通信工程導(dǎo)論

/基于光纖通信的認(rèn)知和暢想顧善植引言：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。全網(wǎng)寬帶化的實(shí)現(xiàn)，最終一公里的最佳解決，5G的發(fā)展須要更多的人才和投資去實(shí)現(xiàn)，本文著重回顧光纖通信的發(fā)展，對其原理的思索，并依據(jù)光的粒子性對光通信的開發(fā)進(jìn)行構(gòu)想。關(guān)鍵字：光纖，原理，EPON，光的粒子性正文書目：一：光導(dǎo)纖維：二：光信息傳輸技術(shù)：2.1光纖結(jié)構(gòu)和原理2.2光纖損耗和色散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)新三：光纖通信的展望：3.1光纖無線融合傳輸技術(shù)3.2*光通信的暢想一光導(dǎo)纖維光通常狀況下沿直線傳播，而進(jìn)入不同介質(zhì)時，比如光從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時，折射光線消逝，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。后來人們造出一種透亮度很高、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，光就沿著曲曲折折的玻璃纖維前進(jìn)。由于這種纖維能夠用來傳輸光線，所以稱它為光導(dǎo)纖維。起初，用玻璃絲來通信要求光纖對光能的損失為20db/km,,當(dāng)時即便是最好的玻璃—照相機(jī)鏡頭玻璃，損失也在700db/km。1966年，高錕提出單模光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模型，1972年，美國康寧公司耗資3000萬制造出20米長損耗小于20db/km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)，所以在確定波段上傳輸損耗很小。常用的石英光纖，最小損耗波長為1.55um，其次為1.3um，每千米損耗不到1dB。這一成就使因特網(wǎng)和無線移動通信網(wǎng)的發(fā)展有了堅(jiān)實(shí)保障。光纖通信也成為了信息時代的重要支柱。二：光信息傳輸技術(shù)2.1光纖結(jié)構(gòu)和原理光纖的主要成分是二氧化硅(SiO2)，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5~50um。包層為純二氧化硅，外徑125um。涂覆層為環(huán)氧樹脂，硅橡膠等高分子材料，外徑250um，用于增加柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度(國際電信聯(lián)盟（ITU-T）標(biāo)準(zhǔn)：光纖外徑統(tǒng)一為125um，多模光纖芯徑50um，單模光纖芯徑9um)多模光纖和單模光纖：按光纖傳輸模式分類光纖模式：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為光纖模式。單模光纖：光纖中只傳播一種模式，芯徑4~10um。無模式色散，傳光性能好，適用大容量、長距離通信。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50um，SI或GI型。SI型模式色散大，帶寬窄。制造、連接、耦合簡潔。單模工作條件：V<2.405。2.2光纖損耗和色散世界上不行能存在毫無雜質(zhì)的玻璃，起初讓光纖通信能夠商用化，降低雜質(zhì)是必需克服的難關(guān)。斗爭史上曾發(fā)覺制造低雜質(zhì)玻璃的方法—攪拌。1970年，Coring宣布利用化學(xué)氣相沉積法制造出了損耗率為20db/km的試驗(yàn)性單模光纖，奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。前人執(zhí)著于這方面的探討，源于損耗左右著通信的質(zhì)量。探討發(fā)覺：光束的發(fā)散角不為零時，光功率和傳輸距離之間呈平方反比關(guān)系。即距離增加一倍，功率密度減小到四分之一，即。指數(shù)衰減規(guī)律：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，有著八橫八縱，即便看似很小的系數(shù)乘以距離也會造成極大的損耗，當(dāng)年高錕探討玻璃纖維時也面臨著兩大障礙：1.光在一般玻璃中能減達(dá)到3db/m,2.千米以上長度的微細(xì)玻璃纖維如何生產(chǎn)和穩(wěn)定。而結(jié)論就是降低雜質(zhì)鐵離子于削減散射。在玻璃中，光波能減的主要緣由是雜質(zhì)鐵離子吸取光能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)覺：鐵離子含量減到百分之一以下，，就能實(shí)現(xiàn)20db/km.所以全部的探討都是值得的，即便1970年的康寧公司耗資3000萬初步實(shí)現(xiàn)這一想法也這么認(rèn)為。那么，光纖為什么會有這么難以解決的損耗問題。通常有：吸取損耗 本征吸取損耗、雜質(zhì)吸取損耗、原子缺陷吸取損耗。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：回憶一下我們小時候和小伙伴玩過的兩人三足跑，兩個人動作保持一樣才能有效地到達(dá)終點(diǎn)，現(xiàn)在有十個人站成一排，同樣的規(guī)則，大家彼此都是獨(dú)立的個體，必定有快有慢，在跑步中必需保持同樣的節(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，假如不加以限制，就會在傳播過程中，因群速度不同相互散開，引起信號波形失真，脈沖展寬。而這一物理現(xiàn)象將干脆導(dǎo)致光信號在傳輸過程中的畸變，從而影響通信的牢靠性。如下圖所示，同一起跑線的信號到達(dá)終點(diǎn)的時間不同而產(chǎn)生的脈沖綻開現(xiàn)象，也可形象的用時延差定義。脈沖展寬導(dǎo)致接收端無法將相鄰的脈沖分開，從而導(dǎo)致誤碼。因此，射散特性限制了光纖的傳輸容量。