 单位为：分贝单位为：分贝/km（dB /km ）, 即每单位长度即每单位长度 km内光功率的损耗值（分贝）内光功率的损耗值（分贝） 。 设注入光纤的功率为设注入光纤的功率为p pi( (z z=0)=0)， 经长度为经长度为L L后输出光功率为后输出光功率为 p p0( (z z= =L L) )， 则衰减系数则衰减系数( () )可表示为：可表示为：01010( )lg(/)= - lg(/) ioippdB kmdB kmLpLp 若输入功

23、率为1w ，在不同的损耗系数下，输出功率分别为： (1) 1000 dB /km 0.01(60年代初生产的光纤） （2）20 dB /km 0. 1 (60年代末生产的光纤） (3) 1 dB /km 0.7943(70-74年代生产的光纤） （4）0.5 dB /km 0.8913(76年生产的光纤） （5）0.16 dB /km0.9638(80年后期生产的光纤） 130015508500.22.5损损 耗耗 (dB/km)波波 长长 (nm) 光纤损耗与波长的关系光纤损耗与波长的关系 从图中可看出， 有三个低损耗窗口， 其中心波长分别位于0.85 m、 1.30 m、 1.55 m处。 色散 现象介绍：现象介绍：上述现象说明：不同颜色的光被相同的三棱镜折射，折射角是不上述现象说明：不同颜色的光被相同的三棱镜折射，折射角是不 同的；所以，不同颜色的光在三棱镜中运动时，路径是不同的。同的；所以，不同颜色的光在三棱镜中运动时，路径是不同的。同理，不同频率的光在光纤中传输，同理，不同频率的光在光纤中传输，经历的经历的路径也是路径也是不同；因不同；因 此，不同频率的光线到达同一此，