通信工程導(dǎo)論

1、基于光纖通信的認(rèn)知與暢想顧善植引言：2009年高錕因?yàn)樵凇坝嘘P(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成 就，榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。全網(wǎng)寬帶化的實(shí)現(xiàn)，最后一公里的最佳解決，5G的發(fā)展需要更多的人才與投資去實(shí)現(xiàn)， 本文著重回顧光纖通信的發(fā)展，對(duì)其原理的思考，并根據(jù)光的粒子性對(duì)光通信的開(kāi)發(fā)進(jìn)行構(gòu)想。關(guān)鍵字：光纖，原理，光的粒子性正文目錄：一：光導(dǎo)纖維:光信息傳輸技術(shù):2.1光纖結(jié)構(gòu)與原理2.2光纖損耗與色散2.3特種抗彎曲光纖的誕生2.4 *歐盟加速光纖通訊技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新光纖通信的展望:3.1 光纖無(wú)線融合傳輸技術(shù)3.2 *光通信的暢想光導(dǎo)纖維光通常情況下沿直線傳播，而進(jìn)入不同介質(zhì)時(shí)，比如光

2、從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，折射光線消失，全部光線都反 射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前 進(jìn)。這就是全反射的作用。后來(lái)人們?cè)斐鲆环N 透明度很高、粗細(xì)像蜘蛛絲一樣的玻璃絲玻璃纖維，當(dāng)光線以合適的角度射入玻璃纖維時(shí)，光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進(jìn)。由于 這種纖維能夠用來(lái)傳輸光線，所以稱(chēng)它為光導(dǎo)纖維。起初，用玻璃絲來(lái)通信要求光纖對(duì)光能的損失為20”當(dāng)時(shí)即便是最好的玻璃一照相機(jī)鏡頭玻璃，損失也在700。1966年，高錕提出單模光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模型1972年，美國(guó)康寧公司耗資3000萬(wàn)制造出20米長(zhǎng)損耗小于20的光纖樣品。硬件的完善往往 取決于純凈度，現(xiàn)在的光纖純度很高，幾乎不含雜質(zhì)，所以

3、在一定波段上傳輸損耗很小。常 用的石英光纖，最小損耗波長(zhǎng)為1.55，其次為1.3，每千米損耗不到1。這一成就使因特網(wǎng)與無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)的發(fā)展有了堅(jiān)實(shí)保障。光纖通信也成為了信息時(shí)代的重要支柱。光信息傳輸技術(shù)2.1光纖結(jié)構(gòu)與原理Fiber StructureCluMln*光纖的主要成分是二氧化硅（2）,由纖芯、包層、 涂覆層組成。纖芯為摻雜的二氧化硅（如二氧化鍺）， 以提高纖芯折射率。直徑一般550。包層為純二氧化 硅，外徑125。涂覆層為環(huán)氧樹(shù)脂，硅橡膠等 高分子材料，外徑250， 用于增強(qiáng)柔韌性和機(jī)械 強(qiáng)度（國(guó)際電信聯(lián)盟（）標(biāo)準(zhǔn)：光纖外徑統(tǒng)一為125多模光纖與單模光纖：按光纖傳輸模式分類(lèi)多模光纖

4、芯徑50 ，單模光纖芯徑9 ）光纖模式：能在光纖中傳播的電磁波不但要滿足芯包界面全反射條件，還要滿足相干加強(qiáng)條件。對(duì)具體光纖結(jié)構(gòu)，只有一系列特定的電磁波可以在光纖中有效傳播，這些特定的電磁波稱(chēng)為光纖模式。單模光纖：光纖中只傳播一種模式，芯徑410 。無(wú)模式色散，傳光性能好，適用大容量、長(zhǎng)距離通信。因截面小，制造、連接、耦合困難。多模光纖：光纖中傳播多種模式，芯徑約50 ，或型。型模式色散大，帶寬窄。制造、連接、耦合容易。單模工作條件： V < 2.405。2.2光纖損耗與色散世界上不可能存在毫無(wú)雜質(zhì)的玻璃，起初讓光纖通信能夠商用化，降低雜質(zhì)是必須克服的難關(guān)。戰(zhàn)爭(zhēng)史上曾發(fā)現(xiàn)制造低雜質(zhì)玻璃的