脈沖展寬導(dǎo)致接收端無法將相鄰的脈沖分開，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克服損耗的過程同時也是制造工藝完善的過程，上文提到的化學(xué)氣相沉積法(MCVD-ModifiedChemicalVapourDeposition)和棒外化學(xué)汽相沉積法(OVD-OutsideChemicalVapourDeposition)軸向汽相沉積法(VAD-VapourphaseAxialDeposition)微波等離子體激活化學(xué)汽相沉積法(PCVD-PlasmaactivatedChemicalVapourDeposition)在國際廣泛運(yùn)用軸向汽相沉積法，即VAD法實(shí)物圖軸向汽相沉積法，即VAD法實(shí)物圖在商業(yè)化的過程中，客戶始終是利益的核心，探討了那么多類型的光纖最終要一展神威了?？稍诩茉O(shè)的過程中很快發(fā)覺，彎曲對纜芯損傷較大，在焊接過程中只有纜芯對接才能保證信號的有效傳輸，光纖已經(jīng)鋪到了門外，如何在保證成本的狀況下有效地進(jìn)入戶內(nèi)。特種抗彎曲光纖特種抗彎曲光纖入戶2007年7月,康寧基于nanoStructures2007年7月,康寧基于nanoStructures?的新型光纖能夠適用于角度很小的轉(zhuǎn)角而不會出現(xiàn)信號丟失2.4歐盟加速光纖通訊技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新*聚焦國際前沿資料：｛歐委會正式對外宣布，由愛爾蘭都柏林三一學(xué)院電信探討中心（CTVR）教授MarcoRUFFINI博士領(lǐng)導(dǎo)的，歐盟8個成員國主要電信科研機(jī)構(gòu)和大型跨國集團(tuán)，包括電信運(yùn)營商和設(shè)備供應(yīng)商如Telefonica、TelecomItalia、Alcatel-Lucent、Nokia-Siemens和數(shù)10家創(chuàng)新型中小企業(yè)在內(nèi)的，歐洲D(zhuǎn)ISCUS研發(fā)團(tuán)隊(duì)組建完成，將啟動更廉價、更快速、更綠色的全光寬帶（ALL-OpticalBroadband）研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目。研發(fā)團(tuán)隊(duì)的研發(fā)創(chuàng)新活動將主要聚焦于：1）提高能效、簡化操作和改進(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)（Photonics）不行思議的帶寬特性及其靈敏性，加速光子學(xué)技術(shù)在固定互聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用；3）依據(jù)同等原則，為全部的互聯(lián)網(wǎng)用戶接入點(diǎn)供應(yīng)同等的優(yōu)質(zhì)高速寬帶服務(wù)，典型的核心帶寬在10Gb/s到100+Gb/s之間，干脆連至用戶；4）無縫連接整合無線和固定光子學(xué)技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，向用戶供應(yīng)最佳成 本效益的無線或固定或移動的自動接入及網(wǎng)絡(luò)流量，不犧牲延遲或帶寬。｝聚焦點(diǎn)同時也是創(chuàng)新點(diǎn)，給我們的啟示也是發(fā)展點(diǎn)。物聯(lián)時代下的光通信，各國都在發(fā)展，無論從科技還是從經(jīng)濟(jì)，光通信都是熱點(diǎn)。三：光纖通信的展望：3.1光纖無線融合傳輸技術(shù)理論：利用新型的低成本光纖無線融合傳輸技術(shù)替換常規(guī)的無線傳輸技術(shù)，把遠(yuǎn)端ADC/DAC等數(shù)字化單元剝離并上移到基帶池云機(jī)房，通過光纖中多域混合復(fù)用技術(shù)，用光信號“干脆”傳輸未經(jīng)數(shù)字化的天線,待放射或接收到幾十甚至幾百路模擬無線信號，就可以構(gòu)建大規(guī)模陣列天線MIMO技術(shù)和大規(guī)模協(xié)作的云架構(gòu)完備結(jié)合的5G無線網(wǎng)絡(luò)。EPON作為光纖寬帶接入網(wǎng)技術(shù)的首選,存在接入不靈敏,光纖到家成本相對較高等缺點(diǎn)，WiMAX靈敏性高和易用性,其無線信道卻不穩(wěn)定且每用戶分到的帶寬有限。將EPON和WiMAX融合，為5G時代鋪路。3.2*光通信的暢想光纖入戶存在的最終一公里問題，無線光通信有效地完善著。將來全光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)必定以光纖為載體架設(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)緊的時候接受，更多的是在試驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)，可又有誰知道18個月后又是什么樣，今日匪夷所思的理論或許剛走出試驗(yàn)室就能實(shí)現(xiàn)商用化。而光纖網(wǎng)絡(luò)或許會被更平安的虛擬光纖替代。無論是有線還是無線，便利都是始終的標(biāo)準(zhǔn)。既然光通信，本文基本上在探討前人的成果，而且側(cè)重于有線，本文最終對光通信技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)聯(lián)想。既然邁向5G時代，全球的網(wǎng)絡(luò)覆蓋必不行少，陸上海中的光纖架設(shè)正在完善，但大洋深處，沙漠中，一些欠發(fā)達(dá)國家，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)。無線的資源是有限的，每一段頻譜都有標(biāo)價甚至無價，那么和其去爭這么少的資源，不如對現(xiàn)有資源在開發(fā)，或許司空見慣的路邊的小草隱藏著將來醫(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，假如利用紅外實(shí)現(xiàn)這些地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，設(shè)想如下：選取短波紅外作為探討對象，由基站釋放紅外信號，利用仿生學(xué)角度感知紅外信號。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，遇到障礙物時能否從間隙中傳過去。以每個光子為探討單位，攜帶著信息進(jìn)行傳輸，能自由在確定空間內(nèi)離散和聚合，這樣能有效提高穿障實(shí)力。假如這一技術(shù)能實(shí)現(xiàn)，將一箭雙雕，因?yàn)橹疤岬降墓饫w入戶問題也隨之解決了。