通信工程导论.pdf

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1、1/7 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

2、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2/7，1972年，美国康宁公司

3、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，

4、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。3/7

5、 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21rP。指数衰减规律：)exp(0LPPL 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

6、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：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，

7、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。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。)dB/km(lg100PPLL4/7 2.3 特种抗弯曲光纤

8、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 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

9、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。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。轴向汽相沉积法，即 VAD 法实物图 5/7 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

10、-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

11、用户提供最佳成 本 效 益 的 无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 特 种 抗 弯 曲 光 纤 入 户 6/7 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

12、,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，

13、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

14、，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，会因为光子在可控范围内的自由离散整合而解决。那么如何做到可控，粒子之间存在引力与斥力，在 r0 的时候相等，但没有绝对不变的值，我不清楚加速或减速或改变场是否能改变 r0,只要粒子与粒子间的相互作用力可控，那么就能实现光子的离散与聚合，从而更大限度的实现光传输。7/7 参考文献：1.光电工程导论 2.宽带无线通信技术基础.3.张敏明教授关于面向 5G 的光纤无线融合技术的报告 4.卞现泽EPON 和 WiMAX 融合接入网的带宽分配研究