5、方法一攪拌。1970年，宣布利用化學(xué)氣相沉積法制造出了損耗率為20的試驗(yàn)性單模光纖，奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。前人執(zhí)著于這方面的 研究，源于損耗左右著通信的質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)：光束的發(fā)散角不為零時(shí)， 光功率與傳輸距離之間呈平方反比關(guān)系。即距離增10 lg Fl (dB/km )LFo加一倍，功率密度減小到四分之一，即。指數(shù)衰減規(guī)律：FL Po exp(L)光纖損耗系數(shù):現(xiàn)實(shí)生活中，光纖商用化距離遍布全國(guó)，有著八橫八縱，即便看似很小的系數(shù)乘以距離也會(huì)造成極大的損耗，當(dāng)年高錕研究玻璃纖維時(shí)也面臨著兩大 障礙：1光在一般玻璃中能減達(dá)到 3,2.千米以上長(zhǎng)度的微細(xì)玻璃纖維如何生產(chǎn)與穩(wěn)定。而結(jié)論就是降低雜質(zhì)鐵離

6、子于減少散射。在玻璃中，光波能減的主要原因是雜質(zhì)鐵離子吸收光能， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：鐵離子含量減到百分之一以下，就能實(shí)現(xiàn)20.所以所有的研究都是值得的,即便1970年的康寧公司耗資3000萬(wàn)初步實(shí)現(xiàn)這一想法也這么認(rèn)為。那么，光纖為什么會(huì)有這么難以解決的損耗問(wèn)題。通常有:吸收損耗本征吸收損耗、雜質(zhì)吸收損耗、原子缺陷吸收損耗。散射損耗瑞利散射損耗、結(jié)構(gòu)不完善散射損耗、非線性效應(yīng)散射損耗。其它損耗彎曲損耗、連接損耗、耦合損耗。在應(yīng)用中，除了損耗作用，這里再介紹一下色散作用：回憶一下我們小時(shí)候與小伙伴玩過(guò)的兩人三足跑，兩個(gè)人動(dòng)作保持一致才能有效地到達(dá)終點(diǎn)，現(xiàn)在有十個(gè)人站成一排， 同樣的規(guī)則，大家彼此都是獨(dú)

7、立的個(gè)體，必然有快有慢，在跑步中必須保持同樣的節(jié)奏，才能完成。同樣，在一根傳輸線中，有許多不同頻率或不同模式的信號(hào)，如果不加以控制，就會(huì)在 傳播過(guò)程中，因群速度不同互相散開(kāi)，引起信號(hào)波形失真，脈沖展寬。而這一物理現(xiàn)象將直接導(dǎo)致光信號(hào)在傳輸過(guò)程中的畸變，從而影響通信的可靠性。如下圖所示，同一起跑線的信號(hào)到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間不同而產(chǎn)生的脈沖展開(kāi)現(xiàn)象，也可形象的用時(shí)延差定義。R 4! 1: 1脈沖展寬導(dǎo)致接收端無(wú)法將相鄰的脈沖分開(kāi),從而導(dǎo)致誤碼。因此，射散特性限制了光纖的傳輸容量。2.3特種抗彎曲光纖的誕生特 種 抗 彎 曲 光 纖 入 戶(hù)2007年7月,康寧基于？的新型光纖能夠適用于角度很小的轉(zhuǎn)角而不會(huì)

8、出現(xiàn)信號(hào) 丟失高弓雖度待種光纖（GGP） 3M命利目支術(shù)的周強(qiáng)度光纖 GGP J來(lái)用玻璃纖維 喪面涂苗永反楽令軸保護(hù) 涂層的蒔琢H 藝;.2 Kibci-Z i neo rd J ?icko t cd 9 / 1 2SLS；足 U/tt I SER J柱同樣的彎曲半徑下* 可 減少光纖彎曲半侄報(bào)耗比 普詭光紜小*尢其適用于 帝虞髙不易盤(pán)纖的紀(jì)線 架內(nèi)-* 特種光規(guī)跳線寸丁緖也不易 折斷，尢其-適用于一些環(huán) 境較惡劣的布線場(chǎng)音2.4歐盟加速光纖通訊技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新 *聚焦國(guó)際前沿資料：歐委會(huì)正式對(duì)外宣布，由愛(ài)爾蘭都柏林三一學(xué)院電信研究中心（）教授博士領(lǐng)導(dǎo)的，歐盟8個(gè)成員國(guó)主要電信科研機(jī)構(gòu)和大型跨國(guó)

9、集團(tuán)，包括電信運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備供應(yīng)商如、和數(shù)10家創(chuàng)新型中小企業(yè)在內(nèi)的，歐洲研發(fā)團(tuán)隊(duì)組建完成，將啟動(dòng)更廉價(jià)、更快速、更綠色的 全光寬帶（）研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目。研發(fā)團(tuán)隊(duì)的研發(fā)創(chuàng)新活動(dòng)將主要聚焦于：1）提高能效、簡(jiǎn)化操作和改進(jìn)引入技術(shù)的整間斷大容量體互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；2）利用先進(jìn)光子學(xué)技術(shù)（）難以想象的帶寬特性和其靈活性，加速光子學(xué)技術(shù)在固定互聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用；3）根據(jù)平等原則，為所有的互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)接入點(diǎn)提供同等的優(yōu)質(zhì)高速寬帶服務(wù)，典型的核心帶寬在10到100之間，直接連至用戶(hù)；4）無(wú)縫銜接整合無(wú)線與固定光子學(xué)技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，向用戶(hù)提供最佳成本效益的無(wú)線或固定或移動(dòng)的自動(dòng)接入和網(wǎng)絡(luò)流量，不犧牲延遲或帶寬。聚焦點(diǎn)同

10、時(shí)也是創(chuàng)新點(diǎn)，給我們的啟示也是發(fā)展點(diǎn)。物聯(lián)時(shí)代下的光通信，各 國(guó)都在發(fā)展，無(wú)論從科技還是從經(jīng)濟(jì)，光通信都是熱點(diǎn)。三：光纖通信的展望：3.1光纖無(wú)線融合傳輸技術(shù)理論：利用新型的低成本光纖無(wú)線融合傳輸技術(shù)替換常規(guī)的無(wú)線傳輸技術(shù), 把遠(yuǎn)端等數(shù)字化單元?jiǎng)冸x并上移到基帶池云機(jī)房，通過(guò)光纖中多域混合復(fù)用技 術(shù)，用光信號(hào)“直接”傳輸未經(jīng)數(shù)字化的天線，待發(fā)射或接收到幾十甚至幾百路 模擬無(wú)線信號(hào)，就可以構(gòu)建大規(guī)模陣列天線技術(shù)與大規(guī)模協(xié)作的云架構(gòu)完美結(jié)合 的5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。作為光纖寬帶接入網(wǎng)技術(shù)的首選，存在接入不靈活，光纖到家成本相對(duì)較高 等缺點(diǎn)，靈活性高和易用性，其無(wú)線信道卻不穩(wěn)定且每用戶(hù)分到的帶寬有限。將 和融

11、合，為5G時(shí)代鋪路。3.2 *光通信的暢想光纖入戶(hù)存在的最后一公里問(wèn)題，無(wú)線光通信有效地完善著。未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn) 必然以光纖為載體架設(shè)，我們不僅要在地球上實(shí)現(xiàn)覆蓋，還要進(jìn)軍外太空，這種技術(shù)可 能當(dāng)下除非應(yīng)緊的時(shí)候采用，更多的是在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)，可又有誰(shuí)知道18個(gè)月后又是什么樣，今天匪夷所思的理論也許剛走出實(shí)驗(yàn)室就能實(shí)現(xiàn)商用化。而光纖網(wǎng)絡(luò)也許會(huì)被 更安全的虛擬光纖替代。無(wú)論是有線還是無(wú)線，便利都是始終的標(biāo)準(zhǔn)。既然光通信，本文基本上在研究前人的成果，而且側(cè)重于有線，本文最后對(duì)光通信 技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)聯(lián)想。既然邁向5G時(shí)代，全球的網(wǎng)絡(luò)覆蓋必不可少，陸上海中的光纖架設(shè)正在完善，但 大洋深處，沙漠中，一些欠

12、發(fā)達(dá)國(guó)家，甚至剛剛拍完北極熊或者企鵝就能將照片上傳的 技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)。無(wú)線的資源是有限的，每一段頻譜都有標(biāo)價(jià)甚至無(wú)價(jià)，那么與其去爭(zhēng)這 么少的資源，不如對(duì)現(xiàn)有資源在開(kāi)發(fā)， 也許司空見(jiàn)慣的路邊的小草隱藏著未來(lái)醫(yī)藥的良 方。紅外技術(shù)日臻成熟，紅外網(wǎng)絡(luò)也有不斷嘗試。大氣中距離不到4000米覆蓋，如果利用紅外實(shí)現(xiàn)這些地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，設(shè)想如下：選取短波紅外作為研究對(duì)象，由基站釋 放紅外信號(hào)，利用仿生學(xué)角度感知紅外信號(hào)。紅外的穿透性較弱，影響著距離。但紅外 作為光，它是由粒子組成的，遇到障礙物時(shí)能否從間隙中傳過(guò)去。以每個(gè)光子為研究單 位，攜帶著信息進(jìn)行傳輸，能自由在一定空間內(nèi)離散與聚合，這樣能有效提高穿障能力。如果這一技術(shù)能實(shí)現(xiàn)，將一舉兩得，因?yàn)橹疤岬降墓饫w入戶(hù)問(wèn)題也隨之解決了。 在彎曲時(shí)造成的信號(hào)能減，會(huì)因?yàn)楣庾釉诳?/p>